EMI
為5G而生 賀利氏推出EMI遮蔽解決方案
5G已成為時下最熱門的關鍵字,除此之外,相關技術與布建也馬不停蹄地持續發展中。然而新技術的發展便意味著新挑戰的產生,5G行動網路帶來了高速與大頻寬、低延遲與高可靠性的同時,也帶來了電磁干擾(EMI)、裝置尺寸與升溫問題等挑戰。為因應上述挑戰,賀利氏(Heraeus)推出防電磁干擾全套解決方案,迎接5G發展面臨各種挑戰。
賀利氏電子業務領域總裁Frank Stietz指出,基於高頻寬及輕薄短小的需求,防止電磁干擾技術已成為5G發展的關鍵。賀利氏的全套解決方案,包含特製的銀油墨、3D數位列印設備和專用於特製的銀油墨的固化設備。與傳統的金屬背蓋或現有的濺鍍設備相比,賀利氏使用列印技術,除了可以達到每一面厚度相同且均勻之外,並能設定區域局部進行列印,不會有任何材料被浪費。同時此技術使用的設備僅需2.5m×1.5m的占地,大幅節省工廠空間。這項新技術能節省物料成本提高材料使用率,若依年度產能估計,此解決方案的設備投資僅約PVD濺鍍製程設備投資的15分之1,然而產能卻可以提升5倍。
Stietz進一步說明,過去將金屬背蓋直接做在PCB板上的做法已經不可能用於5G產品,因為那體積和重量都會超出可以接受的範圍。而PVD濺鍍又過於浪費材料,物料使用效率低,且需要無塵室相關設備,投資成本高昂。另外,噴墨(Ink Spray)技術同樣面臨物料使用率不足的問題,而且在側面達到與上層相同均勻與厚度將是一大挑戰。若使用列印技術則不會面臨上述問題,可以達到-60dB的遮蔽效果,每面的厚薄與均勻一致,且能實現零物料浪費的目標。
Stietz表示,賀利氏的防電磁干擾全套解決方案目前已與客戶合作,在亞洲地區小量生產(Ramp-up),並計畫於2019 Q4設製原型(Prototype)產線。最重要的,上市時程是與5G發展同步的。5G預定商轉時成為2020年,賀利氏的防電磁干擾解決方案為5G而存在,因此也計畫和5G一同登場。
電子產品的輕薄短小,導致內部零組件空間錙銖必較;而 5G技術帶來急速增長的數據流量,也將大量耗電,導致電池容量與體積越來越大,讓模組與個別IC的體積問題再度被放大。賀利氏的印刷技術讓EMI遮蔽以更小的尺寸達到更好的效果。
是德全新EMI接收器解決方案可加速EMC相符性測試
是德科技(Keysight Technologies)日前宣布推出Keysight N9048B PXE EMI接收器。此接收器完全符合最高的國際標準,讓使用者能高靈敏度的量測和故障診斷,以加速取得電磁相符性認證。
取得EMC認證是推出電子裝置的必要準備步驟,以確保安全可靠的操作。如果因設計不良而無法通通EMC相符性測試,可能導致新產品推出時間大幅延宕,甚至還會增加產品的成本。Keysight N9048B PXE EMI讓擁有自我認證能力的獨立相符性測試實驗室和企業,能夠自行進行輻射傳導放射測試,以確認產品符合當地的法規要求。
Keysight PXE EMI接收器簡化了全球EMC測試實驗室的測試工作。它符合最高的國際標準,量測效能居產業之冠,另外還配備EMC應用軟體,讓認證實驗室能信心十足地對新產品進行指定的相符性測試。
