你的位置:首頁(yè) > EMC安規(guī) > 正文

如何管理GHz及更高頻率下的EMI和EMC?

發(fā)布時(shí)間:2018-08-14 來(lái)源:Ono Hiroshi 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】新的功率半導(dǎo)體技術(shù)(如SiC和GaN)可實(shí)現(xiàn)更高的效率和開(kāi)關(guān)頻率,從而實(shí)現(xiàn)更小的元器件尺寸。但這些改進(jìn)是以更大的輻射電磁發(fā)射為代價(jià)的,而與此同時(shí),EMC法規(guī)正變得越來(lái)越嚴(yán)格。工程師如何才能有效地降低輻射EMI?
 
從提高可再生能源的成本平價(jià),到使我們每個(gè)人都能擁有一臺(tái)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、始終在線的通信設(shè)備,再到為物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行供電和連接,高效率的電源轉(zhuǎn)換和普遍存在的無(wú)線連接將是深刻影響可持續(xù)性和生活標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)趨勢(shì)。
 
另一方面,為確保設(shè)備滿(mǎn)足電磁兼容性(EMC)法規(guī),兩者都存在更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。它們需要在目標(biāo)環(huán)境中正常運(yùn)行,同時(shí)又不會(huì)干擾附近的其他設(shè)備。此外,隨著高速開(kāi)關(guān)和高頻RF設(shè)備擠占電磁環(huán)境,全球主要市場(chǎng)的EMC法規(guī)正變得越來(lái)越嚴(yán)格。
 
展望未來(lái),網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)等創(chuàng)新技術(shù)有望使競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇,為圍繞日常消費(fèi)級(jí)電氣設(shè)備的EMC問(wèn)題增加一個(gè)安全關(guān)鍵性方面。
 
寬帶隙效應(yīng)
 
在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)正在進(jìn)行商業(yè)化,以提高傳統(tǒng)硅器件的性能:傳導(dǎo)損耗更低,芯片尺寸可以降低,進(jìn)而成本可以降低,擊穿電壓更高,溫度性能增加,更快的開(kāi)關(guān)速度可使用更小的平滑和去耦元件。
 
然而,盡管開(kāi)關(guān)頻率增加可實(shí)現(xiàn)更大的功率密度和更低的能量損耗,但皮秒級(jí)的開(kāi)關(guān)沿會(huì)使諧波深入到射頻領(lǐng)域。新功率器件的壓擺率會(huì)比傳統(tǒng)硅器件高得多:例如,與標(biāo)準(zhǔn)MOSFET 0-10V的柵極電壓相比,為確保SiC器件的可靠開(kāi)關(guān),其柵極電壓必須在+15V和-3V之間擺動(dòng),此外,如果使用較高的直流母線電壓來(lái)提高效率,晶體管兩端的dV/dt也會(huì)很高。對(duì)于大約1MHz的開(kāi)關(guān)頻率,相關(guān)諧波的幅度即使對(duì)于高達(dá)幾百M(fèi)Hz的頻率也會(huì)很麻煩。為確保符合EMC標(biāo)準(zhǔn),這些問(wèn)題必須得到處理。
 
與此同時(shí),隨著應(yīng)用和使用趨勢(shì)的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的設(shè)備不可避免地在鄰近區(qū)域內(nèi)共存,EMC法規(guī)正變得越來(lái)越嚴(yán)格。這些無(wú)線設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多,包括移動(dòng)設(shè)備、平板電腦和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施,它們通過(guò)蜂窩、WLAN、PAN、LPWAN或sub-GHz RF、GSM / CDMA、2.4GHz或5GHz Wi-Fi或 2.4GHz的Bluetooth® 5等其他各種頻段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。
 
最新的歐盟EMC指令2014/30/EU提供了一個(gè)很好的例子。修訂后的技術(shù)限制要求降低傳導(dǎo)和輻射發(fā)射,提高抗擾度,以證明合規(guī)性。歐盟的新立法框架更加重視市場(chǎng)監(jiān)督,以便發(fā)現(xiàn)和排除不合規(guī)產(chǎn)品的銷(xiāo)售。
 
