從促進可再生能源的成本平價化,到使每個人都能擁有一台經濟實惠、始終連線的通訊裝置,再到為物聯網(IoT)進行供電和連接,高效率的電源轉換和普遍存在的無線連接將是深刻影響可持續性和生活標準的兩大趨勢。

另一方面,為了確保裝置滿足電磁相容性(EMC)法規,二者都存在著更嚴峻的挑戰。它們需要在目標環境中正常運作,同時又不會干擾附近的其他裝置。此外,隨著高速開關和高頻RF裝置擠滿電磁環境,全球主要市場的EMC法規開始得越來越嚴格。

展望未來,連網汽車等創新技術可望使競爭進一步加劇,為圍繞日常消費電子裝置的EMC問題增加了攸關安全的問題。

寬能隙效應

在電源轉換領域,碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙半導體技術開始商業化,以提高傳統矽元件的性能:傳導損耗更低、晶片尺寸更小、成本降低、擊穿電壓更高、溫度性能增加,以及更快的開關速度等。

然而,儘管開關頻率增加可實現更大的功率密度和更低的能量損耗,但皮秒(ps)級的開關緣會使諧波深入射頻(RF)領域。新功率元件的轉換率(SR)比傳統矽元件更高得多:例如,與標準MOSFET 0-10V的閘極電壓相比,為確保SiC元件的可靠開關,其閘極電壓必須在+15V和-3V之間轉動。此外,如果使用較高的直流母線電壓來提高效率,電晶體兩端的dV/dt也會很高。對於大約1MHz的開關頻率,相關諧波的振幅即使對於高達幾百MHz的頻率也會很麻煩。為了確保符合EMC標準,這些問題必須得到處理。

與此同時,隨著應用和使用趨勢的不斷發展,越來越多的裝置不可避免地將在鄰近區域內共存。但這些無線裝置越來越多,包括行動裝置、平板電腦和IoT基礎設施,透過蜂巢式技術、WLAN、PAN、LPWAN或sub-GHz RF、GSM / CDMA、2.4GHz或5GHz Wi-Fi或 2.4GHz的Bluetooth 5等各種頻段實現網路連接。

最新的歐盟EMC指令2014/30/EU提供了一個很好的例子。修訂後的技術限制要求降低傳導和輻射發射,提高抗干擾度,以證明合規性。歐盟的新立法架構更加重視市場監督,以便發現和排除不合規產品的銷售。

EMC指令2014/30/EU中引用了各種技術規範,包括鐵路訊號設備採用EN 50121-4、電力設備用50121-5、家用電氣產品和裝置用EN 55014,以及IT設備和多媒體裝置用EN 55022和55032等。為了滿足這些技術規範,必須證明產品的合規性。

在北美,美國聯邦通訊委員會(FCC)已在其第15部份立法中規定了EMC要求。對於輕工業和工業應用,分別使用國際IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC標準。

克服電源雜訊

因此,隨著電源系統設計推動開關頻率升高,而使雜訊進入ISM無線電頻段或附近,EMC合規性變得越來越重要但更難實現。

歷史上,包含傳統矽IGBT或MOSFET開關電源轉換器的典型雜訊頻譜,涵蓋大約10kHz至50MHz的頻率範圍。其中大部份都在CISPR/CENELEC和FCC雜訊標準規定的傳導發射範圍(9kHz至30MHz)內。

傳導雜訊能夠以差模雜訊(也稱為正常模式)或共模雜訊的形式存在,並在電源和電源線或訊號線之間耦合。差模雜訊是因設備預期運行而產生,並跟隨訊號線或電源線流動,而共模雜訊則是在訊號線或電源線和非預期傳導路徑之間耦合。

傳導雜訊通常透過插入包含電容器和/或電感器的電源線或訊號濾波器來處理。通常,電容器針對高阻抗電路——可能是電源或負載——而電感器則用來連接低阻抗電路。如果電源和負載都是高阻抗,則可以使用純電容濾波器,或使用π型濾波器來實現更陡的頻率回應。

