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如何管理GHz及更高频率下的EMI和EMC?

新的功率半导体技术(如SiC和GaN)可实现更高的效率和开关频率,从而实现更小的元器件尺寸。但这些改进是以更大的辐射电磁发射为代价的,而与此同时,EMC法规正变得越来越严格。工程师如何才能有效地降低辐射EMI?

从提高可再生能源的成本平价,到使我们每个人都能拥有一台经济实惠、始终在线的通信设备,再到为物联网进行供电和连接,高效率的电源转换和普遍存在的无线连接将是深刻影响可持续性和生活标准的两个趋势。

另一方面,为确保设备满足电磁兼容性(EMC)法规,两者都存在更严峻的挑战。它们需要在目标环境中正常运行,同时又不会干扰附近的其他设备。此外,随着高速开关和高频RF设备挤占电磁环境,全球主要市场的EMC法规正变得越来越严格。

展望未来,网联汽车等创新技术有望使竞争进一步加剧,为围绕日常消费级电气设备的EMC问题增加一个安全关键性方面。

宽带隙效应

在电源转换领域,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙半导体技术正在进行商业化,以提高传统硅器件的性能:传导损耗更低,芯片尺寸可以降低,进而成本可以降低,击穿电压更高,温度性能增加,更快的开关速度可使用更小的平滑和去耦元件。

然而,尽管开关频率增加可实现更大的功率密度和更低的能量损耗,但皮秒级的开关沿会使谐波深入到射频领域。新功率器件的压摆率会比传统硅器件高得多:例如,与标准MOSFET 0-10V的栅极电压相比,为确保SiC器件的可靠开关,其栅极电压必须在+15V和-3V之间摆动,此外,如果使用较高的直流母线电压来提高效率,晶体管两端的dV/dt也会很高。对于大约1MHz的开关频率,相关谐波的幅度即使对于高达几百MHz的频率也会很麻烦。为确保符合EMC标准,这些问题必须得到处理。

与此同时,随着应用和使用趋势的不断发展,越来越多的设备不可避免地在邻近区域内共存,EMC法规正变得越来越严格。这些无线设备将会越来越多,包括移动设备、平板电脑和物联网基础设施,它们通过蜂窝、WLAN、PAN、LPWAN或sub-GHz RF、GSM / CDMA、2.4GHz或5GHz Wi-Fi或 2.4GHz的Bluetooth® 5等其他各种频段实现网络连接。

最新的欧盟EMC指令2014/30/EU提供了一个很好的例子。修订后的技术限制要求降低传导和辐射发射,提高抗扰度,以证明合规性。欧盟的新立法框架更加重视市场监督,以便发现和排除不合规产品的销售。

EMC指令2014/30/EU中引用了各种技术规范,包括铁路信号设备用EN 50121-4、电力设备用50121-5、家用电气产品和设备用EN 55014,以及IT设备和多媒体设备用EN 55022和55032等新文件。满足这些技术规范是证明合规性的一个方面,另一个方面则是保持令人满意的文件。

在北美,美国联邦通信委员会(FCC)已在其第15部分立法中规定了EMC要求。对于轻工业和工业应用,分别使用国际IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC标准。

应对电源噪声

因此,随着电源系统设计推动开关频率升高,而使噪声信号进入ISM无线电频段或者附近,EMC合规性变得越来越重要但更难实现。

历史上,包含传统硅IGBT或MOSFET的开关电源转换器的典型噪声频谱,涵盖大约10kHz至50MHz的频率范围。其中大部分都在CISPR/CENELEC和FCC噪声标准规定的传导发射范围(9kHz至30MHz)内。

传导噪声可以以差模噪声(也称为正常模式)或共模噪声的形式存在,并在电源和电源线或信号线之间耦合。差模噪声是因设备预期运行而产生,并跟随信号线或电源线流动,而共模噪声是在信号线或电源线和非预期传导路径(例如机壳部件或大地)之间耦合。

传导噪声通常通过插入包含电容器和/或电感器的电源线或信号滤波器来处理。通常,电容器面向高阻抗电路——可能是电源或负载——而电感器则用来连接低阻抗电路。如果电源和负载都是高阻抗,则可以使用纯电容滤波器,或使用π型滤波器来实现更陡的频率响应。