EMC指令2014/30/EU中引用了各種技術(shù)規(guī)范,包括鐵路信號(hào)設(shè)備用EN 50121-4、電力設(shè)備用50121-5、家用電氣產(chǎn)品和設(shè)備用EN 55014,以及IT設(shè)備和多媒體設(shè)備用EN 55022和55032等新文件。滿(mǎn)足這些技術(shù)規(guī)范是證明合規(guī)性的一個(gè)方面,另一個(gè)方面則是保持令人滿(mǎn)意的文件。
 
在北美,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)已在其第15部分立法中規(guī)定了EMC要求。對(duì)于輕工業(yè)和工業(yè)應(yīng)用,分別使用國(guó)際IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC標(biāo)準(zhǔn)。
 
應(yīng)對(duì)電源噪聲
 
因此,隨著電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)推動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率升高,而使噪聲信號(hào)進(jìn)入ISM無(wú)線電頻段或者附近,EMC合規(guī)性變得越來(lái)越重要但更難實(shí)現(xiàn)。
 
歷史上,包含傳統(tǒng)硅IGBT或MOSFET的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的典型噪聲頻譜,涵蓋大約10kHz至50MHz的頻率范圍。其中大部分都在CISPR/CENELEC和FCC噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)發(fā)射范圍(9kHz至30MHz)內(nèi)。
 
傳導(dǎo)噪聲可以以差模噪聲(也稱(chēng)為正常模式)或共模噪聲的形式存在,并在電源和電源線或信號(hào)線之間耦合。差模噪聲是因設(shè)備預(yù)期運(yùn)行而產(chǎn)生,并跟隨信號(hào)線或電源線流動(dòng),而共模噪聲是在信號(hào)線或電源線和非預(yù)期傳導(dǎo)路徑(例如機(jī)殼部件或大地)之間耦合。
 
傳導(dǎo)噪聲通常通過(guò)插入包含電容器和/或電感器的電源線或信號(hào)濾波器來(lái)處理。通常,電容器面向高阻抗電路——可能是電源或負(fù)載——而電感器則用來(lái)連接低阻抗電路。如果電源和負(fù)載都是高阻抗,則可以使用純電容濾波器,或使用π型濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)更陡的頻率響應(yīng)。
 
基美電子(KEMET)具有配置用于衰減正常模式或共模噪聲的內(nèi)聯(lián)EMI/RFI濾波器或扼流圈,以及在單個(gè)器件中結(jié)合這兩個(gè)任務(wù),從而可節(jié)省空間和BOM成本的雙模式版本。
 
全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已制定無(wú)源濾波器規(guī)范,例如基于IEC 60939的歐洲EN 60939規(guī)范,以及適用于美國(guó)的UL 1283或MIL-F-15733?;离娮拥臑V波器符合適用標(biāo)準(zhǔn),可提供各種配置,包括單相或三相、機(jī)殼安裝、電路板安裝或饋通濾波器,電流額定值從低于1A至2500A。對(duì)于必須符合EN 55015發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)而能在歐盟市場(chǎng)上銷(xiāo)售的醫(yī)療設(shè)備或照明設(shè)備等應(yīng)用,還有一些特殊的濾波器。
 
衰減高頻噪聲
 
北美標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)將頻率高于30MHz的干擾信號(hào)歸類(lèi)為輻射發(fā)射。主要的輻射源包括電纜和設(shè)計(jì)不良的PCB走線。工程師應(yīng)始終采用最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐,包括盡可能縮短這些電纜和走線,并在電路板上將任何傳送信號(hào)對(duì)的走線緊密地布置在一起。但是,這種方法并不總是能夠解決EMC挑戰(zhàn),我們需要采取額外措施來(lái)衰減高頻噪聲信號(hào)。
 
從根本上說(shuō),處理輻射噪聲的策略是,通過(guò)施加磁損耗來(lái)將高頻噪聲能量轉(zhuǎn)換為熱量。例如,將電纜穿過(guò)鐵氧體磁芯,可以衰減高頻輻射EMI。 由于電纜的自感,導(dǎo)磁鐵芯與共模噪聲電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用,而在高頻下呈現(xiàn)高阻抗。將電纜多次穿過(guò)磁芯,可增加任何給定頻率的噪聲衰減。差模電流和低頻信號(hào)電流產(chǎn)生的磁通量最小,因此衰減很小。
 
