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1月出席DesignCon 2015時，我有機會聽到一個由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex Lidow主講的有趣專題演講，談到以氮化鎵(GaN)技術進行高功率開關組件(Switching Device)的研發。我也有幸遇到“電源完整性 --在電子系統測量、優化和故障排除電源相關參數(Power Integrity - Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems)”一書的作者Steve Sandler，他提出與測量這些設備的皮秒邊沿(Picosecond Edge)速度相關聯(可參看他文章索引的部分)。 由于這些新電源開關的快速開關速度與相關更高效率，因此我們希望看到他們能適用于開關模式電源和射頻(RF)功率放大器。他們可廣泛取代現有的金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)，且具有較低的“On”電阻、更小的寄生電容、更小的尺寸與更快的速度。我已注意到采用這些裝置的新產品，其他應用包括電信直流對直流(DC-DC)、無線電源(Wireless Power)、激光雷達(LiDAR)和D型音頻(Class D Audio)。很顯然，任何半導體組件在幾皮秒內切換，很可能會產生大量的電磁干擾(EMI)。為了評估這些GaN組件，Sandler安排我來測試一些評估板。一塊我選擇測試的是Efficient Power Conversion的半橋(Half-bridge )1MHz DC-DC降壓轉換器EPC9101(圖1)，請參考這塊測試板上的其他信息，以及一些其他的參考部分。 圖1該演示板用于顯示GaN的EMI。該GaN組件被圈定，我會在L1左側測量切換的波形。 該演示板利用8至19伏特(V)電流，并將其轉換為1.2伏20安培(A)(圖2)，我讓它運行在與10奧姆、2瓦(W)負載、10伏特電壓狀態。 圖2 半橋DC-DC轉換器的電路圖，波形在L1的左端返回處被測試。 我試圖用一個羅德史瓦茲(R&S)RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭捕獲邊緣速率(圖3)，并探測L1的切換結束，不過現有測試設備的帶寬限制，以至于無法忠實捕捉。我能擷取到最好的(圖4)是一個1.5納秒上升時間(其中，以EMI的角度來看，是相當快的開始！) 為準確地記錄典型的300~500皮秒邊緣速度將需要30 GHz帶寬，或更高的示波器。 圖3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭測量前緣。 圖4 捕獲的上升時間顯示為217MHz，其顯示最快邊緣速度為1.5納秒，但事實上，是在帶寬限制下測量。 EMI的發生 雖然沒能捕捉到實際的上升時間，我在217MHz頻率做了評估提醒鈴聲。正如你稍后將看到的，當我們開始在頻域尋找時，該諧振在帶寬中產生EMI，并導致一個峰值。無論是信號接腳和接地回路連接到R＆S RT-ZS20探頭，路徑都非常短，所以提醒鈴聲并不是由探針造成，而是電路的寄生共振。 接下來，我量測在電源輸入電纜傳導的EMI，且透過負載電阻顯示EMI傳導特征(圖5)。 圖5 用Fischer F-33-1電流探頭進行高頻電流的測試。 圖6顯示，整個9k~30MHz的傳導發射頻段有非常高的1MHz諧波，且都發生在大約9MHz的間隔諧波上，且有些我還不確定其原生處。這些諧波在負載電阻電路上特別高，我懷疑若沒有良好質量的線性濾波器，這EMI的數值可能會使傳導輻射符合性的測試失敗。 圖6 用Fischer F-33-1電流探頭測量的電源輸入纜線中的高頻電流(紫線)，以及10奧姆負載電阻(藍線)。黃線是環境噪聲位準，在約9 MHz的諧波頂部發生1 MHz的開關尖峰突出。從我的經驗來看，藍色線的位準令人擔憂，且可能造成傳導輻射測試的失敗。 然后將帶寬從9KHz拓展到1GHz以便觀察諧波可以到多遠，然而才約600兆赫就開始漸行漸遠。請參看圖7。 圖7 用Fischer F-33-1電流探頭測量的電源輸入纜線中的傳導輻射(紫線)，以及10奧姆負載電阻(藍線)，黃線是環境噪聲測量。輻射所有的出現都在600MHz，須注意共鳴約在220MHz。 最后，我用R&S RS H 400-1 H場(H-field)探針(圖8)來量測GaN組件附近的近場和通過負載電阻器的高頻電流(圖9)。 圖8使用R＆S RS h400-1 H場探針測量接近GaN開關裝置近場輻射。 圖9 H場探針測試結果。黃線是環境噪聲位準，紫線是GaN組件附近的測量，藍線則是在10奧姆的負載電阻，輻射終于在約800MHz處逐漸減少。 注意(除了所有寬帶噪聲位準，峰值出現在約220 MHz)振鈴頻率(標示1)，以及在460MHz(標示2)的諧振。從過往的經驗，我喜歡把諧波位準降到40dBuV顯示行(Display Line)，也就是上面幾張屏幕截圖中的綠線。兩個共振都相當接近，并因而導致“紅旗”。 GaN組件價值顯著 GaN功率開關的價值很明顯，效率也比MOSFET來得好。雖然GaN技術已問世，但我只看到少部分數據談論這些皮秒開關裝置如何影響產品EMI的發生。底下我列出了一些參考，以及在使用GaN組件時，會“掃大家興”的部分，但我相信有更多研究需要去完成EMI會發生的后果，至于EMI工程師與顧問在未來幾年也將可望采用GaN組件。 Efficient Power Conversion, Inc. (web site, GaN parts, and demo boards) Carlson and Hokenson, GaN Gives Power and Flexibility to L-Band Radar. EE Times, The 13-Step EMI Mitigation Program for Switching Power Supplies, 12/2013. McDonough, et al., Reduction of EMI Effects in Motor Drives and Complex Power Electronic Systems, University of Texas. Mende and Stauffer, Take on GaN measurement challenges, EDN, 12/2012. Muttaqi and Haque, Electromagnetic Interference Generated from Fast Switching Power Electronic Devices, University of Wollongong. Sandler, How to measure the world’s fastest power switch, EDN.如何測量全球最快的功率開關 Sandler, Power Integrity - Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems, McGraw-Hill, 2014. TI, Layout Considerations for LMG5200 GaN Power Stage, 3/2015. |