基美电子(KEMET)具有配置用于衰减正常模式或共模噪声的内联EMI/RFI滤波器或扼流圈,以及在单个器件中结合这两个任务,从而可节省空间和BOM成本的双模式版本。

全球标准机构已制定无源滤波器规范,例如基于IEC 60939的欧洲EN 60939规范,以及适用于美国的UL 1283或MIL-F-15733。基美电子的滤波器符合适用标准,可提供各种配置,包括单相或三相、机壳安装、电路板安装或馈通滤波器,电流额定值从低于1A至2500A。对于必须符合EN 55015发射标准而能在欧盟市场上销售的医疗设备或照明设备等应用,还有一些特殊的滤波器。

衰减高频噪声

北美标准和欧洲标准将频率高于30MHz的干扰信号归类为辐射发射。主要的辐射源包括电缆和设计不良的PCB走线。工程师应始终采用最佳设计实践,包括尽可能缩短这些电缆和走线,并在电路板上将任何传送信号对的走线紧密地布置在一起。但是,这种方法并不总是能够解决EMC挑战,我们需要采取额外措施来衰减高频噪声信号。

从根本上说,处理辐射噪声的策略是,通过施加磁损耗来将高频噪声能量转换为热量。例如,将电缆穿过铁氧体磁芯,可以衰减高频辐射EMI。 由于电缆的自感,导磁铁芯与共模噪声电流产生的磁场相互作用,而在高频下呈现高阻抗。将电缆多次穿过磁芯,可增加任何给定频率的噪声衰减。差模电流和低频信号电流产生的磁通量最小,因此衰减很小。

基美电子拥有大量铁氧体磁芯,采用锰锌(Mn-Zn)和镍锌(Ni-Zn)配方。锰锌铁氧体在低频下具有非常高的磁导率,因而广泛用于衰减10kHz至约50MHz的噪声频率。另一方面,镍锌铁氧体在低频时不产生高阻抗,因此当大多数不期望的噪声高于10-20MHz时最常用。当然,随着SiC和GaN技术的到来,电源开关频率的增加,人们对这个频率范围的兴趣也增加。

柔性屏蔽解决方案

PCB走线等其他高频噪声辐射源,必须以不同的方式——通常采用某种形式的屏蔽——来解决。接地金属屏蔽很有效,但会增加成本和小外壳,而可能无法为屏蔽及其机械固定和接地连接提供足够的空间。如果在项目后期才发现噪声问题,可能没有时间设计这样的元件。

由高磁导率磁性材料制成的柔性屏蔽材料(图1),可提供方便经济的解决方案。这种方法广为认可,实际上,用于测量其电磁特性的方法,已在IEC 62333中进行了标准化。该标准旨在确保板材制造商清楚地展示其产品的性能,而使最终用户可在实践中获得可比较的结果。

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图1:抑制板材的组成结合了能量吸收特性和灵活性。

基美电子的柔性抑制材料(Flex Suppressor)符合IEC 62333标准,可有效衰减1GHz以上的频率。设计人员可以将材料修整到合适的尺寸和形状,来屏蔽特定的电路功能(例如功率开关级),来吸收辐射或防止外部干扰。它可以被固定在外壳内部,靠近有问题的电路,或者固定在其他位置(例如紧密堆叠的电路板之间),从而防止串扰。该材料也可以缠绕在电缆周围,以类似于铁氧体扼流圈的方式工作。

其他成熟应用包括ESD保护、无线充电和RFID范围增强,以及在笔记本电脑和移动设备等多无线电设备中,通过防止反射干扰来抵消接收器灵敏度降低。Flex Suppressor有几种渗透率等级,为设计人员提供了各种噪声频率的有效选择。它们包括相对磁导率为60的标准等级和值为130的超高磁导率材料。还有值为20的超低磁导率版本,可在Wi-Fi频率范围内提供极高的噪声衰减。

总结

高频噪声源和更严格的法规,对设法在其最新设计中使用宽带隙半导体的电源设计人员构成挑战。铁氧体磁芯和高磁导率抑制材料正在不断发展,以期抵抗频率高达1GHz甚至更高的辐射噪声。

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