GaN技术和潜在的EMI影响

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1月出席DesignCon 2015时，我有机会听到一个由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex Lidow主讲的有趣专题演讲，谈到以氮化镓(GaN)技术进行高功率开关组件(Switching Device)的研发。我也有幸遇到"电源完整性 --在电子系统测量、优化和故障排除电源相关参数(Power Integrity - Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems)"一书的作者Steve Sandler，他提出与测量这些设备的皮秒边沿(Picosecond Edge)速度相关联(可参看他文章索引的部分)。

由于这些新电源开关的快速开关速度与相关更高效率，因此我们希望看到他们能适用于开关模式电源和射频(RF)功率放大器。他们可广泛取代现有的金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，且具有较低的"On"电阻、更小的寄生电容、更小的尺寸与更快的速度。我已注意到采用这些装置的新产品，其他应用包括电信直流对直流(DC-DC)、无线电源(Wireless Power)、激光雷达(LiDAR)和D型音频(Class D Audio)。很显然，任何半导体组件在几皮秒内切换，很可能会产生大量的电磁干扰(EMI)。为了评估这些GaN组件，Sandler安排我来测试一些评估板。一块我选择测试的是Efficient Power Conversion的半桥(Half-bridge )1MHz DC-DC降压转换器EPC9101(图1)，请参考这块测试板上的其他信息，以及一些其他的参考部分。

图1该演示板用于显示GaN的EMI。该GaN组件被圈定，我会在L1左侧测量切换的波形。

该演示板利用8至19伏特(V)电流，并将其转换为1.2伏20安培(A)(图2)，我让它运行在与10奥姆、2瓦(W)负载、10伏特电压状态。

图2 半桥DC-DC转换器的电路图，波形在L1的左端返回处被测试。

我试图用一个罗德史瓦兹(R&S)RT-ZS20 1.5 GHz的单端探头捕获边缘速率(图3)，并探测L1的切换结束，不过现有测试设备的带宽限制，以至于无法忠实捕捉。我能撷取到最好的(图4)是一个1.5 纳秒上升时间(其中，以EMI的角度来看，是相当快的开始！) 为准确地记录典型的300~500皮秒边缘速度将需要30 GHz带宽，或更高的示波器。

图3采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的单端探头测量前缘。
图3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的单端探头测量前缘。