GaN功率开关会对EMI造成怎样的影响
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，其显示最快边缘速度为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。
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。
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。
最后，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。
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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，其显示最快边缘速度为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。
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。
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。
最后，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”。
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