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高頻中的EMI和EMC如何管理？
日期：2024-06-25 12:20
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摘要： 從提高可再生能源的成本平價(jià)，到使我們每個(gè)人都能擁有一臺經(jīng)濟實(shí)惠、始終在線(xiàn)的通信設備，再到為物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行供電和連接，高效率的電源轉換和普遍存在的無(wú)線(xiàn)連接將是深刻影響可持續性和生活標準的兩個(gè)趨勢。
另一方面，為確保設備滿(mǎn)足電磁兼容性（EMC）法規，兩者都存在更嚴峻的挑戰。它們需要在目標環(huán)境中正常運行，同時(shí)又不會(huì )干擾附近的其他設備。此外，隨著(zhù)高速開(kāi)關(guān)和高頻RF設備擠占電磁環(huán)境，全球主要市場(chǎng)的EMC法規正變得越來(lái)越嚴格。
展望未來(lái)，網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)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(jià)，到使我們每個(gè)人都能擁有一臺經(jīng)濟實(shí)惠、始終在線(xiàn)的通信設備，再到為物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行供電和連接，高效率的電源轉換和普遍存在的無(wú)線(xiàn)連接將是深刻影響可持續性和生活標準的兩個(gè)趨勢。
另一方面，為確保設備滿(mǎn)足電磁兼容性（EMC）法規，兩者都存在更嚴峻的挑戰。它們需要在目標環(huán)境中正常運行，同時(shí)又不會(huì )干擾附近的其他設備。此外，隨著(zhù)高速開(kāi)關(guān)和高頻RF設備擠占電磁環(huán)境，全球主要市場(chǎng)的EMC法規正變得越來(lái)越嚴格。
展望未來(lái)，網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)等**技術(shù)有望使競爭進(jìn)一步加劇，為圍繞日常消費級電氣設備的EMC問(wèn)題增加一個(gè)**關(guān)鍵性方面。
寬帶隙效應
在電源轉換領(lǐng)域，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導體技術(shù)正在進(jìn)行商業(yè)化，以提高傳統硅器件的性能：傳導損耗更低，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)現更大的功率密度和更低的能量損耗，但皮秒級的開(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 )比傳統硅器件高得多：例如，與標準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(xiàn)電壓來(lái)提高效率，晶體管兩端的dV/dt也會(huì )很高。對于大約1MHz的開(kāi)關(guān)頻率，相關(guān)諧波的幅度即使對于高達幾百MHz的頻率也會(huì )很麻煩。為確保符合EMC標準，這些問(wèn)題必須得到處理。
與此同時(shí)，隨著(zhù)應用和使用趨勢的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的設備不可避免地在鄰近區域內共存，EMC法規正變得越來(lái)越嚴格。這些無(wú)線(xiàn)設備將會(huì )越來(lái)越多，包括移動(dòng)設備、平板電腦和物聯(lián)網(wǎng)基礎設施，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)現網(wǎng)絡(luò )連接。
*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)限制要求降低傳導和輻射發(fā)射，提高抗擾度，以證明合規性。歐盟的新立法框架更加重視市場(chǎng)監督，以便發(fā)現和排除不合規產(chǎn)品的銷(xiāo)售。
EMC指令2014/30/EU中引用了各種技術(shù)規范，包括鐵路信號設備用EN 50121-4、電力設備用50121-5、家用電氣產(chǎn)品和設備用EN 55014，以及IT設備和多媒體設備用EN 55022和55032等新文件。滿(mǎn)足這些技術(shù)規范是證明合規性的一個(gè)方面，另一個(gè)方面則是保持令人滿(mǎn)意的文件。
在北美，美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）已在其第15部分立法中規定了EMC要求。對于輕工業(yè)和工業(yè)應用，分別使用國際IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC標準。
應對電源噪聲
