氮化鎵 (GaN) 晶體管開關速度快，我檢查了LMG5200半橋 GaN 驅(qū)動器，并表明它能夠?qū)崿F(xiàn) 600ps 或更短的開關上升時間。在工作臺上，我測量了每納秒 40V 的開關節(jié)點 dv/dt！這比我使用的典型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器高約 30 倍，雖然這有助于降低開關損耗，但它確實使?jié)M足電磁兼容性 (EMC) 的挑戰(zhàn)更加困難。為什么？因為電壓和電流的變化率會激活寄生電路元件，從而產(chǎn)生輻射和傳導噪聲的噪聲源。

經(jīng)驗豐富的電源設計人員知道，在最大限度地減少開關模式電源 (SMPS) 電磁干擾 (EMI) 時，他們必須仔細考慮組件選擇、組件布局和電路板走線布線。隨著寬帶隙晶體管及其皮秒開關速度的引入，通過對 EMC 的機構要求（例如來自 FCC 和 CISPR 的要求）的挑戰(zhàn)變得更加困難——變得更加困難。用較慢的 MOSFET 晶體管表現(xiàn)良好的寄生電路元件和 PCB 天線結構在用 GaN 晶體管代替時，其活性可以提高 10 到 100 倍。

好消息是，在前往 EMC 認證實驗室之前，有一些低成本的方法可以幫助在工作臺上可視化和隔離問題。最終，這些工具將有助于加速 GaN 設計的 EMC。在這篇文章中，我將研究一些可以用來解決問題的設備；稍后，在后續(xù)帖子中，我將對解決方案進行限定。

測量 EMI 所需的第一臺設備是頻譜分析儀 (SA)?？梢栽?1,500 美元左右找到可接受的性能。在我的工作臺上，我使用的是 MDO4104-6 混合域（時間和頻譜域）示波器，SA 輸入可以達到 6GHz。我還使用電場和磁場探頭來定位板上的問題區(qū)域——圖 1 顯示了 MDO4104-6 和場探頭。

選擇 H 場和 E 場探頭屏蔽時，分辨率和靈敏度很重要。多年前，  Bruce Carsten開發(fā)了一種“EMI 嗅探器”探頭，能夠在 PCB 跡線級定位 EMI 問題——空間分辨率約為 1mm。像我長凳上的那些探頭可以以 300 美元左右的價格購買。圖 1 還顯示了一個橫向電磁開路 (TEM) 單元，我使用它來快速確定 SMPS 設計的好壞。TEM 是一種多功能、低成本且（在我看來）用于預合規(guī)輻射發(fā)射測試的必要設備。有關TEM 如何工作以及如何構建 TEM 的詳細信息，請參閱這篇出色的文章。

TEM 是一個雙端口條形線設備，其中中心板（稱為隔膜）夾在兩個接地平面之間（在這種情況下是開放的，因此并不完美）并設計為 50Ω。圖 2 顯示了被測設備 (DUT) 和 SA 之間的連接。EMI 的機構標準單位為 dBμV（傳導發(fā)射）和 dBμV/米（輻射發(fā)射）。請注意，當使用圖 2 所示的設置測量輻射發(fā)射時，SA 將以 dBμV 為單位顯示發(fā)射。將此 dBμV 測量值轉(zhuǎn)換為以 dBμV/米為單位的有效讀數(shù)的程序和數(shù)學是復雜的，即使正確完成（在所有三個排序中），與經(jīng)過認證的實驗室的相關性也只有大約 6dB。出于這個原因，我更喜歡使用 TEM 進行“定性測量”。

例如，給定 TEM 單元的幾何形狀，如果 SA 顯示的雜散大于 40dBμV，則在經(jīng)過認證的 EMC 室中存在輻射發(fā)射失敗的可能性。此外，PCB 板諧振峰值可能特別成問題，并且會使原本良好的設計無法發(fā)射。

圖 1：使用LMG5200在 1MHz 和 24W 下將 24V 轉(zhuǎn)換為 12V 的TEM 單元測量設置

圖 2：為發(fā)射測試配置 DUT

圖 3 顯示了 SA 在 500kHz 和 1GHz 之間看到的情況，其中LMG5200 EVM在空載和 24W 下將 24V 轉(zhuǎn)換為 12V。下面的黑色軌跡代表環(huán)境噪聲。上部黑色跡線是LMG5200開關，但沒有負載，棕色跡線帶有 24W 直流負載 - 事實上上部黑色跡線和棕色跡線之間的差異相對較小，這表明我預先存在的情況能夠使用我的現(xiàn)場探頭隔離輸入電容。250MHz 諧振的峰值超過 62dBμV - 大約是我去合規(guī)實驗室之前通常接受的值的 100 倍。

圖 3：LMG5200以 1MHz 運行 - 棕色 24W 負載，上黑色空載，下黑色跡線環(huán)境噪聲

出于比較目的，圖 4 顯示了一個 EMC 優(yōu)化的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它以兩倍的頻率 (2MHz) 工作，在 2A 時將 15V 轉(zhuǎn)換為 7.5V。開關節(jié)點的上升時間約為 10ns 或比LMG5200慢約 10 倍。峰值為 42dBμV，發(fā)射比上述情況少 100 倍。

圖 4：針對工作頻率為 2MHz 的 EMI 優(yōu)化的 15V 至 7.5V（15W，50% 占空比）DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 與600ps相比，開關節(jié)點的上升時間僅為10ns。

由于寬帶隙半導體具有更快的開關邊沿，寄生阻抗、PCB 和元件阻抗將變得越來越成問題。為了理解和量化這種影響，RF 測試設備和技術知識將是必要的。像 TEM 單元和場探頭這樣的工具對于使用該技術的任何人來說都是有效且必不可少的，因為您可以使用它們來憑經(jīng)驗隔離 EMI，以進行預合規(guī)性輻射發(fā)射測試。在我的下一篇文章中，我將介紹一些可用于虛擬分析 PCB 和組件電磁場行為并從源頭解決它們的軟件工具。