使用MAX38643降低CISPR32兼容毫微功耗降壓轉(zhuǎn)換器的輻射EMI

本應(yīng)用筆記解釋了如何降低MAX38643毫微功耗降壓轉(zhuǎn)換器的EMI輻射。本文還解釋了EMI噪聲的來源，并提供了幾種降低輻射EMI的簡(jiǎn)單方法，使MAX38643降壓轉(zhuǎn)換器符合CISPR32標(biāo)準(zhǔn)的B類限值。

介紹

高頻開關(guān)電源在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），從而中斷周圍的設(shè)備。這些EMI干擾本質(zhì)上可以是傳導(dǎo)的，也可以是輻射的。EMC在電子設(shè)備中的重要性與日俱增。因此，越來越多的標(biāo)準(zhǔn)正在出現(xiàn)，以限制電子設(shè)備產(chǎn)生的輻射干擾。

MAX38640–MAX38643是超低靜態(tài)電流DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的毫微功耗系列，芯片內(nèi)集成MOSFET和控制電路。該降壓轉(zhuǎn)換器系列工作在1.8V至5.5V輸入電壓。該器件支持高達(dá) 175mA、350mA 和 700mA 的負(fù)載電流，在 10μA 負(fù)載電流下具有 96% 的峰值效率和超過 88% 的效率。

應(yīng)用電路

圖2.MAX38640的應(yīng)用電路

關(guān)于CISPR32標(biāo)準(zhǔn)

CISPR32是額定有效值交流電壓或直流電源電壓不超過600V的多媒體設(shè)備的EMI發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。用于住宅/家庭環(huán)境的產(chǎn)品必須符合B類限制。商業(yè)用途的產(chǎn)品必須符合A類限制。

以下是根據(jù)CISPR32標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行3米和10米測(cè)試的輻射發(fā)射限值。

表 1：CISPR32 輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn) QPK 限值

圖3顯示了實(shí)驗(yàn)室的輻射發(fā)射測(cè)試設(shè)置。EUT放置在360°可旋轉(zhuǎn)的測(cè)試臺(tái)上，該測(cè)試臺(tái)距離接收器天線10米。接收天線拾取被測(cè)設(shè)備（MAX38643）在不同高度（1米至4米）產(chǎn)生的EMI噪聲信號(hào)。它在頻譜分析儀/EMI接收器中生成30MHz至1GHz頻率的EMI峰值圖。

圖3.輻射發(fā)射測(cè)量測(cè)試設(shè)置。

測(cè)量和布局設(shè)計(jì)，以優(yōu)化EMI發(fā)射

這里使用MAX38643AELT+降壓轉(zhuǎn)換器。它具有 1A 的峰值電感器電流限值，并可在 μDFN 封裝中支持 700mA 的負(fù)載電流。圖4是MAX38643的原理圖。

圖4.MAX38643降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

本研究的用例如下

輸入：鋰離子電池，電壓范圍為3.0V至4.2V 輸出電壓：1.8V

負(fù)載：660mA輸出電流

開關(guān)Q1和Q2在MAX38643降壓轉(zhuǎn)換器中交替工作。當(dāng) Q2 關(guān)閉時(shí)，開關(guān) Q1 打開，反之亦然。電流從 C 流出在通過電感L到負(fù)載，電感在Q1導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)能量。在此期間，開關(guān) Q2 處于關(guān)閉狀態(tài)。圖 5 以紅色顯示此操作期間的當(dāng)前路徑。電感器通過負(fù)載和 C 放電外當(dāng) Q2 打開且 Q1 關(guān)閉時(shí)。 圖 5 以綠色顯示當(dāng)前路徑。輸出電壓是Q2兩端出現(xiàn)的開關(guān)電壓的平均值。

Q1和Q2的高頻開關(guān)產(chǎn)生高di/dt的脈動(dòng)電流，并產(chǎn)生高EMI噪聲。該電流路徑對(duì)于控制輻射EMI發(fā)射至關(guān)重要。因此，最小化EMI發(fā)射的正常方法是減小這些開關(guān)路徑的面積。