因此，隨著(zhù)電源系統設計推動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率升高，而使噪聲信號進(jìn)入ISM無(wú)線(xiàn)電頻段或者附近，EMC合規性變得越來(lái)越重要但更難實(shí)現。
歷史上，包含傳統硅IGBT或MOSFET的開(kāi)關(guān)電源轉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噪聲標準規定的傳導發(fā)射范圍（9kHz至30MHz）內。
傳導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(xiàn)或信號線(xiàn)之間耦合。差模噪聲是因設備預期運行而產(chǎn)生，并跟隨信號線(xiàn)或電源線(xiàn)流動(dòng)，而共模噪聲是在信號線(xiàn)或電源線(xiàn)和非預期傳導路徑（例如機殼部件或大地）之間耦合。
傳導噪聲通常通過(guò)插入包含電容器和/或電感器的電源線(xiàn)或信號濾波器來(lái)處理。通常，電容器面向高阻抗電路——可能是電源或負載——而電感器則用來(lái)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(lái)實(shí)現更陡的頻率響應。
全球標準機構已制定無(wú)源濾波器規范，例如基于IEC 60939的歐洲EN 60939規范，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)射標準而能在歐盟市場(chǎng)上銷(xiāo)售的醫療設備或照明設備等應用，還有一些特殊的濾波器。
衰減高頻噪聲
北美標準和歐洲標準將頻率高于30MHz的干擾信號歸類(lèi)為輻射發(fā)射。主要的輻射源包括電纜和設計不佳的PCB走線(xiàn)。工程師應始終采用*佳設計實(shí)踐，包括盡可能縮短這些電纜和走線(xiàn)，并在電路板上將任何傳送信號對的走線(xiàn)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，我們需要采取額外措施來(lái)衰減高頻噪聲信號。
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(xiàn)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)法為屏蔽及其機械固定和接地連接提供足夠的空間。如果在項目后期才發(fā)現噪聲問(wèn)題，可能沒(méi)有時(shí)間設計這樣的元件。
圖1：抑制板材的組成結合了能量吸收特性和靈活性。
其他成熟應用包括ESD保護、無(wú)線(xiàn)充電和RFID范圍增強，以及在筆記本電腦和移動(dòng)設備等多無(wú)線(xiàn)電設備中，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，為設計人員提供了各種噪聲頻率的有效選擇。它們包括相對磁導率為60的標準等級和值為130的超高磁導率材料。還有值為20的超低磁導率版本，可在Wi-Fi頻率范圍內提供極高的噪聲衰減。
總結
高頻噪聲源和更嚴格的法規，對設法在其*新設計中使用寬帶隙半導體的電源設計人員構成挑戰。鐵氧體磁芯和高磁導率抑制材料正在不斷發(fā)展，以期抵抗頻率高達1GHz甚至更高的輻射噪聲。
另一方面，為確保設備滿(mǎn)足電磁兼容性（EMC）法規，兩者都存在更嚴峻的挑戰。它們需要在目標環(huán)境中正常運行，同時(shí)又不會(huì )干擾附近的其他設備。此外，隨著(zhù)高速開(kāi)關(guān)和高頻RF設備擠占電磁環(huán)境，全球主要市場(chǎng)的EMC法規正變得越來(lái)越嚴格。
展望未來(lái)，網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)等**技術(shù)有望使競爭進(jìn)一步加劇，為圍繞日常消費級電氣設備的EMC問(wèn)題增加一個(gè)**關(guān)鍵性方面。
寬帶隙效應
在電源轉換領(lǐng)域，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導體技術(shù)正在進(jìn)行商業(yè)化，以提高傳統硅器件的性能：傳導損耗更低，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)現更大的功率密度和更低的能量損耗，但皮秒級的開(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 )比傳統硅器件高得多：例如，與標準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(xiàn)電壓來(lái)提高效率，晶體管兩端的dV/dt也會(huì )很高。對于大約1MHz的開(kāi)關(guān)頻率，相關(guān)諧波的幅度即使對于高達幾百MHz的頻率也會(huì )很麻煩。為確保符合EMC標準，這些問(wèn)題必須得到處理。
