GaN功率开关及其对EMI的影响探究.doc

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1、GaN功率开关及其对EMI的影响探究1月出席DesignCon2015时，我有机会听到一个由EfficientPowerConversion公司CEOAlexLidow主讲的有趣专题演讲，谈到以氮化稼（GaN）技术进行高功率开关组件（SwitchingDevice）的研发。我也有幸遇到“电源完整性--在也了系统测量、优化和故障排除电源相关参数（PowerIntegrity-Measuring,Optimizing,andTroubleshootingPowerRelatedParametersinElectronicSystems）一书的作者

2、SteveSandler,他提出与测量这些设备的皮秒边沿（PicosecondEdge）速度相关联（可参看他文章索引的部分）。由于这些新电源开关的快速开关速度与相关更高效率，因此我们希望看到他们能适用于开关模式电源和射频（RF）功率放大器。他们可广泛取代现有的金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET），且具有较低的“On”电阻、更小的寄生电容、更小的尺寸与更快的速度。我已注意到采用这些装置的新产品，其他应用包括屯信直流对直流（DC-DC）、无线电源（WirelessPower）、激光雷达（TJDAR）和D型音频（ClassDAudio）。很显

3、然，任何半导体组件在几皮秒内切换，很可能会产生大量的电磁干扰（EMI）o为了评估这些GaN组件，Sandler安排我来测试一些评估板。一块我选择测试的是EfficientPowerConversion的半桥（Half-bridge）1MHzDC-DC降压转换器EPC9101（图1）,请参考这块测试板上的其他信息，以及一些其他的参考部分。图1该演示板用于显示GaN的EMI。该GaN组件被圈定，我会在L1左侧测量切换的波形。该演示板利用8至19伏特（V）屯流，并将其转换为1.2伏20安培（A）（图2）,我让它运行在与10奥姆、2瓦（W）负载、10

4、伏特电压状态。图2半桥DC-DC转换器的电路图，波形在L1的左端返回处被测试我试图用一个罗德史瓦兹（R&S）RT-ZS201.5GIW的单端探头捕获边缘速率（图3）,并探测L1的切换结束，不过现有测试设备的带宽限制，以至于无法忠实捕捉。我能撷取到最好的（图4）是一个1.5纳秒上升时间（其中，以EMI的角度来看，是相当快的开始！）为准确地记录典型的300^500皮秒边缘速度将需要30GM带宽，或更高的示波器。图3采用R&SRTE1104示波器和RT-ZS201.5GHz的单端探头测量前缘图4捕获的上升时间显示为217MHz,其显示最快边缘速度为

5、1.5纳秒但事实上，是在带宽限制下测量EMI的发生虽然没能捕捉到实际的上升时间，我在217MHz频率做了评估提醒铃声。正如你稍后将看到的，当我们开始在频域寻找时，该谐振在带宽中产生EMT,并导致一个峰值。无论是信号接脚和接地回路连接到R&SRT-ZS20探头，路径都非常短，所以提醒铃声并不是由探针造成，而是电路的寄生共振。接下来，我量测在电源输入电缆传导的EMI,且透过负载电阻显示EMI传导特征（图5）。图5用FischerF-33-1电流探头进行高频电流的测试图6显示，整个9k^30MHz的传导发射频段有非常高的1MHz谐波，且都发生在大约

6、9MHz的间隔谐波上，且有些我还不确定其原生处。这些谐波在负载电阻电路上特别高，我怀疑若没有良好质量的线性滤波器，这EMI的数值可能会使传导辐射符合性的测试失败。用FischerF-33T屯流探头测量的屯源输入缆线中的高频屯流（紫线），以及10奥姆负载电阻（蓝线）。黄线是环境噪声位准，在约9MHz的谐波顶部发生1MHz的开关尖峰突出。从我的经验来看，蓝色线的位准令人担忧，且可能造成传导辐射测试的失败。然后将带宽从9KHz拓展到1GHz以便观察谐波可以到多远，然而才约600兆赫就开始渐行渐远。请参看图7。用FischerF-33-1电流探头测量

7、的电源输入缆线中的传导辐射（紫线）,以及10奥姆负载电阻（蓝线），黄线是环境噪声测量。辐射所有的出现都在600MHz,须注意共鸣约在220MHzo最后，我用R&SRS11400-1H场（H-field）探针（图8）来量测GsN组件附近的近场和通过负载屯阻器的高频屯流（图9）o使用R&SRSh400-lH场探针测量接近GaN开关装置近场辐射H场探针测试结果。黄线是环境噪声位准，紫线是GaN组件附近的测量，蓝线则是在10奥姆的负载电阻，辐射终于在约800MHz处逐渐减少。注意（除了所有宽带噪声位准，峰值出现在约220MHz）振铃频率（标示1）,以

8、及在460MHz（标示2）的谐振。从过往的经验，我喜欢把谐波位准降到40dBuV显示行（DisplayLine），也就是上而几张屏幕截图中的绿线。两个共振都相当接近