圖5.基于Q1和Q2開關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器的電流路徑。

本應(yīng)用筆記考慮了兩種不同的電路板布局。

板-1 電路板布局

圖6和圖7所示為MAX38643的板-1 PCB布局和EMI發(fā)射峰值圖。

圖6.MAX38643板-1評(píng)估板的PCB布局

圖7.MAX38643板-1評(píng)估板布局的輻射發(fā)射峰值圖

圖8.MAX38643板-1評(píng)估板布局的開關(guān)Q1兩端電壓

板-1布局以2.2dBμV/m的裕量通過了CISPR32 B類限制，非常小。圖7中的EMI圖有一個(gè)178.5MHz的峰值，對(duì)應(yīng)于圖8中寄生元件的振鈴頻率。另一個(gè)峰值約為330MHz，對(duì)應(yīng)于Q1和Q2兩端電壓的上升時(shí)間。

寄生電感如圖所示，并在Q1兩端產(chǎn)生電壓振鈴（圖8）。它會(huì)產(chǎn)生EMI噪聲，如果C在電容與Q1相差甚遠(yuǎn)（圖6）。放置 C 非常重要在電容器盡可能接近Q1。

板-2 電路板布局

該 C在可以更靠近IC（圖6），以降低C之間的寄生電感在和IC MAX38643。該 C在在板-2布局中放置在靠近IC MAX38643約1mm的位置，以降低EMI發(fā)射。圖9和圖10顯示了電路板2 PCB布局和輻射EMI發(fā)射峰值圖。

圖9.MAX38643板-2評(píng)估板布局的PCB布局

圖 10.MAX38643板-2評(píng)估板布局的輻射發(fā)射峰值圖

通過放置C來降低輻射EMI發(fā)射在靠近 IC MAX38643（圖 10）。EMI發(fā)射從300MHz頻率降低約4dBμV/m至5dBμV/m。板-2 布局降低了 EMI 輻射。通過在 Q1 或 Q2 中添加 RC 緩沖器，可以進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

RC緩沖電路的優(yōu)點(diǎn)

MAX3864x毫微功耗降壓轉(zhuǎn)換器系列在芯片內(nèi)集成MOSFET Q1和Q2。EMI噪聲是由電路中的高dv/dt、di/dt產(chǎn)生的，這反過來又會(huì)導(dǎo)致高頻開關(guān)期間Q1和Q2兩端的電壓振鈴。圖5的分析顯示，寄生電感更多來自C在由于PCB上的走線，到Q1漏極，從Q1源極端子到Q2漏極較少，因?yàn)镼1和Q2都在芯片內(nèi)。因此，Q1兩端的振鈴電壓大于Q2。圖11a和11b是電路板2 PCB布局中Q1和Q2的電壓波形。

在Q1兩端施加RC緩沖器，以降低輻射EMI噪聲，因?yàn)镼1上的振鈴很高（圖12）。

圖 12.在開關(guān)Q1兩端具有RC緩沖器的降壓轉(zhuǎn)換器。

RC緩沖器的計(jì)算

讓我們計(jì)算電路中導(dǎo)致輻射EMI發(fā)射的寄生電感和電容。圖13中的波形顯示了電路板2 PCB布局中關(guān)斷條件下Q1兩端的電壓。

圖 13.MAX38643板-2評(píng)估板布局的開關(guān)Q1兩端電壓

Q1 兩端的振鈴電壓頻率為 185.1MHz，這是寄生電感和電容的結(jié)果（圖 13）。寄生電容的計(jì)算方法是增加Q1兩端的電容，直到振鈴頻率降低到值的一半。對(duì)于相同的電感值，諧振頻率與電容的平方根成反比。

