AN221 - 利用MPQ4323M-AEC1 的三个 EMC 滤波器组件满足CISPR25-5要求

应用说明

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摘要

本应用说明阐述了在降压变换器模块中内置热环路多层陶瓷电容 (MLCC) 所具有的电磁兼容性 (EMC) 优势。MPQ4323M-AEC1 是一款降压变换器模块，该器件仅需配置三个外部 EMC 滤波器元件即可满足 CISPR25 Class 5标准。相较于需与外部热环路 MLCC 配合使用的降压开关变换器模块MPQ4323C-AEC1 ，集成 MLCC 的降压变换器模块MPQ4323M-AEC1具有 EMC 性能更优、电路板空间更小且开发时间更短等诸多优势。

简介

本应用说明阐明了 MPQ4323M-AEC1 的优势。MPQ4323M-AEC1 是一款具有42V 负载突降容限、低静态电流(I_Q)并集成热环路MLCC 的3A同步降压变换器。MPQ4323M-AEC1 采用的封装技术在引线框架上集成了内部 100nF 热环路 MLCC，它仅需配置三个外部 EMC 滤波器元件即可满足 EMC 标准 CISPR25 Class 5。本文将对MPQ4323M-AEC1 的特性与 MPQ4323C-AEC1 进行比较；MPQ4323C-AEC1 是一款具有42V 负载突降容限、采用外部热环路 MLCC 的3A同步降压变换器。

MPQ4323M-AEC1 "M"：具有内部热环路 MLCC

内部热环路 MLCC 和三个 EMC 滤波器元件

图 1 显示了 MPQ4323M-AEC1 的引脚排列，它内置0402 封装的100nF 热环路 MLCC。VIN 和 PGND 引脚位于靠近开关 MOSFET 的引线框架上，MLCC 和 MOSFET 之间的连接也尽可能的短。

图 1：带内部热环路 MLCC 的 MPQ4323M-AEC1

热环路 MLCC 能够承载高频电流。但MLCC 和 MOSFET 之间的寄生电感会产生不需要的高频电压，通常称为尖峰；根据 IC 和封装的不同，这些尖峰呈现为 200MHz 至 1GHz 之间的谐振频率正弦波。MLCC 和 MOSFET 之间的短距离可以减少寄生电感，从而降低谐振幅度。

MLCC 与 MOSFET 之间的短距离可以最小化辐射发射 (RE)，其原因有二：

较低寄生电感可降低谐振幅度，从而降低尖峰幅度
较短的走线可降低走线作为天线辐射的能力。

这两个因素综合起来赋予了 MPQ4323M-AEC1 在 EMC方面的优势。

图 2 显示了 MPQ4323M-AEC1 的原理图，它仅需三个外部 EMC 滤波器元件即可符合 CISPR25 Class 5标准。

图 2：带三个 EMC 滤波器元件的 MPQ4323M-AEC1

MPQ4323M-AEC1 三个 EMC 元件的辐射

MPQ4323M-AEC1 仅采用三个外部 EMC 元件即可符合 CISPR25 Class 5 标准，与标准降压变换器相比，其BOM 成本明显降低。

带三个 EMC 元件的MPQ4323M-AEC1 “M”的传导辐射

图 3 显示了 2.2MHz 基频(f_SW)的传导辐射 (CE) 和相应的谐波。FM 无线频段的辐射较少，与极限值之间有较大的裕度。灰色曲线是在 MPQ4323M-AEC1关闭无辐射的情况下测试设备上的噪声水平。

图 3：带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 的 CE 接地测量

图 4 显示了电源线上的 CE，例如接地 CE 测量。通过150kHz 最低频率的能力取决于低频 EMC 滤波器、C13 和 C9，以及 2.2µH 电感 (L2)。通常，使用 22µF 电容可将电路中的 C9 降低至 10µF，从而降低 BOM 成本。

图 4：带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 的 CE 电源测量

带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 “M”的单极辐射发射

图 5 显示了使用接地平面天线进行的单极RE 测量，接地平面天线与限制线之间保有足够的距离。单极测量通常会因开关电感而失真。

图 5：带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 的单极 RE 测量

EMC 滤波电感 (L2) 采用高度为 1.5mm 的扁平封装；建议采用扁平封装，因为其辐射的垂直能量较少。开关电感 (L1) 的封装高度为 2.5mm；可能的条件下，建议电感也选择扁平封装，以通过垂直单极 RE 测量。

