管理GHz及以上频率的EMI和EMC

新的功率半导体技术，如SiC和GaN，可以提高效率和更高的开关频率，从而允许更小的组件尺寸。但这些收获是以更大的电磁辐射为代价的，就像EMC法规越来越严格一样。工程师如何有效地减少辐射EMI?

高效率的电力转换和无处不在的无线连接是可以深刻影响可持续性和生活水平的两大趋势，从提高可再生能源的成本平价，到让每个人的口袋里都有一个负担得起的永远在线的通信设备，再到为物联网供电和连接。

另一方面，两者都提出了更严峻的挑战，以确保设备满足电磁兼容性(EMC)法规。它们应该在目标环境中正常工作，同时也不会干扰附近的其他设备。此外，随着高速开关和高频射频设备拥挤的电磁环境，全球主要市场的EMC法规变得越来越严格。

展望未来，像联网汽车这样的创新预计将进一步提高赌注，为日常消费级电气设备的EMC问题增加一个安全关键维度。

宽带隙效应

在功率转换领域，宽带隙半导体技术，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)现在正在商业化，以改善传统硅部件的性能:传导损耗更低，芯片尺寸更小，因此可以降低成本，击穿电压更高，温度能力增加，更快的开关允许更小的平滑和去耦组件。

然而，尽管增加的开关频率允许更大的功率密度和更低的能量损失，皮秒开关边缘导致谐波深入射频领域。转换速率可以比传统的硅器件高得多:例如，与标准MOSFET的0-10V相比，栅极电压必须在典型的+15V和-3V之间摆动，以确保SiC器件的可靠开关，并且如果使用更高的直流链路电压以提高效率，则晶体管的dV/dt也可能很高。对于大约1MHz的开关频率，即使高达几百MHz，相关谐波的幅度也会很麻烦。必须处理这些问题以确保EMC合规性。

与此同时，随着不断发展的应用和使用趋势意味着越来越多的设备必须在近距离内共存，EMC法规也变得越来越严格。越来越多的无线设备，如移动设备、平板电脑和物联网基础设施，通过蜂窝、WLAN、PAN、LPWAN或各种频段的其他网络连接:sub-GHz RF、GSM/CDMA、2.4GHz或5GHz Wi-Fi或2.4GHz的蓝牙®5。

最新的欧盟EMC指令，欧盟2014/30 /，就是一个很好的例子。修订后的技术限制要求更低的传导和辐射排放，以及更大的豁免，以证明合规性，欧盟的新立法框架更加强调市场监督，以识别和从销售中移除不合规的产品。

EMC指令2014/30/EU引用了各种技术规范，包括新文件，如铁路信号设备的EN 50121-4和电力设备的50121-5，家用电器产品和电器的EN 55014，以及IT设备和多媒体设备的EN 55022和55032。满足这些技术规范是证明遵从性的一个方面;另一个是保持令人满意的文件。

在北美，美国联邦通信委员会(FCC)在其Part 15立法中规定了EMC要求。对于轻工业和工业应用，分别使用国际IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC标准。

电源噪声处理

因此，EMC合规性变得越来越重要，但很难实现，同时电力系统的设计正在推动更高的开关频率，导致ISM射频频段内或附近的噪声信号。

从历史上看，包含传统硅igbt或mosfet的开关功率转换器的典型噪声频谱已经跨越了大约10kHz到50MHz的频率范围。其中大部分都在CISPR/CENELEC和FCC噪声标准定义的传导发射(9kHz至30MHz)范围内。

传导噪声可以作为差模噪声存在，也称为正模噪声或共模噪声，并且在源和电源线或信号线之间耦合。差分噪声是设备预期运行的结果，并跟随信号线或电源线，而共模噪声是在信号线或电源线和非预期传导路径(如机箱部件或接地)之间耦合的。

传导噪声通常通过插入包含电容器和/或电感的电力线或信号滤波器来处理。通常，电容器面对高阻抗电路-可能是源或负载-而电感需要连接到低阻抗电路。如果源和负载都是高阻抗，则可以使用纯电容滤波器，或者使用频率响应更陡的pi滤波器。

全球标准机构已经建立了无源滤波器的规范，例如基于IEC 60939的欧洲EN 60939规范，以及适用于美国的UL 1283或MIL-F-15733。KEMET的滤波器符合适用标准，可用于各种配置，包括单或三相，机箱安装，板安装或馈通滤波器，额定电流从低于1安培到2500A。在欧盟上市的医疗设备或照明设备也有特殊的过滤器，必须符合EN 55015排放标准。

衰减高频噪声

根据北美和欧洲标准，频率在30MHz以上的干扰信号被归类为辐射发射。主要的辐射源包括电缆和设计不良的PCB线路。始终建议采用最佳设计实践，包括保持这些电缆和轨道尽可能短，并将携带信号对的任何轨道紧密地放在电路板上。然而，并不总是能够以这种方式设计出EMC挑战，并且需要额外的措施来衰减高频噪声信号。

从根本上说，处理辐射噪声的策略是通过施加磁损耗将高频噪声能量转化为热量。例如，电缆通过铁氧体铁芯来衰减高频辐射的电磁干扰。由于电缆的自感，磁导芯与共模噪声电流产生的磁场相互作用，在高频处呈现高阻抗。在任何给定频率下，将电缆多次穿过芯线都会增加噪声衰减。差动电流和低频信号电流产生的磁通量最小，因此衰减很小。

柔性屏蔽解决方案

其他高频噪声辐射体，如PCB轨道，必须以不同的方式处理，通常采用某种形式的屏蔽。一个接地的金属屏蔽是有效的，但增加了成本，一个小的外壳可能无法为屏蔽及其机械固定和接地连接提供足够的空间。如果在项目后期发现噪声问题，则可能没有时间设计这样的组件。

由高磁导率磁性材料(图1)制成的柔性屏蔽材料可以提供一种方便且具有成本效益的解决方案。这是一种被广泛认可的方法，实际上，测量其电磁特性的方法是根据IEC 62333进行标准化的。本标准旨在确保板材制造商清楚地展示其产品的性能，最终用户在实践中可以获得可比的结果。

图1所示。压制片材的组成结合了吸能性能和柔韧性。

KEMET的Flex Suppressor符合IEC 62333标准，可有效衰减超过1GHz的频率。这种材料可以修剪成合适的尺寸和形状，以屏蔽特定的电路特征，例如功率开关级，以吸收辐射或防止外部干扰。它可以固定在外壳的内部，靠近所讨论的电路，或者在其他位置，例如在紧密堆叠的电路板之间，以防止串扰。这种材料也可以缠绕在电缆上，以类似于铁氧体扼流圈的方式发挥作用。

其他经过验证的应用包括ESD保护、无线充电和rfid范围增强，以及通过防止反射干扰来对抗笔记本电脑和手机等多无线电设备中的接收器失感。Flex抑制器有多种渗透率等级，为设计人员提供了广泛的噪声频率范围的有效选择。其中包括相对渗透率为60的标准级和相对渗透率为130的超高级材料。还有一种超低磁导率为20的变体，在Wi-Fi频率范围及更高频率范围内提供极高的噪声衰减。

结论

高频噪声源和更严格的法规对寻求在最新设计中使用宽带隙半导体的电源设计人员构成了挑战。铁氧体铁芯和高磁导率抑制材料正在不断发展，以对抗频率高达1GHz及以上的辐射噪声。