通過在Q1上增加820pF的電容，振鈴頻率從185.1MHz降低到94.3MHz。圖14顯示了Q1兩端的電壓波形。

圖 14.開關(guān) Q1 兩端的電壓為 820pF。

寄生電容現(xiàn)在可以通過以下公式1計(jì)算

（公式1）

其中，
F?= 185.1兆赫，
F?_820pF = 94.3 MHz
封裝 = 820pF

寄生電感的計(jì)算公式為：

（公式2）

緩沖電阻現(xiàn)在的計(jì)算公式為：

（公式3）

其中，Q=0.4。
選定的 R錫值為，R錫=4.7？

圖15顯示了4.7？、820pF緩沖器值連接Q1時(shí)波形。振鈴電壓降至4.68V峰值。V的上升時(shí)間第一季度從 3nS 增加到 3.2nS。

圖 15.開關(guān) Q1 兩端的電壓為 4.7？，820pF。

優(yōu)化RC緩沖器以提高效率

已經(jīng)演示了 RC 緩沖器的計(jì)算和 Q1 兩端振鈴電壓的阻尼。但是RC緩沖器會(huì)增加轉(zhuǎn)換器中的功率損耗，而電路中增加的功率損耗浪費(fèi)在RC緩沖器本身中。通過牢記效率來設(shè)置RC緩沖器非常重要。已經(jīng)嘗試了多個(gè)緩沖值，以查看對(duì)Q1兩端開關(guān)節(jié)點(diǎn)的效率和振鈴電壓的影響。表2、表3和表4顯示了沒有緩沖器的電路板2布局以及Q1中使用不同RC緩沖器的效率結(jié)果。圖16所示為降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖，在Q1兩端增加了緩沖器。

效率結(jié)果

表2：電路板-2評(píng)估板上MAX38643的效率數(shù)據(jù)

表3：MAX38643在Q1兩端具有（4.7？+ 820pF）RC緩沖器的效率數(shù)據(jù)。

表4：MAX38643在Q1上具有（4.7？+ 47pF）RC緩沖器的效率數(shù)據(jù)。

圖 16.MAX38643降壓轉(zhuǎn)換器，開關(guān)Q1兩端帶有RC緩沖器（R2、C4）。

RC緩沖器對(duì)EMI發(fā)射的影響

已經(jīng)證明了不同RC緩沖器對(duì)Q1兩端效率和振鈴電壓的影響。4.7的緩沖值？選擇47pF是為了在轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生更少的損耗并實(shí)現(xiàn)高效率，并將噪聲水平保持在遠(yuǎn)低于B類限值的水平。圖17和圖18顯示了Q1電壓波形和4.7？和 47pF 緩沖整個(gè) Q1。

圖 17.開關(guān) Q1 兩端的電壓為 4.7？/47pF。

圖 18.MAX38643板-2評(píng)估板布局的輻射EMI峰值圖，Q1兩端有4.7？/47pF緩沖器。

所選緩沖值與CISPR32標(biāo)準(zhǔn)相比實(shí)現(xiàn)了超過6dBμV/m的裕量（圖18）。

MAX38643AELT+降壓轉(zhuǎn)換器的輻射EMI結(jié)果

圖19a和19b顯示了MAX38643降壓轉(zhuǎn)換器在電路板1和電路板2上的EMI輻射結(jié)果，Q1上有一個(gè)RC緩沖器。測(cè)試是在第三方認(rèn)證的 10 米 EMI 室中進(jìn)行的。測(cè)試結(jié)果表明，板-1以2.2dB裕量通過了CISPR32 B類限制。帶有RC緩沖器的板-2以超過6dB的裕量通過了CISPR32 B類限制，而不會(huì)影響效率。

圖 19a.MAX38643板-1評(píng)估板布局的輻射EMI結(jié)果

圖 19b.MAX38643板-2評(píng)估板在Q1兩端具有4.7？/47pF緩沖器的輻射EMI結(jié)果。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記首先測(cè)量MAX38643評(píng)估板在10米室內(nèi)的輻射EMI發(fā)射。測(cè)試結(jié)果通過CISPR32 B類限制，余量非常小。EMI輻射隨著PCB布局的改進(jìn)而改善。適當(dāng)?shù)腞C緩沖器可降低噪聲，有助于以超過6dB的裕量通過CISPR32 B類限制，而不會(huì)影響MAX38643降壓轉(zhuǎn)換器的效率。

審核編輯：郭婷