GaN功率开关及其对EMI的影响探究

　　1月出席DesignCon 2015时，我有机会听到一个由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex Lidow主讲的有趣专题演讲，谈到以氮化镓（GaN）技术进行高功率开关组件（Switching Device）的研发。我也有幸遇到“电源完整性 --在电子系统测量、优化和故障排除电源相关参数（Power Integrity - Measuring， Optimizing， and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems）”一书的作者Steve Sandler，他提出与测量这些设备的皮秒边沿（Picosecond Edge）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，其他应用包括电信直流对直流（DC-DC）、无线电源（Wireless Power）、激光雷达（LiDAR）和D型音频（Class D Audio）。很显然，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）。

　　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Efficient Power Conversion的半桥（Half-bridge ）1MHz DC-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）电流，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-ZS20 1.5 GHz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30 GHz带宽，或更高的示波器。

　　

　　图3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的单端探头测量前缘

　　

　　图4 捕获的上升时间显示为217MHz，其显示快边缘速度为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EMI，并导致一个峰值。无论是信号接脚和接地回路连接到R＆S RT-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Fischer F-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。

　　

　　图6

　　用Fischer F-33-1电流探头测量的电源输入缆线中的高频电流（紫线），以及10奥姆负载电阻（蓝线）。黄线是环境噪声位准，在约9 MHz的谐波顶部发生1 MHz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。

　　

　　图7

　　用Fischer F-33-1电流探头测量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220MHz。

　　，我用R&S RS H 400-1 H场（H-field）探针（图8）来量测GaN组件附近的近场和通过负载电阻器的高频电流（图9）。

　　

　　图8

使用R＆S RS h400-1 H场探针测量接近GaN开关装置近场辐射

　　

　　图9

　　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220 MHz）振铃频率（标示1），以及在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（Display Line），也就是上面几张屏幕截图中的绿线。两个共振都相当接近，并因而导致“红旗”。

　　GaN组件价值显著

　　GaN功率开关的价值很明显，效率也比MOSFET来得好。虽然GaN技术已问世，但我只看到少部分数据谈论这些皮秒开关装置如何影响产品EMI的发生。底下我列出了一些参考，以及在使用GaN组件时，会“扫大家兴”的部分，但我相信有更多研究需要去完成EMI会发生的后果，至于EMI工程师与顾问在未来几年也将可望采用GaN组件。

　　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.如何测量快的功率开关

　　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.