了解 GaN 的电磁兼容性

氮化镓 (GaN) 晶体管开关速度快，我检查了LMG5200半桥 GaN 驱动器，并表明它能够实现 600ps 或更短的开关上升时间。在工作台上，我测量了每纳秒 40V 的开关节点 dv/dt！这比我使用的典型 DC/DC 转换器高约 30 倍，虽然这有助于降低开关损耗，但它确实使满足电磁兼容性 (EMC) 的挑战更加困难。为什么？因为电压和电流的变化率会激活寄生电路元件，从而产生辐射和传导噪声的噪声源。

经验丰富的电源设计人员知道，在最大限度地减少开关模式电源 (SMPS) 电磁干扰 (EMI) 时，他们必须仔细考虑组件选择、组件布局和电路板走线布线。随着宽带隙晶体管及其皮秒开关速度的引入，通过对 EMC 的机构要求（例如来自 FCC 和 CISPR 的要求）的挑战变得更加困难——变得更加困难。用较慢的 MOSFET 晶体管表现良好的寄生电路元件和 PCB 天线结构在用 GaN 晶体管代替时，其活性可以提高 10 到 100 倍。

好消息是，在前往 EMC 认证实验室之前，有一些低成本的方法可以帮助在工作台上可视化和隔离问题。最终，这些工具将有助于加速 GaN 设计的 EMC。在这篇文章中，我将研究一些可以用来解决问题的设备；稍后，在后续帖子中，我将对解决方案进行限定。

测量 EMI 所需的第一台设备是频谱分析仪 (SA)。可以在 1,500 美元左右找到可接受的性能。在我的工作台上，我使用的是 MDO4104-6 混合域（时间和频谱域）示波器，SA 输入可以达到 6GHz。我还使用电场和磁场探头来定位板上的问题区域——图 1 显示了 MDO4104-6 和场探头。

选择 H 场和 E 场探头屏蔽时，分辨率和灵敏度很重要。多年前，  Bruce Carsten开发了一种“EMI 嗅探器”探头，能够在 PCB 迹线级定位 EMI 问题——空间分辨率约为 1mm。像我长凳上的那些探头可以以 300 美元左右的价格购买。图 1 还显示了一个横向电磁开路 (TEM) 单元，我使用它来快速确定 SMPS 设计的好坏。TEM 是一种多功能、低成本且（在我看来）用于预合规辐射发射测试的必要设备。有关TEM 如何工作以及如何构建 TEM 的详细信息，请参阅这篇出色的文章。

TEM 是一个双端口条形线设备，其中中心板（称为隔膜）夹在两个接地平面之间（在这种情况下是开放的，因此并不完美）并设计为 50Ω。图 2 显示了被测设备 (DUT) 和 SA 之间的连接。EMI 的机构标准单位为 dBµV（传导发射）和 dBµV/米（辐射发射）。请注意，当使用图 2 所示的设置测量辐射发射时，SA 将以 dBµV 为单位显示发射。将此 dBµV 测量值转换为以 dBµV/米为单位的有效读数的程序和数学是复杂的，即使正确完成（在所有三个排序中），与经过认证的实验室的相关性也只有大约 6dB。出于这个原因，我更喜欢使用 TEM 进行“定性测量”。

例如，给定 TEM 单元的几何形状，如果 SA 显示的杂散大于 40dBµV，则在经过认证的 EMC 室中存在辐射发射失败的可能性。此外，PCB 板谐振峰值可能特别成问题，并且会使原本良好的设计无法发射。

图 1：使用LMG5200在 1MHz 和 24W 下将 24V 转换为 12V 的TEM 单元测量设置

图 2：为发射测试配置 DUT

图 3 显示了 SA 在 500kHz 和 1GHz 之间看到的情况，其中LMG5200 EVM在空载和 24W 下将 24V 转换为 12V。下面的黑色轨迹代表环境噪声。上部黑色迹线是LMG5200开关，但没有负载，棕色迹线带有 24W 直流负载 - 事实上上部黑色迹线和棕色迹线之间的差异相对较小，这表明我预先存在的情况能够使用我的现场探头隔离输入电容。250MHz 谐振的峰值超过 62dBµV - 大约是我去合规实验室之前通常接受的值的 100 倍。

图 3：LMG5200以 1MHz 运行 - 棕色 24W 负载，上黑色空载，下黑色迹线环境噪声

出于比较目的，图 4 显示了一个 EMC 优化的 DC/DC 转换器，它以两倍的频率 (2MHz) 工作，在 2A 时将 15V 转换为 7.5V。开关节点的上升时间约为 10ns 或比LMG5200慢约 10 倍。峰值为 42dBµV，发射比上述情况少 100 倍。

图 4：针对工作频率为 2MHz 的 EMI 优化的 15V 至 7.5V（15W，50% 占空比）DC/DC 转换器。 与600ps相比，开关节点的上升时间仅为10ns。

由于宽带隙半导体具有更快的开关边沿，寄生阻抗、PCB 和元件阻抗将变得越来越成问题。为了理解和量化这种影响，RF 测试设备和技术知识将是必要的。像 TEM 单元和场探头这样的工具对于使用该技术的任何人来说都是有效且必不可少的，因为您可以使用它们来凭经验隔离 EMI，以进行预合规性辐射发射测试。在我的下一篇文章中，我将介绍一些可用于虚拟分析 PCB 和组件电磁场行为并从源头解决它们的软件工具。