N9048B PXE EMI接收器有三個頻率選擇,最高可達26.5GHzm。並擁有領先業界的靈敏度效能,可偵測輻射放射量測中常見的,接近雜訊位準的微小訊號。另完全符合CISPR 16-1-1和MIL-STD-461國際標準,確保裝置與任何全球標準的相符性。利用時域掃描(TDS)功能,可滿足法規關於停留時間的要求,並能有效縮短接收器掃描和測試時間。多點觸控操作介面及EMC量測應用軟體讓測試作業變得輕而易舉。
搭載智慧整合式驅動器 BLDC啟動可靠度再攀升
整合式馬達驅動器結合了驅動馬達所需要的一切,如場效應電晶體(FETs)、閘極驅動器(Gate Drivers)和狀態機(State Machines),如圖1所示。藉由整合可防止從電子控制單位(ECU)配置長線路至馬達,並具備更小的印刷電路板(PCB)尺寸和總體系統成本等額外優勢。
圖1 智慧整合式BLDC馬達驅動器
BLDC馬達在汽車應用中的優勢包括效率、緊密的體積、更長的馬達與電池壽命、更安靜的駕駛體驗以及更佳的電磁干擾(EMI)性能。
此篇智慧整合式馬達驅動器文章中,將描述BLDC馬達的不同性能要求以及半導體業者如何於整合式馬達驅動器實現「智慧化」。第一部分將詳細介紹用於汽車應用的BLDC系統中的EMI管理。
提高EMI性能 高頻雜訊有效降低
BLDC馬達在10~100kHz範圍內的高開關頻率下驅動。在此高頻率下,由於高dv/dt和寄生電感共存將會於開關節點上產生高頻振鈴,此振鈴可能會產生高頻雜訊而干擾汽車中其他零組件。
如圖2和圖3所示,調整外加電壓(Applied Voltage)上升斜率(Slew Rates)有助於減少振鈴所引起的干擾。在離散式系統中,調整閘極驅動電阻將會修正電壓上升斜率,必須手動更改電阻值,並根據測試結果選擇最佳值。手動更換電阻器的過程極其繁瑣且需要PCB多次反覆運算,進而增加總尺寸和複雜性。
圖2 DRV10983-Q1和BLDC馬達中,120V/μs上升斜率的EMI量測範例
圖3 DRV10983-Q1和BLDC馬達中,35V/μs上升斜率的EMI量測範例
針對像德州儀器(TI)旗下的DRV10983-Q1整合式驅動器,閘極電阻不可存取而且無法更改。不過,這並非是一件壞事,例如,DRV10983-Q1中整合了上升斜率控制,可以透過更改暫存器值,輕易地調整上升斜率,進一步加速EMI測試模組的整體運行。
提高EMI性能的其中一種方法是改變脈衝寬度調變(PWM)開關頻率。PWM開關頻率對振鈴有一定的影響。若是整合式驅動器,可透過配置暫存器來更改此PWM頻率;此外,另一種降低EMI的常用技術是使主時鐘有頻率的振動(Ditering),藉由在頻譜上擴展振動來降低峰值頻率的振幅。
透過使用具有完全整合功能(如上升斜率控制、可變PWM開關頻率與振動)的馬達驅動,可減少外部濾波零組件的數量。如此不僅節省了系統成本、電路板空間,最重要的是,更節省了解決干擾來源所需的時間以及重新設計電路板的精力。
後文將討論啟動可靠度、初始位置偵測、反電壓突波(Anti Voltage Surge)、馬達在相反或相同方向旋轉時的重新同步、正弦波整流(Sinusoidal Commutation)以及其他使馬達驅動器智慧化的更多整合功能。
馬達啟動開迴路加速
前一部分討論了電磁干擾(EMI)管理以及使用整合式解決方案減少電磁輻射的各種方法。接下來,將探討在無感測器(Sensorless)模式下驅動BLDC馬達的馬達啟動技術。
