1月出席DesignCon 2015時，我有機會聽到一個由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex  Lidow主講的有趣專題演講，談到以氮化鎵（GaN）技術(shù)進行高功率開關(guān)組件（Switching Device）的研發(fā)。我也有幸遇到“電源完整性  --在電子系統(tǒng)測量、優(yōu)化和故障排除電源相關(guān)參數(shù)（Power Integrity - Measuring， Optimizing， and  Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems）”一書的作者Steve  Sandler，他提出與測量這些設(shè)備的皮秒邊沿（Picosecond Edge）速度相關(guān)聯(lián)（可參看他文章索引的部分）。

　　由于這些新電源開關(guān)的快速開關(guān)速度與相關(guān)更高效率，因此我們希望看到他們能適用于開關(guān)模式電源和射頻（RF）功率放大器。他們可廣泛取代現(xiàn)有的金屬氧化物半導體場效晶體管（MOSFET），且具有較低的“On”電阻、更小的寄生電容、更小的尺寸與更快的速度。我已注意到采用這些裝置的新產(chǎn)品，其他應用包括電信直流對直流（DC-DC）、無線電源（Wireless  Power）、激光雷達（LiDAR）和D型音頻（Class D  Audio）。很顯然，任何半導體組件在幾皮秒內(nèi)切換，很可能會產(chǎn)生大量的電磁干擾（EMI）。

　　為了評估這些GaN組件，Sandler安排我來測試一些評估板。一塊我選擇測試的是Efficient  Power Conversion的半橋（Half-bridge ）1MHz  DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器EPC9101（圖1），請參考這塊測試板上的其他信息，以及一些其他的參考部分。

　　圖1 該演示板用于顯示GaN的EMI。該GaN組件被圈定，我會在L1左側(cè)測量切換的波形。

　　該演示板利用8至19伏特（V）電流，并將其轉(zhuǎn)換為1.2伏20安培（A）（圖2），我讓它運行在與10奧姆、2瓦（W）負載、10伏特電壓狀態(tài)。

　　圖2 半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖，波形在L1的左端返回處被測試

　　我試圖用一個羅德史瓦茲（R&S）RT-ZS20 1.5  GHz的單端探頭捕獲邊緣速率（圖3），并探測L1的切換結(jié)束，不過現(xiàn)有測試設(shè)備的帶寬限制，以至于無法忠實捕捉。我能擷取到最好的（圖4）是一個1.5納秒上升時間（其中，以EMI的角度來看，是相當快的開始?。? 為準確地記錄典型的300~500皮秒邊緣速度將需要30 GHz帶寬，或更高的示波器。

　　圖3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭測量前緣

　　圖4 捕獲的上升時間顯示為217MHz，其顯示最快邊緣速度為1.5納秒

但事實上，是在帶寬限制下測量

　　EMI的發(fā)生

　　雖然沒能捕捉到實際的上升時間，我在217MHz頻率做了評估提醒鈴聲。正如你稍后將看到的，當我們開始在頻域?qū)ふ視r，該諧振在帶寬中產(chǎn)生EMI，并導致一個峰值。無論是信號接腳和接地回路連接到R＆S  RT-ZS20探頭，路徑都非常短，所以提醒鈴聲并不是由探針造成，而是電路的寄生共振。

　　接下來，我量測在電源輸入電纜傳導的EMI，且透過負載電阻顯示EMI傳導特征（圖5）。

　　圖5 用Fischer F-33-1電流探頭進行高頻電流的測試

　　圖6顯示，整個9k~30MHz的傳導發(fā)射頻段有非常高的1MHz諧波，且都發(fā)生在大約9MHz的間隔諧波上，且有些我還不確定其原生處。這些諧波在負載電阻電路上特別高，我懷疑若沒有良好質(zhì)量的線性濾波器，這EMI的數(shù)值可能會使傳導輻射符合性的測試失敗。

　　圖6

　　用Fischer F-33-1電流探頭測量的電源輸入纜線中的高頻電流（紫線），以及10奧姆負載電阻（藍線）。黃線是環(huán)境噪聲位準，在約9  MHz的諧波頂部發(fā)生1 MHz的開關(guān)尖峰突出。從我的經(jīng)驗來看，藍色線的位準令人擔憂，且可能造成傳導輻射測試的失敗。

　　然后將帶寬從9KHz拓展到1GHz以便觀察諧波可以到多遠，然而才約600兆赫就開始漸行漸遠。請參看圖7。

　　圖7

　　用Fischer  F-33-1電流探頭測量的電源輸入纜線中的傳導輻射（紫線），以及10奧姆負載電阻（藍線），黃線是環(huán)境噪聲測量。輻射所有的出現(xiàn)都在600MHz，須注意共鳴約在220MHz。

　　最后，我用R&S RS H 400-1  H場（H-field）探針（圖8）來量測GaN組件附近的近場和通過負載電阻器的高頻電流（圖9）。

　　圖8

使用R＆S RS h400-1 H場探針測量接近GaN開關(guān)裝置近場輻射

　　圖9

　　H場探針測試結(jié)果。黃線是環(huán)境噪聲位準，紫線是GaN組件附近的測量，藍線則是在10奧姆的負載電阻，輻射終于在約800MHz處逐漸減少。

　　注意（除了所有寬帶噪聲位準，峰值出現(xiàn)在約220  MHz）振鈴頻率（標示1），以及在460MHz（標示2）的諧振。從過往的經(jīng)驗，我喜歡把諧波位準降到40dBuV顯示行（Display  Line），也就是上面幾張屏幕截圖中的綠線。兩個共振都相當接近，并因而導致“紅旗”。

　　GaN組件價值顯著

　　GaN功率開關(guān)的價值很明顯，效率也比MOSFET來得好。雖然GaN技術(shù)已問世，但我只看到少部分數(shù)據(jù)談論這些皮秒開關(guān)裝置如何影響產(chǎn)品EMI的發(fā)生。底下我列出了一些參考，以及在使用GaN組件時，會“掃大家興”的部分，但我相信有更多研究需要去完成EMI會發(fā)生的后果，至于EMI工程師與顧問在未來幾年也將可望采用GaN組件。

　　Efficient Power Conversion， Inc. （web site， GaN parts， and demo boards）

　　Carlson and Hokenson， GaN Gives Power and Flexibility to L-Band Radar.

　　EE Times， The 13-Step EMI Mitigation Program for Switching Power Supplies，  12/2013.

　　McDonough， et al.， Reduction of EMI Effects in Motor Drives and Complex  Power Electronic Systems， University of Texas.

　　Mende and Stauffer， Take on GaN measurement challenges， EDN， 12/2012.

　　Muttaqi and Haque， Electromagnetic Interference Generated from Fast  Switching Power Electronic Devices， University of Wollongong.

　　Sandler， How to measure the world’s fastest power switch，  EDN.如何測量全球最快的功率開關(guān)

　　Sandler， Power Integrity - Measuring， Optimizing， and Troubleshooting Power  Related Parameters in Electronic Systems， McGraw-Hill， 2014.

　　TI， Layout Considerations for LMG5200 GaN Power Stage， 3/2015.