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电磁兼容的发展趋势与技术演进

2020年07月10日 17:34 次阅读

  在2016年深圳举办的亚太电磁兼容(EMC)会议上,大会报告《干扰技术:辐射的未来》基于技术工艺的演进、革新和突破,阐述了电磁兼容领域多方面的发展趋势。孔子曰:“温故而知新”,也可用在预测电磁干扰(EMI)的发展中。EMI核心内容的巨大变化是由于新技术引入了不可预期的EMC问题。本文将试图寻找一些发展规律,为EMC工程师改变工作方式提供借鉴。

  EMC与技术演进

  近几十年,EMI的问题显著增加,一些由技术演变产生的问题可以预测,其中最典型的就是信号和电源完整性(SI&PI)问题:由于电子元器件尺寸的减小和信号开关频率的增加,互连结构内部和它们之间的电磁场成为了新产品的制约因素。

  1992年,国际半导体行业的技术路线图(ITRS)首次出版,后续定期更新,图1给出了2003年、2009年和2013年ITRS对节点电压的预测情况。2009年的预测并没有实现,因为至今为止(2018年),节点电压仍维持在0.8V的区间。2013年,ITRS对节点电压的变化趋势进行了修正,因为节点电压和噪声容限呈线性关系,这意味着节点电压降级已经使半导体对外部的干扰更敏感了。

  

  IEEEEMC协会(EMCS)在2016年重新命名了研讨会的名称,从“EMC”扩展至“EMC,SI&PI”,EMCS也计划出版关于SI&PI的学报。那我们在今后数年该如何看待EMC、SI和PI呢?

  根据ITRS的预测,噪声容限将会继续减少,但是并不会太快;逻辑半节距长度和门尺寸将继续缩小,对高频干扰的敏感性逐渐增强。半导体行业驱动着技术演进,即不断地在晶圆上增加晶体管的数量。ITRS在其总结报告中阐述到,这种变化趋势有非常广泛的影响,且对建模的影响越来越重要,比如串扰、基底回流路径、基底耦合、电磁辐射和热效应等,除热效应外,这些影响都属于EMC和SI&PI的领域。

  EMC与革新性技术

  有巨大变革的EMI问题更引人注目,因为它可能导致威胁生命或产品延期上市等灾难性后果,从驾驶车辆期间使用手机导致的气囊弹出及禁止在飞机上使用手机等事件中,我们知道引入革新性的技术会伴随着EMC的风险。但了解这一点,我们是否就能预测未来呢?

  我们可以尝试一下,在电力电子器件中采用创新方法,比如当使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)时,EMI电压大概增加40dB:电压处理能力增加了5倍,100ns内关断时间下降了20次;而大部分干扰是由dV/dt产生的共模电流所导致,因此组合起来的干扰电势为5×20=100=40dB。可以预测,由于技术变革,电力电子器件的开关频率会更快,比如使用氮化镓元件的开关,宽带隙的功率器件将使IGBT的开关损耗下降一个数量级,但将以增加功率转换开关波形的高频频谱分量为代价,通常会增加20~30dB,这将导致对其他系统产生无法预期的、新的高频干扰。

  当与技术演进相关时,EMI是可以(容易)预测的,但如果技术产生革新性变化,EMI的预测就变得困难,因为作为EMC工程师,很难全面了解即将引入何种“新”技术。在许多情况下,EMC仅被认为是一种“(法规要求的)符合性”问题,而忽略了其原有的“(电磁环境的)兼容性”问题。比如,智能电表在全球迅速铺开的过程,这种情况就非常突出:智能电表的静态计量部分很容易受到EMI的影响,但是却有可能符合法规要求,因为法规序言中或多或少对EMI提出了相关的豁免条件,最后的结果就可能是“符合性”通过了,但“兼容性”却有问题。

  当然,我们还是有可能预测未来的某些革新性技术引起的EMI问题的。大量的5G无线设备将很快充斥于我们的生活环境中,这就对无线共存和抗干扰能力提出了更高的要求,即要对抗有意电磁干扰(I-EMI)。比如司机停车后用无线钥匙锁车,窃贼使用无线干扰发射装置阻塞汽车接收锁车信号。

  在2~150kHz频段,EMC问题的争论日益加剧,当传导干扰源的数量、等级迅速增加时,越来越多的设备在这个频段显示出敏感性。使用一种被称作时域EMI(TDEMI)接收机的突破性技术,新的干扰评价方法将变为现实,可以在同一个谱里面显示频域(传统)和时域信息。

  EMC和突破性技术

  何为突破性技术?移动电话的出现导致大量固定电话淘汰就是一个典型的例子,现已造成了固定电话网络原有商业模式的瓦解;另一个与EMC休戚相关的突破性技术是太阳能(光伏)或风力发电技术,它避免了碳基燃料的污染;由此带来了电力电子设备的激增,并产生了巨大的EMC隐患。与新能源技术类似的电动汽车应用也可认为是突破性技术,因为它可以完全取代内燃机

  欧盟的无线技术指令(RED)也是一个突破性技术的驱动者,指令中要求设备需有效利用无线电频谱,并避免与其他无线通信系统的相互干扰;另外,未纳入RED指令的设备也必须符合EMC指令的基本要求。时域EMI测试仪也具备了突破性的技术,这种接收机运算速度快得多,这将迫使传统的超外差接收机逐步退出市场。

  最后,还有一项值得一提的突破性技术是混响室(RC),这项技术并非革新性的,因为RC已经存在几十年了。频率越高,PC的方向性图越复杂。因此,暗室(自由空间)中的天线高度扫描和转台旋转步进越小,得到的方向性图才能越精确,也就是说,测量高频的方向性图非常耗时。但RC则不用,它与现在的多径环境很类似,并提供了周期性的电磁环境和随机的极化方式,也就是说,电磁波的能量密度在RC内部的任意位置都是均匀的,并且呈现各向同性特性,即各方向的能流密度是相同的。

  有些人提出,所有EMC问题是由法规要求和相关标准解决的,但本文想表达的是由于逐步演进的、革新的,甚至是具有突破性的技术不断给EMC工程师带来新的挑战,促使EMC工程师提出新的解决方案、使用新的测试与测量技术。

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