以反電動勢(Back Electromotive Force, BEMF)為基礎而預估的進階無感測器演算法,需要最小的BEMF值來精確估計轉子位置,以便在180度正弦模式下驅動BLDC馬達。為取得最小的BEMF值,馬達最初透過開迴路(Open Loop)階段驅動,直到達到最小速度,再使用預估的BEMF在閉迴路(Closed Loop)中進行整流(Commutation)。馬達啟動分為兩個階段:第一階段時馬達處於靜止狀態;第二階段是指當在無BEMF資訊時它開始加速,如圖4所示。
圖4 BLDC馬達的啟動設定資訊。
在開迴路期間,馬達在無任何關於轉子位置資訊的情況下驅動。在此開迴路整流階段,也稱作盲整流(Blind Commutation),非常重要,因為它與系統可靠性直接相關。若未正確配置盲整流,則馬達將啟動,失去同步並失速。
最重要的是,在開迴路狀態期間,驅動器可將馬達加速到足以進行精確的BEMF估計的速度。它也能夠在此開迴路狀態期間支援負載。在達到切換速度(Hand-off Speed)後,驅動器將會從開迴路切換到閉迴路狀態。該切換速度將依據馬達轉矩常數(Kt)而變化,亦即具有較高轉矩常數的馬達需要較低的切換速度,反之亦然(圖4)。
因此,驅動器應能夠提供可變速度曲線以支援開迴路加速,以及支援各種負載與可調式切換速度的可調式電流。對整合式驅動器而言,可透過配置電子式可抹除程式化唯讀記憶體(Electrically Erasable Programmable ROM, EEPROM)暫存器來實現盲啟動(Blind Startup)。
係數A1和A2定義為加速度,Op2ClsThr為切換速度,也稱為開迴路-閉迴路臨界值。請參考公式1:
公式1
如公式1所示,二級加速度的其中一個優點是,它能夠驅動馬達並使其符合機械負載曲線(圖5)。它也同時支援緩衝啟動,這代表馬達將以較慢速度啟動,並隨著速度的增加逐漸提升加速度。此功能適用於慣性負載較高的馬達。
圖5 機械負載曲線示意圖
整合式驅動器不僅能夠使用盲整流啟動馬達,它還能透過緩衝開迴路加速的方式平穩地啟動馬達。這些功能有助於轉動各種負載的馬達。下一部分將探討啟動處於靜止位置馬達的不同技術。
從靜止位置啟動馬達
在啟動開迴路盲整流之前,驅動器必須與轉子位置同步,避免將電壓施加到錯誤的相位(激發錯誤的相位)。有兩種方法可獲得此位置,一是將馬達驅動到已知位置(稱為對齊(Align)和移動(Go)),如圖6所示;二是確定轉子位置(稱為初始位置偵測(Initial Position Detection, IPD)),如圖7所示。
圖6 馬達啟動期間的相電流及對齊
圖7 馬達啟動期間的相電流及初始位置偵測(IPD)
選擇此方法而非另一種方法的原因,主要取決於馬達類型和系統要求。調整和移動是用於啟動馬達的常用方法,其中在第一相上施加恆定電壓將馬達驅動到已知位置。第二相接地,而第三相可接地或維持高阻抗。在此狀態下,馬達應完全或幾乎靜止是必須考慮的重點,讓驅動器可啟動馬達旋轉而不會失去同步。若馬達並不處於靜狀態,驅動器則可能會失去轉子(Rotor)同步並失速。
設計者仍必須在調整狀態期間考慮為轉子提供足夠的電流,以便讓其從靜止位置移動。若電流過高會在對齊狀態下引起較大過衝(Overshoot);電流過低則將無法取代轉子。
另外,設計者也必須在調整狀態期間配置兩個重要參數:調正時間(Align Time)和電流振幅(Current...
