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高頻中的EMI和EMC如何管理？
日期：2024-10-19 08:28
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摘要： 從提高可再生能源的成本平價，到使我們每個人都能擁有一臺經(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)換和普遍存在的無線連接將是深刻影響可持續(xù)性和生活標(biāo)準(zhǔn)的兩個趨勢。
另一方面，為確保設(shè)備滿足電磁兼容性（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，同時又不會干擾附近的其他設(shè)備。此外，隨著高速開關(guān)和高頻RF設(shè)備擠占電磁環(huán)境，全球主要市場的EMC法規(guī)正變得越來越嚴(yán)格。
展望未來，網(wǎng)聯(lián)汽車等**技術(shù)有望使競爭進(jìn)一步加劇，為...
從提高可再生能源的成本平價，到使我們每個人都能擁有一臺經(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)換和普遍存在的無線連接將是深刻影響可持續(xù)性和生活標(biāo)準(zhǔn)的兩個趨勢。
另一方面，為確保設(shè)備滿足電磁兼容性（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，同時又不會干擾附近的其他設(shè)備。此外，隨著高速開關(guān)和高頻RF設(shè)備擠占電磁環(huán)境，全球主要市場的EMC法規(guī)正變得越來越嚴(yán)格。
展望未來，網(wǎng)聯(lián)汽車等**技術(shù)有望使競爭進(jìn)一步加劇，為圍繞日常消費(fèi)級電氣設(shè)備的EMC問題增加一個**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，更快的開關(guān)速度可使用更小的平滑和去耦元件。
然而，盡管開關(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，但皮秒級的開關(guān)沿會使諧波深入到射頻領(lǐng)域。新功率器件的壓擺率會比傳統(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器件的可靠開關(guān)，其柵極電壓必須在+15V和-3V之間擺動，此外，如果使用較高的直流母線電壓來提高效率，晶體管兩端的dV/dt也會很高。對于大約1MHz的開關(guān)頻率，相關(guān)諧波的幅度即使對于高達(dá)幾百M(fèi)Hz的頻率也會很麻煩。為確保符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，這些問題必須得到處理。
與此同時，隨著應(yīng)用和使用趨勢的不斷發(fā)展，越來越多的設(shè)備不可避免地在鄰近區(qū)域內(nèi)共存，EMC法規(guī)正變得越來越嚴(yán)格。這些無線設(shè)備將會越來越多，包括移動設(shè)備、平板電腦和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，它們通過蜂窩、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。
*新的歐盟EMC指令2014/30/EU提供了一個很好的例子。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監(jiān)督，以便發(fā)現(xiàn)和排除不合規(guī)產(chǎn)品的銷售。
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。滿足這些技術(shù)規(guī)范是證明合規(guī)性的一個方面，另一個方面則是保持令人滿意的文件。
在北美，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）已在其第15部分立法中規(guī)定了EMC要求。對于輕工業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，分別使用國際IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)對電源噪聲
因此，隨著電源系統(tǒng)設(shè)計推動開關(guān)頻率升高，而使噪聲信號進(jìn)入ISM無線電頻段或者附近，EMC合規(guī)性變得越來越重要但更難實(shí)現(xiàn)。
歷史上，包含傳統(tǒng)硅IGBT或MOSFET的開關(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，并跟隨信號線或電源線流動，而共模噪聲是在信號線或電源線和非預(yù)期傳導(dǎo)路徑（例如機(jī)殼部件或大地）之間耦合。
傳導(dǎo)噪聲通常通過插入包含電容器和/或電感器的電源線或信號濾波器來處理。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型濾波器來實(shí)現(xiàn)更陡的頻率響應(yīng)。
全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已制定無源濾波器規(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。對于必須符合EN 55015發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)而能在歐盟市場上銷售的醫(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的干擾信號歸類為輻射發(fā)射。主要的輻射源包括電纜和設(shè)計不佳的PCB走線。工程師應(yīng)始終采用*佳設(shè)計實(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對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衰減高頻噪聲信號。
從根本上說，處理輻射噪聲的策略是，通過施加磁損耗來將高頻噪聲能量轉(zhuǎn)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。 由于電纜的自感，導(dǎo)磁鐵芯與共模噪聲電流產(chǎn)生的磁場相互作用，而在高頻下呈現(xiàn)高阻抗。將電纜多次穿過磁芯，可增加任何給定頻率的噪聲衰減。差模電流和低頻信號電流產(chǎn)生的磁通量*小，因此衰減很小。
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——來解決。接地金屬屏蔽很有效，但會增加成本和小外殼，而可能無法為屏蔽及其機(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)噪聲問題，可能沒有時間設(shè)計這樣的元件。
圖1：抑制板材的組成結(jié)合了能量吸收特性和靈活性。