與此同時(shí)，隨著(zhù)應用和使用趨勢的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的設備不可避免地在鄰近區域內共存，EMC法規正變得越來(lái)越嚴格。這些無(wú)線(xiàn)設備將會(huì )越來(lái)越多，包括移動(dòng)設備、平板電腦和物聯(lián)網(wǎng)基礎設施，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)現網(wǎng)絡(luò )連接。*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)限制要求降低傳導和輻射發(fā)射，提高抗擾度，以證明合規性。歐盟的新立法框架更加重視市場(chǎng)監督，以便發(fā)現和排除不合規產(chǎn)品的銷(xiāo)售。
EMC指令2014/30/EU中引用了各種技術(shù)規范，包括鐵路信號設備用EN 50121-4、電力設備用50121-5、家用電氣產(chǎn)品和設備用EN 55014，以及IT設備和多媒體設備用EN 55022和55032等新文件。滿(mǎn)足這些技術(shù)規范是證明合規性的一個(gè)方面，另一個(gè)方面則是保持令人滿(mǎn)意的文件。
在北美，美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）已在其第15部分立法中規定了EMC要求。對于輕工業(yè)和工業(yè)應用，分別使用國際IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC標準。
應對電源噪聲
因此，隨著(zhù)電源系統設計推動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率升高，而使噪聲信號進(jìn)入ISM無(wú)線(xiàn)電頻段或者附近，EMC合規性變得越來(lái)越重要但更難實(shí)現。
歷史上，包含傳統硅IGBT或MOSFET的開(kāi)關(guān)電源轉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噪聲標準規定的傳導發(fā)射范圍（9kHz至30MHz）內。
傳導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(xiàn)或信號線(xiàn)之間耦合。差模噪聲是因設備預期運行而產(chǎn)生，并跟隨信號線(xiàn)或電源線(xiàn)流動(dòng)，而共模噪聲是在信號線(xiàn)或電源線(xiàn)和非預期傳導路徑（例如機殼部件或大地）之間耦合。
傳導噪聲通常通過(guò)插入包含電容器和/或電感器的電源線(xiàn)或信號濾波器來(lái)處理。通常，電容器面向高阻抗電路——可能是電源或負載——而電感器則用來(lái)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(lái)實(shí)現更陡的頻率響應。
全球標準機構已制定無(wú)源濾波器規范，例如基于IEC 60939的歐洲EN 60939規范，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)射標準而能在歐盟市場(chǎng)上銷(xiāo)售的醫療設備或照明設備等應用，還有一些特殊的濾波器。
衰減高頻噪聲
北美標準和歐洲標準將頻率高于30MHz的干擾信號歸類(lèi)為輻射發(fā)射。主要的輻射源包括電纜和設計不佳的PCB走線(xiàn)。工程師應始終采用*佳設計實(shí)踐，包括盡可能縮短這些電纜和走線(xiàn)，并在電路板上將任何傳送信號對的走線(xiàn)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，我們需要采取額外措施來(lái)衰減高頻噪聲信號。
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(xiàn)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)法為屏蔽及其機械固定和接地連接提供足夠的空間。如果在項目后期才發(fā)現噪聲問(wèn)題，可能沒(méi)有時(shí)間設計這樣的元件。
由高磁導率磁性材料制成的柔性屏蔽材料（圖1），可提供方便經(jīng)濟的解決方案。這種方法廣為認可，實(shí)際上，用于測量其電磁特性的方法，已在IEC 62333中進(jìn)行了標準化。該標準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(hù)可在實(shí)踐中獲得可比較的結果。
?圖1：抑制板材的組成結合了能量吸收特性和靈活性。
其他成熟應用包括ESD保護、無(wú)線(xiàn)充電和RFID范圍增強，以及在筆記本電腦和移動(dòng)設備等多無(wú)線(xiàn)電設備中，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，為設計人員提供了各種噪聲頻率的有效選擇。它們包括相對磁導率為60的標準等級和值為130的超高磁導率材料。還有值為20的超低磁導率版本，可在Wi-Fi頻率范圍內提供極高的噪聲衰減。
總結
高頻噪聲源和更嚴格的法規，對設法在其*新設計中使用寬帶隙半導體的電源設計人員構成挑戰。鐵氧體磁芯和高磁導率抑制材料正在不斷發(fā)展，以期抵抗頻率高達1GHz甚至更高的輻射噪聲。