瑞薩驅動器系列新品實現高電流DC/DC轉換
瑞薩電子近日宣布推出全新的汽車級100V、4A半橋式N通道MOSFET驅動器系列。ISL784x4系列共有三款產品:ISL78424和ISL78444都有單個三階(Tri-Level)PWM輸入,並用於控制兩個閘極驅動器(Gate Driver),而ISL78434具有雙獨立輸入端,可個別控制高邊驅動器和低邊驅動器。ISL784x4半橋式N-MOSFET驅動器可搭配ISL78224四相雙向控制器,能夠在輕度混合動力車(Mild Hybrid)使用的12V~48V轉換器中,提供高達3kW的功率和百分之95以上的效率。ISL784×4驅動器也非常適用於12V~24V雙向DC/DC轉換器,以及其他高電流的降壓或升壓應用。
ISL784×4驅動器藉著提供獨立的電流源式,以及電流槽式的MOSFET閘極驅動接腳,簡化了驅動大電流MOSFET的設計。這讓設計人員可以輕鬆使用外接的閘極電阻,來調節DC/DC開關節點的迴轉率(包括上升暫態和下降暫態),進而降低電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)。ISL784x4還提供適應性死區時間控制(Adaptive Dead Time Control),以保證精準的先斷後合式(Break-Before-Make)開關操作,避免在兩個DC/DC轉換器開關同時閉路時,可能發生的貫穿電流。除此之外,ISL78424和ISL78434的適應性死區時間功能,還能夠檢測MOSFET的閘極,消除電壓誤差--為了控制開關節點的迴轉率,外接閘極電阻時,跨電阻的電壓就會引起這個電壓誤差。
ST 600V/3.5A全橋系統級封裝優勢多
意法半導體(STMicroelectronics, ST)新推出之PWD5F60高功率驅動器,是意法半導體高壓有刷直流馬達和單相無刷直流馬達功率驅動器系統封裝產品系列的第二款產品。其在15mm×7mm封裝內整合600V/3.5A MOSFET單相全橋與閘極驅動器,內建二極管、保護功能和兩個比較器。散熱效率更高的系統級封裝相較離散元件減少了60%電路板空間,同時可提升可靠性並簡化設計和封裝。
PWD5F60是為控制工業泵、工業風扇、鼓風機、家電和工廠自動化等系統中具備有刷直流馬達而專門設計的單相全橋模組,適用於採用單相無刷馬達以確保高耐用性、高效能且成本合理的產品設備,同時新款產品在使用電源供應元件上亦兼具成本效益和便利性之優勢。
PWD5F60內部整合導通電阻為1.38Ω的N溝道MOSFET,優異的效能確保其能夠處理中等功率負載。優化的閘極驅動器可提升開關可靠性,降低電磁干擾(EMI),而整合的自舉二極體可高壓啟動,高邊輸入供電而無需外部升壓二極體。
兩個未受限的嵌入式比較器確保模組配置靈活多變,可以輕鬆使用峰值電流控制或過流和過熱保護功能。峰值電流控制配合霍爾效應定位感測器,無需專用MCU即可實現獨立的控制器,進而大幅降低控制電子系統成本。
ADI新品提升車載電纜/連接器基礎設施視訊解析度
Analog Devices(ADI)近日推出一系列收發器產品,可透過現有非遮罩雙絞線和非遮罩連接器實現高解析度(HD)視訊,使OEM廠商輕鬆地將標準解析度攝影機升級為HD攝影機,並提供目前汽車攝影機應用所需的優異解析度和圖像品質。相較於其他汽車鏈路解決方案,新型ADV7990和ADV7991發送器與ADV7380和ADV7381接收器運用ADI的汽車攝影機匯流排(C2B)技術,可大幅縮減重量、體積和成本,並降低電纜布線限制。
C2B收發器專為汽車應用而定義與設計,其代表除了在非遮罩基礎設施上實現卓越的視覺品質以外,並特別運用晶片內EMC/EMI緩解技術使之完全符合相關EMC、EMI和ESD強固性之嚴苛業界要求。創新的電纜補償設計性能支援帶多個線上連接的30公尺長電纜,解析度於30Hz時達200萬像素或60Hz時達100萬像素。
Denso駕駛艙系統業務部先進硬體開發部門總經理Motoki Kanamori表示,C2B已被證明是一項極具成本效益的解決方案,其支援主流低解析度NTSC無縫轉移至高解析度攝影機,可降低線束成本和重量,為汽車製造商創造高度價值,Denso很高興能與ADI合作將C2B技術運用於該公司的車輛產品線中,實現可擴展的攝影機和視訊連接解決方案。