带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 “M”的双锥辐射发射

图 6 显示了水平 RE 双锥天线测量。天线极化对来自 2 米电源线束的 RE 敏感，该电源线束与天线平行并水平放置。该 2米线束在 90MHz 和 160MHz 处产生典型谐振。增加或减少两个峰值的线束长度将改变频率。线束自谐振可由被测设备 (DUT) 产生的小噪声信号激发。

图 6：带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 的水平 RE 双锥天线测量

图 7 显示了垂直 RE 双锥天线测量，其中垂直天线极化对线束上产生的 RE 不敏感。

图 7：带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 的垂直 RE 双锥天线测量

带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1 “M” 的对数周期辐射发射

图 8 显示了 860MHz 的 RE 峰值。开关节点为 EMC 滤波器网络和热环路中的 RE 提供激励。MPQ4323M-AEC1 在 860MHz 处以谐振响应。添加更多 EMC 滤波器元件可以降低该860MHz 峰值。

图 8：带三个 EMC 组件的 MPQ4323M-AEC1 的水平 RE 对数周期测量

图 9 显示了低于限值的800MHz RE 峰值。

图 9：带三个 EMC 元件的MPQ4323M-AEC1的垂直 RE 对数周期测量

带三个 EMC 组件的MPQ4323M-AEC1 “M”的喇叭辐射发射

图 10 显示了水平极化喇叭天线的 RE 测量。

图 10：带三个 EMC 组件的MPQ4323M-AEC1 的喇叭水平 RE 测量

图 11 显示了垂直极化喇叭天线的 RE 测量，测量结果与测试设备本底噪声的灰色曲线一致。

图 11：带三个 EMC 组件的MPQ4323M-AEC1的喇叭垂直 RE 测量

MPQ4323C-AEC1 “C”：具有外部热环路 MLCC

MPQ4323C-AEC1 与 MPQ4323M-AEC1 有相同的硅片，只是采用了外部 100nF 热环路 MLCC。而且与 MPQ4323M-AEC1 的 QFN-12L（3.5mmx3.5mm）封装不同，MPQ4323C-AEC1 提供三种不同的封装。

MPQ4323C-AEC1 需要 7 个外部 EMC 组件才能满足 CISPR25 Class 5 要求，并实现与采用三个外部 EMC 组件的 MPQ4323M-AEC1 相当的性能。

图 12 显示了带7 个 EMC 元件的 MPQ4323C-AEC1，其他条件与图 2 中的 MPQ4323M-AEC1 电路相同。

图 12：带 7 个 EMC 组件的 MPQ4323C-AEC1

比较带 3 个 EMC 组件的MPQ4323M -AEC1 “M”和带7 个 EMC 组件的MPQ4323C-AEC1 “C”

与带7 个 EMC 组件的标准 MPQ4323C-AEC1 “C”相比，带3个 EMC 组件的 MPQ4323M-AEC1 “M”优势明显。

带3 个 EMC 组件的“M”与带 7 个组件的“C”的辐射发射比较

图 13 显示了带3个 EMC 组件的 MPQ4232M-AEC1 的水平对数周期 RE 测量。

图 13：带三个 EMC 组件的MPQ4323M-AEC1的水平对数周期 RE 测量

图 14 显示了带7 个 EMC 元件的 MPQ4323C-AEC1 的水平对数周期 RE 测量。

图 14：带7 个 EMC 组件的MPQ4323C-AEC1 的水平对数周期 RE 测量

对比图 13 和图 14 ，MPQ4232M-AEC1 和 MPQ4323C-AEC1 的振幅直接比较结果都接近极限值。带三个 EMC 元件的 MPQ4323M-AEC1“M”的性能优于带7 个 EMC 元件的标准 MPQ4323C-AEC1“C”。

为了将 RE 从 600MHz 降到 900MHz，可以在 MPQ4232M-AEC1 和 MPQ4323C-AEC1 的设计中使用铁氧体磁珠。但若要实现采用最少元件满足 CISPR25 Class 5标准，MPQ4323M-AEC1 比 MPQ4323C-AEC1更容易实现这一目标。