基美電子(KEMET)具有配置用於衰減正常模式或共模雜訊的內聯EMI/RFI濾波器或扼流圈,以及在單個元件中結合這兩個任務,從而可節省空間和BOM成本的雙模式版本。

全球標準機構已經制定了被動濾波器規範,例如基於IEC 60939的歐洲EN 60939規範,以及適用於美國的UL 1283或MIL-F-15733。基美電子的濾波器符合適用標準,可提供各種配置,包括單相或三相、機殼安裝、電路板安裝或導通濾波器,電流額定值從低於1A至2500A。對於必須符合EN 55015發射標準而能在歐盟市場上銷售的醫療設備或照明設備等應用,還有一些特殊的濾波器。

衰減高頻雜訊

北美標準和歐洲標準將頻率高於30MHz的干擾訊號歸類為輻射發射。主要的輻射源包括電纜和設計不良的PCB走線。工程師應始終採用最佳設計實踐,包括盡可能縮短這些電纜和走線,並在電路板上將任何傳送訊號對的走線緊密地佈置在一起。但是,這種方法並不是每一次都能解決EMC挑戰,我們需要採取額外措施來衰減高頻雜訊訊號。

從根本上說,處理輻射雜訊的策略是,透過施加磁損耗來將高頻雜訊能量轉換為熱量。例如,將電纜穿過鐵氧體磁芯,可以衰減高頻輻射EMI。由於電纜的自感,導磁鐵芯與共模雜訊電流產生的磁場相互作用,而在高頻下呈現高阻抗。將電纜多次穿過磁芯,可增加任何給定頻率的雜訊衰減。差模電流和低頻訊號電流產生的磁通量最小,因此衰減很小。

基美電子擁有大量鐵氧體磁芯,採用錳鋅(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率,因而廣泛用於衰減10kHz至約50MHz的雜訊頻率。另一方面,鎳鋅鐵氧體在低頻時不產生高阻抗,因此當大多數不期望的雜訊高於10-20MHz時最常用。當然,隨著SiC和GaN技術的到來,電源開關頻率的增加,人們對這個頻率範圍的興趣也增加。

軟性遮罩解決方案

PCB走線等其他高頻雜訊輻射源,必須以不同的方式——通常採用某種形式的遮罩——來解決。接地金屬遮罩很有效,但會增加成本和小外殼,而可能無法為遮罩及其機械固定和接地連接提供足夠的空間。如果在專案後期才發現雜訊問題,可能沒有時間設計這樣的元件。

由高磁導率磁性材料製成的軟性遮罩材料(圖1),可提供方便經濟的解決方案。這種方法廣為認可,實際上,用於測量其電磁特性的方法,已在IEC 62333中進行了標準化。該標準旨在確保板材製造商清楚地展示其產品的性能,而使最終使用者可在實踐中獲得可比較的結果。

KEMET 圖1:抑制板材的組成結合了能量吸收特性和靈活度

例如,基美電子的軟性抑制材料(Flex Suppressor)符合IEC 62333標準,能有效衰減1GHz以上的頻率。設計人員可以將材料修整到合適的尺寸和形狀,來遮罩特定的電路功能(例如功率開關級),以吸收輻射或防止外部干擾。它可以被固定在外殼內部,靠近出現問題的電路,或者固定在其他位置(例如緊密堆疊的電路板之間),從而防止串擾。該材料也可以纏繞在電纜周圍,以類似於鐵氧體扼流圈的方式工作。

其他成熟應用包括ESD保護、無線充電和RFID範圍增強,以及在筆記型電腦和行動裝置等多無線電設備中,透過防止反射干擾方式來抵銷接收器靈敏度的降低。軟性抑制材料分為幾種滲透率等級,為設計人員提供各種雜訊頻率的有效選擇,包括相對磁導率為60的標準等級和130的超高磁導率材料,以及20的超低磁導率版本,可在Wi-Fi頻率範圍內提供極高的雜訊衰減。

總結

高頻雜訊源和更嚴格的法規,對於設法在最新設計中使用寬能隙半導體的電源設計人員帶來了挑戰。鐵氧體磁芯和高磁導率抑制材料正不斷發展中,可望用於抑制頻率高達1GHz甚至更高的輻射雜訊。