貿澤宣布供貨Analog Devices和Coilcraft解決方案
貿澤宣佈推出Analog Devices和Coilcraft的全新解決方案頁面,這些產品將協助設計人員解決汽車和工業應用中的電磁干擾(EMI)問題。新頁面放入許多參考資料和搭配的電子元件,可協助設計人員選擇搭配好的Analog Devices Silent Switcher 2 LT8640S/LT8643S/LT8650S同步降壓穩壓器和Coilcraft功率電感器組合,達到降低EMI的效果。
Analog Devices的Silent Switcher 2 LT8640S、LT8643S和LT8650S同步降壓穩壓器具備可將EMI輻射降到最低的Analog Devices第二代Silent Switcher架構,並使用旁路電容器、接地平面、銅柱和其他可將所有快速電流迴路最佳化的元件組合,可在高切換頻率下高效運作。42V/6A穩壓器的靜態電流為2.5 µA,1 MHz下的效率高達96%,可提供快速、乾淨且低過衝的切換邊,即使在高切換頻率下亦能實現高效運作和高降壓率。
Coilcraft的功率電感器搭配LT8640S、LT8643S、LT8650S穩壓器,能進一步降低高雜訊及嚴峻環境下的EMI。Coilcraft XFL5030系列屏蔽型功率電感器具備超低DC電阻,僅2.15毫歐姆。XFL5030裝置具備高達11.5A的優異電流處理能力、軟飽和,以及可將聲頻雜訊降到最低的複合結構,適用於高頻應用。Coilcraft XEL6030系列高電流屏蔽型功率電感器在2至5 MHz高切換頻率下展現超低DC電阻和AC耗損。此系列具有優異的電流處理能力與軟飽和特性,可承受高電流突增,提供介於0.15 µH至3.3 µH的電感範圍。XFL5030和XEL6030兩個系列裝置均符合AEC-Q200 Grade 1汽車規格,同時符合RoHS標準且不含鹵素。
英飛凌新品適用於1kW小型馬達驅動
英飛凌(Infineon)推出新一代TRENCHSTOP IGBT6技術。此分立式產品具備650V阻斷電壓,並針對需要長使用時間、高可靠性及高效率的特定應用進行最佳化,例如:主要家電與小型家電、工業縫紉機,以及用於風扇、幫浦及其他BLDC馬達中的通用型馬達。
其溝槽(Trench)及場終止(Field-Stop)技術與軟性、快速回復的反相並聯Rapid1二極體共同封裝,可減少損耗,具備良好的散熱效能,特別是在較高的切換頻率下,因此可提升可靠性及設計餘量,為高達1kW的馬達驅動奠定基礎。650V TRENCHSTOP IGBT6的主要特色包括極低的VCE(sat)與Vf,以及3μsec的短路保護能力,並針對5kHz至30kHz範圍內的切換頻率進行最佳化,適用於需要有效控制EMI雜訊的應用。
是德科技推小尺寸焊接式探棒頭
是德科技(Keysight Technologies)日前宣布推出Keysight MX0100A InfiniiMax微型探棒頭。這個業界尺寸最小的焊接式探棒頭適用於高效能示波器,讓使用者能對現代高速裝置進行精密的測試。
隨著各種電子裝置的體積不斷縮小,探測墊也隨之變得更小,而且間距更窄。此外,DDR記憶體等應用的資料速率一直在提高,傳統的探測墊可當作短截線使用,結果變成電磁干擾(EMI)的來源。為了克服前述挑戰,客戶正積極尋找高密度、小型幾何解決方案,以便探測現代電子技術,並且在無干擾狀況下,分析並量測訊號。
是德科技全新的InfiniiMax微型焊接式探棒頭,可與InfiniiMax I/II探棒放大器搭配使用,讓工程師能輕鬆自如地存取小型幾何目標裝置。使用者還可調整導線的長度,以因應目標裝置從0~7mm的間隔。如與Keysight 1169B 12 GHz InfiniiMax II探棒放大器搭配使用,MX0100A可提供高達12GHz的完整頻寬。MX0100A具有極佳的探棒頭負載效應,可在量測高速訊號時極致提升訊號完整性,並提供同類產品中最佳的探棒頭負載性能(0.17pF、差動50kΩ)。
台灣是德科技總經理張志銘表示,某些情況下現有的示波器探棒頭解決方案甚至比待測裝置的體積更大,使得訊號探量存取成為測試現代電子技術的重大挑戰。不同於同級的傳統焊接式探棒頭,該微型探棒頭尺寸不到現有焊接式探棒頭的一半,是測試高密度、窄間距裝置的理想選擇。