MPQ4323M-AEC1 的优势

为了满足 CISPR25 Class 25 标准，MPQ4232M-AEC1 仅需一个外部 1µF MLCC、一个2.2µH 电感和一个10µF 电解电容。与 MPQ4323C-AEC1 相比，MPQ4232M-AEC1 具有很多优势，包括节省电路板空间、更易于布局、更快开发以通过 EMC 测试，以及在更高频率范围内具有更好的 EMC 性能等。

比较带 10 个 EMC 元件的“M”与带10 个 EMC 元件的“C”

图 15 显示了带 10 个 EMC 元件和铁氧体磁珠的 MPQ4323C-AEC1 和 MPQ4323M-AEC1 的 CE 电源测量。其评估板测量结果与 CISPR25 Class 5 限值之间有很大的裕度。

图 15：带10 个 EMC 元件的MPQ4323C-AEC1（左）与 MPQ4323M-AEC1（右）的CE 电源测量

图 16 显示了 MPQ4323C-AEC1 和 MPQ4323M-AEC1 的单极 RE测量，二者都带 10 个 EMC 元件和铁氧体磁珠，f_SW谐波较低。

图 16：带10 个 EMC 元件的MPQ4323C-AEC1（左）和 MPQ4323M-AEC1（右）的单极 RE 测量

图 17 显示了 MPQ4323C-AEC1 和 MPQ4323M-AEC1 的水平双锥 RE测量，二者均有 10 个 EMC 元件和铁氧体磁珠。测量结果显示出 2 米线束的电缆谐振。

图 17：带10 个 EMC 元件的MPQ4323C-AEC1（左）和 MPQ4323M-AEC1（右）的水平双锥 RE 测量

图 18 显示了 MPQ4323C-AEC1 和 MPQ4323M-AEC1 的垂直双锥 RE测量，二者均带 10 个 EMC 元件和铁氧体磁珠。线束谐振由于垂直天线极化而被衰减。

图 18：带10 个 EMC 元件的MPQ4323C-AEC1（左）和 MPQ4323M-AEC1（右）的垂直双锥 RE 测量

图 19 显示了 MPQ4323C-AEC1 和 MPQ4323M-AEC1 的水平对数周期 RE测量，二者均带有10 个 EMC 元件和铁氧体磁珠。MPQ4323M-AEC1 性能明显优于 MPQ4323C-AEC1。

图 19：带 10 个 EMC 元件的MPQ4323C-AEC1（左）和 MPQ4323M-AEC1（右）的水平对数周期 RE 测量

图 20 显示了带 10 个 EMC 元件和铁氧体磁珠的 MPQ4323C-AEC1 和 MPQ4323M-AEC1 的垂直对数周期 RE测量。

图 20：带10 个 EMC 元件的MPQ4323C-AEC1（左）和 MPQ4323M-AEC1（右）的垂直对数周期 RE 测量

MPQ4323M-AEC1 优秀的EMC 性能

图 21 显示了 MPQ4323M-AEC1 的开关节点波形，其接近理想的方波电压。

图 21：MPQ4323M-AEC1 的开关节点波形

如上图所示，开关节点谐振频率约为 1GHz，并具有较低振幅。低振幅表示低 RE。由于振铃时间短，天线的辐射能力也低。

图 22 显示了 MPQ4323C-AEC1 的开关节点波形。

图 22：MPQ4323C-AEC1 的开关节点波形

热环路 MLCC 和 MOSFET 之间的电气连接较长，这会产生更大的寄生电感，从而导致更高振幅的谐振。振铃时间越长，作为天线的辐射能力就越强。

比较MPQ4323M-AEC1 “M”与标准 MPQ4323C-AEC1 “C”的 V_IN 直流电压波形

图 23 显示了 MPQ4323M-AEC1 的 V_IN 波形。施加 V_IN DC 电压几乎没有谐振幅度，也没有可见尖峰。这是带内部热环路 MLCC 的变换器模块的主要优势。

图 23：MPQ4323M-AEC1 的 V_IN DC 波形（引脚 2 和引脚 10）

图 24 显示了 MPQ4323C-AEC1 的 V_IN 波形。由图可见，V_IN DC 电压与开关节点中发生的谐振叠加。尖峰为 PCB 走线、热环路 MLCC 和 V_IN 引脚带来激励，它们充当天线，以尖峰频率辐射。蓝色 ESL 走线是降压变换器模块上的强辐射走线。与标准降压变换器模块相比，模块上蓝色 ESL 走线的噪声较小。