如何管理GHz及更高頻率下的EMI和EMC?

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濟實惠、始終在線的通信設備，再到為物聯網進行供電和連接，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個趨勢。QoeEETC-電子工程專輯
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另一方面，為確保設備滿足電磁兼容性（EMC）法規，兩者都存在更嚴峻的挑戰。它們需要在目標環境中正常運行，同時又不會干擾附近的其他設備。此外，隨著高速開關和高頻RF設備擠佔電磁環境，全球主要市場的EMC法規正變得越來越嚴格。QoeEETC-電子工程專輯
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展望未來，網聯汽車等創新技術有望使競爭進一步加劇，為圍繞日常消費級電氣設備的EMC問題增加一個安全關鍵性方面。QoeEETC-電子工程專輯

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寬帶隙效應

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在電源轉換領域，碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導體技術正在進行商業化，以提高傳統矽器件的性能：傳導損耗更低，晶片尺寸可以降低，進而成本可以降低，擊穿電壓更高，溫度性能增加，更快的開關速度可使用更小的平滑和去耦元件。QoeEETC-電子工程專輯
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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，但皮秒級的開關沿會使諧波深入到射頻領域。新功率器件的壓擺率會比傳統矽器件高得多：例如，與標準MOSFET 0-10V的柵極電壓相比，為確保SiC器件的可靠開關，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，電晶體兩端的dV/dt也會很高。對於大約1MHz的開關頻率，相關諧波的幅度即使對於高達幾百MHz的頻率也會很麻煩。為確保符合EMC標準，這些問題必須得到處理。QoeEETC-電子工程專輯
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與此同時，隨著應用和使用趨勢的不斷發展，越來越多的設備不可避免地在鄰近區域內共存，EMC法規正變得越來越嚴格。這些無線設備將會越來越多，包括行動裝置、平板電腦和物聯網基礎設施，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等其他各種頻段實現網絡連接。QoeEETC-電子工程專輯
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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，提高抗擾度，以證明合規性。歐盟的新立法框架更加重視市場監督，以便發現和排除不合規產品的銷售。QoeEETC-電子工程專輯
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EMC指令2014/30/EU中引用了各種技術規範，包括鐵路信號設備用EN 50121-4、電力設備用50121-5、家用電氣產品和設備用EN 55014，以及IT設備和多媒體設備用EN 55022和55032等新文件。滿足這些技術規範是證明合規性的一個方面，另一個方面則是保持令人滿意的文件。QoeEETC-電子工程專輯
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在北美，美國聯邦通信委員會（FCC）已在其第15部分立法中規定了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。QoeEETC-電子工程專輯

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應對電源噪聲

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因此，隨著電源系統設計推動開關頻率升高，而使噪聲信號進入ISM無線電頻段或者附近，EMC合規性變得越來越重要但更難實現。QoeEETC-電子工程專輯
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歷史上，包含傳統矽IGBT或MOSFET的開關電源轉換器的典型噪聲頻譜，涵蓋大約10kHz至50MHz的頻率範圍。其中大部分都在CISPR/CENELEC和FCC噪聲標準規定的傳導發射範圍（9kHz至30MHz）內。QoeEETC-電子工程專輯
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傳導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，並在電源和電源線或信號線之間耦合。差模噪聲是因設備預期運行而產生，並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期傳導路徑（例如機殼部件或大地）之間耦合。QoeEETC-電子工程專輯
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傳導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響應。QoeEETC-電子工程專輯
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基美電子（KEMET）具有配置用於衰減正常模式或共模噪聲的內聯EMI/RFI濾波器或扼流圈，以及在單個器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。QoeEETC-電子工程專輯
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全球標準機構已制定無源濾波器規範，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、電路板安裝或饋通濾波器，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。QoeEETC-電子工程專輯

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衰減高頻噪聲

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北美標準和歐洲標準將頻率高於30MHz的幹擾信號歸類為輻射發射。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，包括儘可能縮短這些電纜和走線，並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，這種方法並不總是能夠解決EMC挑戰，我們需要採取額外措施來衰減高頻噪聲信號。QoeEETC-電子工程專輯
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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，導磁鐵芯與共模噪聲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噪聲衰減。差模電流和低頻信號電流產生的磁通量最小，因此衰減很小。QoeEETC-電子工程專輯
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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的噪聲頻率。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噪聲高於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。QoeEETC-電子工程專輯

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柔性屏蔽解決方案

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PCB走線等其他高頻噪聲輻射源，必須以不同的方式——通常採用某種形式的屏蔽——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械固定和接地連接提供足夠的空間。如果在項目後期才發現噪聲問題，可能沒有時間設計這樣的元件。QoeEETC-電子工程專輯
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由高磁導率磁性材料製成的柔性屏蔽材料（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，而使最終用戶可在實踐中獲得可比較的結果。QoeEETC-電子工程專輯
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圖1：抑制板材的組成結合了能量吸收特性和靈活性。QoeEETC-電子工程專輯
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基美電子的柔性抑制材料（Flex Suppressor）符合IEC 62333標準，可有效衰減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，來屏蔽特定的電路功能（例如功率開關級），來吸收輻射或防止外部幹擾。它可以被固定在外殼內部，靠近有問題的電路，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。QoeEETC-電子工程專輯
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其他成熟應用包括ESD保護、無線充電和RFID範圍增強，以及在筆記本電腦和行動裝置等多無線電設備中，通過防止反射幹擾來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頻率範圍內提供極高的噪聲衰減。QoeEETC-電子工程專輯

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總結

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高頻噪聲源和更嚴格的法規，對設法在其最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展，以期抵抗頻率高達1GHz甚至更高的輻射噪聲。QoeEETC-電子工程專輯

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