其他成熟應(yīng)用包括ESD保護(hù)、無線充電和RFID范圍增強(qiáng)，以及在筆記本電腦和移動設(shè)備等多無線電設(shè)備中，通過防止反射干擾來抵消接收器靈敏度降低。Flex Suppressor有幾種滲透率等級，為設(shè)計人員提供了各種噪聲頻率的有效選擇。它們包括相對磁導(dǎo)率為60的標(biāo)準(zhǔn)等級和值為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)，對設(shè)法在其*新設(shè)計中使用寬帶隙半導(dǎo)體的電源設(shè)計人員構(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。
另一方面，為確保設(shè)備滿足電磁兼容性（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，同時又不會干擾附近的其他設(shè)備。此外，隨著高速開關(guān)和高頻RF設(shè)備擠占電磁環(huán)境，全球主要市場的EMC法規(guī)正變得越來越嚴(yán)格。
展望未來，網(wǎng)聯(lián)汽車等**技術(shù)有望使競爭進(jìn)一步加劇，為圍繞日常消費(fèi)級電氣設(shè)備的EMC問題增加一個**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，更快的開關(guān)速度可使用更小的平滑和去耦元件。
然而，盡管開關(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，但皮秒級的開關(guān)沿會使諧波深入到射頻領(lǐng)域。新功率器件的壓擺率會比傳統(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器件的可靠開關(guān)，其柵極電壓必須在+15V和-3V之間擺動，此外，如果使用較高的直流母線電壓來提高效率，晶體管兩端的dV/dt也會很高。對于大約1MHz的開關(guān)頻率，相關(guān)諧波的幅度即使對于高達(dá)幾百M(fèi)Hz的頻率也會很麻煩。為確保符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，這些問題必須得到處理。
與此同時，隨著應(yīng)用和使用趨勢的不斷發(fā)展，越來越多的設(shè)備不可避免地在鄰近區(qū)域內(nèi)共存，EMC法規(guī)正變得越來越嚴(yán)格。這些無線設(shè)備將會越來越多，包括移動設(shè)備、平板電腦和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，它們通過蜂窩、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。*新的歐盟EMC指令2014/30/EU提供了一個很好的例子。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監(jiān)督，以便發(fā)現(xiàn)和排除不合規(guī)產(chǎn)品的銷售。
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。滿足這些技術(shù)規(guī)范是證明合規(guī)性的一個方面，另一個方面則是保持令人滿意的文件。
在北美，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）已在其第15部分立法中規(guī)定了EMC要求。對于輕工業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，分別使用國際IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)對電源噪聲
因此，隨著電源系統(tǒng)設(shè)計推動開關(guān)頻率升高，而使噪聲信號進(jìn)入ISM無線電頻段或者附近，EMC合規(guī)性變得越來越重要但更難實(shí)現(xiàn)。
歷史上，包含傳統(tǒng)硅IGBT或MOSFET的開關(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，并跟隨信號線或電源線流動，而共模噪聲是在信號線或電源線和非預(yù)期傳導(dǎo)路徑（例如機(jī)殼部件或大地）之間耦合。
傳導(dǎo)噪聲通常通過插入包含電容器和/或電感器的電源線或信號濾波器來處理。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型濾波器來實(shí)現(xiàn)更陡的頻率響應(yīng)。
全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已制定無源濾波器規(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。對于必須符合EN 55015發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)而能在歐盟市場上銷售的醫(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的干擾信號歸類為輻射發(fā)射。主要的輻射源包括電纜和設(shè)計不佳的PCB走線。工程師應(yīng)始終采用*佳設(shè)計實(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對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衰減高頻噪聲信號。
從根本上說，處理輻射噪聲的策略是，通過施加磁損耗來將高頻噪聲能量轉(zhuǎn)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。 由于電纜的自感，導(dǎo)磁鐵芯與共模噪聲電流產(chǎn)生的磁場相互作用，而在高頻下呈現(xiàn)高阻抗。將電纜多次穿過磁芯，可增加任何給定頻率的噪聲衰減。差模電流和低頻信號電流產(chǎn)生的磁通量*小，因此衰減很小。
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——來解決。接地金屬屏蔽很有效，但會增加成本和小外殼，而可能無法為屏蔽及其機(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)噪聲問題，可能沒有時間設(shè)計這樣的元件。
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*終用戶可在實(shí)踐中獲得可比較的結(jié)果。
?圖1：抑制板材的組成結(jié)合了能量吸收特性和靈活性。
其他成熟應(yīng)用包括ESD保護(hù)、無線充電和RFID范圍增強(qiáng)，以及在筆記本電腦和移動設(shè)備等多無線電設(shè)備中，通過防止反射干擾來抵消接收器靈敏度降低。Flex Suppressor有幾種滲透率等級，為設(shè)計人員提供了各種噪聲頻率的有效選擇。它們包括相對磁導(dǎo)率為60的標(biāo)準(zhǔn)等級和值為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)，對設(shè)法在其*新設(shè)計中使用寬帶隙半導(dǎo)體的電源設(shè)計人員構(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。