基美電子擁有大量鐵氧體磁芯,采用錳鋅(Mn-Zn)和鎳鋅(Ni-Zn)配方。錳鋅鐵氧體在低頻下具有非常高的磁導(dǎo)率,因而廣泛用于衰減10kHz至約50MHz的噪聲頻率。另一方面,鎳鋅鐵氧體在低頻時(shí)不產(chǎn)生高阻抗,因此當(dāng)大多數(shù)不期望的噪聲高于10-20MHz時(shí)最常用。當(dāng)然,隨著SiC和GaN技術(shù)的到來(lái),電源開(kāi)關(guān)頻率的增加,人們對(duì)這個(gè)頻率范圍的興趣也增加。
 
柔性屏蔽解決方案
 
PCB走線等其他高頻噪聲輻射源,必須以不同的方式——通常采用某種形式的屏蔽——來(lái)解決。接地金屬屏蔽很有效,但會(huì)增加成本和小外殼,而可能無(wú)法為屏蔽及其機(jī)械固定和接地連接提供足夠的空間。如果在項(xiàng)目后期才發(fā)現(xiàn)噪聲問(wèn)題,可能沒(méi)有時(shí)間設(shè)計(jì)這樣的元件。
 
由高磁導(dǎo)率磁性材料制成的柔性屏蔽材料(圖1),可提供方便經(jīng)濟(jì)的解決方案。這種方法廣為認(rèn)可,實(shí)際上,用于測(cè)量其電磁特性的方法,已在IEC 62333中進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。該標(biāo)準(zhǔn)旨在確保板材制造商清楚地展示其產(chǎn)品的性能,而使最終用戶(hù)可在實(shí)踐中獲得可比較的結(jié)果。
 
如何管理GHz及更高頻率下的EMI和EMC?
圖1:抑制板材的組成結(jié)合了能量吸收特性和靈活性。
 
基美電子的柔性抑制材料(Flex Suppressor)符合IEC 62333標(biāo)準(zhǔn),可有效衰減1GHz以上的頻率。設(shè)計(jì)人員可以將材料修整到合適的尺寸和形狀,來(lái)屏蔽特定的電路功能(例如功率開(kāi)關(guān)級(jí)),來(lái)吸收輻射或防止外部干擾。它可以被固定在外殼內(nèi)部,靠近有問(wèn)題的電路,或者固定在其他位置(例如緊密堆疊的電路板之間),從而防止串?dāng)_。該材料也可以纏繞在電纜周?chē)?,以?lèi)似于鐵氧體扼流圈的方式工作。
 
其他成熟應(yīng)用包括ESD保護(hù)、無(wú)線充電和RFID范圍增強(qiáng),以及在筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備等多無(wú)線電設(shè)備中,通過(guò)防止反射干擾來(lái)抵消接收器靈敏度降低。Flex Suppressor有幾種滲透率等級(jí),為設(shè)計(jì)人員提供了各種噪聲頻率的有效選擇。它們包括相對(duì)磁導(dǎo)率為60的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)和值為130的超高磁導(dǎo)率材料。還有值為20的超低磁導(dǎo)率版本,可在Wi-Fi頻率范圍內(nèi)提供極高的噪聲衰減。
 
總結(jié)
 
高頻噪聲源和更嚴(yán)格的法規(guī),對(duì)設(shè)法在其最新設(shè)計(jì)中使用寬帶隙半導(dǎo)體的電源設(shè)計(jì)人員構(gòu)成挑戰(zhàn)。鐵氧體磁芯和高磁導(dǎo)率抑制材料正在不斷發(fā)展,以期抵抗頻率高達(dá)1GHz甚至更高的輻射噪聲。
 
 
推薦閱讀:
 
近十年超級(jí)電容器領(lǐng)域的重大突破
Digi-Key 通過(guò)與知名供應(yīng)商合作,拓展工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品組合;支持移動(dòng)設(shè)備的新登陸頁(yè)面
拿什么拯救你 中國(guó)汽車(chē)傳感器產(chǎn)業(yè)?
汽車(chē)上這些傳感器,你真的了解嗎?
DFRobot 與 Digi-Key 合作推出夏季視頻系列與獎(jiǎng)品饋贈(zèng)活動(dòng)
要采購(gòu)開(kāi)關(guān)么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門(mén)搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