使用MAX38643降低CISPR32兼容毫微功耗降压转换器的辐射EMI
本应用笔记解释了如何降低MAX38643毫微功耗降压转换器的EMI辐射。本文还解释了EMI噪声的来源，并提供了几种降低辐射EMI的简单方法，使MAX38643降压转换器符合CISPR32标准的B类限值。
介绍
高频开关电源在运行过程中会产生电磁干扰（EMI），从而中断周围的设备。这些EMI干扰本质上可以是传导的，也可以是辐射的。EMC在电子设备中的重要性与日俱增。因此，越来越多的标准正在出现，以限制电子设备产生的辐射干扰。
MAX38640–MAX38643是超低静态电流DC-DC降压转换器的毫微功耗系列，芯片内集成MOSFET和控制电路。该降压转换器系列工作在1.8V至5.5V输入电压。该器件支持高达 175mA、350mA 和 700mA 的负载电流，在 10μA 负载电流下具有 96% 的峰值效率和超过 88% 的效率。
应用电路
图2.MAX38640的应用电路
关于CISPR32标准
CISPR32是额定有效值交流电压或直流电源电压不超过600V的多媒体设备的EMI发射标准。用于住宅/家庭环境的产品必须符合B类限制。商业用途的产品必须符合A类限制。
以下是根据CISPR32标准进行3米和10米测试的辐射发射限值。
表 1：CISPR32 辐射发射标准 QPK 限值
| 频率范围（兆赫） | 3m 距离限制 | 10m距离限制 | ||
|---|---|---|---|---|
| A 类 （dBμV/m） | B 类 （dBμV/m） | A 类 （dBμV/m） | B 类 （dBμV/m） | |
| 30 到 230 | 50.5 | 40.5 | 40 | 30 |
| 230 到 1000 | 57.5 | 47.5 | 47 | 37 |
图3显示了实验室的辐射发射测试设置。EUT放置在360°可旋转的测试台上，该测试台距离接收器天线10米。接收天线拾取被测设备（MAX38643）在不同高度（1米至4米）产生的EMI噪声信号。它在频谱分析仪/EMI接收器中生成30MHz至1GHz频率的EMI峰值图。
图3.辐射发射测量测试设置。
测量和布局设计，以优化EMI发射
这里使用MAX38643AELT+降压转换器。它具有 1A 的峰值电感器电流限值，并可在 μDFN 封装中支持 700mA 的负载电流。图4是MAX38643的原理图。
图4.MAX38643降压转换器原理图
本研究的用例如下
输入：锂离子电池，电压范围为3.0V至4.2V 输出电压：1.8V
负载：660mA输出电流
开关Q1和Q2在MAX38643降压转换器中交替工作。当 Q2 关闭时，开关 Q1 打开，反之亦然。电流从 C 流出在通过电感L到负载，电感在Q1导通时存储能量。在此期间，开关 Q2 处于关闭状态。图 5 以红色显示此操作期间的当前路径。电感器通过负载和 C 放电外当 Q2 打开且 Q1 关闭时。 图 5 以绿色显示当前路径。输出电压是Q2两端出现的开关电压的平均值。
Q1和Q2的高频开关产生高di/dt的脉动电流，并产生高EMI噪声。该电流路径对于控制辐射EMI发射至关重要。因此，最小化EMI发射的正常方法是减小这些开关路径的面积。
图5.基于Q1和Q2开关的降压转换器的电流路径。
本应用笔记考虑了两种不同的电路板布局。
板-1 电路板布局
图6和图7所示为MAX38643的板-1 PCB布局和EMI发射峰值图。
图6.MAX38643板-1评估板的PCB布局
图7.MAX38643板-1评估板布局的辐射发射峰值图
图8.MAX38643板-1评估板布局的开关Q1两端电压
板-1布局以2.2dBμV/m的裕量通过了CISPR32 B类限制，非常小。图7中的EMI图有一个178.5MHz的峰值，对应于图8中寄生元件的振铃频率。另一个峰值约为330MHz，对应于Q1和Q2两端电压的上升时间。
寄生电感如图所示，并在Q1两端产生电压振铃（图8）。它会产生EMI噪声，如果C在电容与Q1相差甚远（图6）。放置 C 非常重要在电容器尽可能接近Q1。
板-2 电路板布局
该 C在可以更靠近IC（图6），以降低C之间的寄生电感在和IC MAX38643。该 C在在板-2布局中放置在靠近IC MAX38643约1mm的位置，以降低EMI发射。图9和图10显示了电路板2 PCB布局和辐射EMI发射峰值图。
图9.MAX38643板-2评估板布局的PCB布局
图 10.MAX38643板-2评估板布局的辐射发射峰值图
通过放置C来降低辐射EMI发射在靠近 IC MAX38643（图 10）。EMI发射从300MHz频率降低约4dBμV/m至5dBμV/m。板-2 布局降低了 EMI 辐射。通过在 Q1 或 Q2 中添加 RC 缓冲器，可以进行进一步的改进。
RC缓冲电路的优点
MAX3864x毫微功耗降压转换器系列在芯片内集成MOSFET Q1和Q2。EMI噪声是由电路中的高dv/dt、di/dt产生的，这反过来又会导致高频开关期间Q1和Q2两端的电压振铃。图5的分析显示，寄生电感更多来自C在由于PCB上的走线，到Q1漏极，从Q1源极端子到Q2漏极较少，因为Q1和Q2都在芯片内。因此，Q1两端的振铃电压大于Q2。图11a和11b是电路板2 PCB布局中Q1和Q2的电压波形。
|
图 11a.Q1两端的电压。 |
|
图 11b：Q2 两端的电压。 |
在Q1两端施加RC缓冲器，以降低辐射EMI噪声，因为Q1上的振铃很高（图12）。
图 12.在开关Q1两端具有RC缓冲器的降压转换器。
RC缓冲器的计算
让我们计算电路中导致辐射EMI发射的寄生电感和电容。图13中的波形显示了电路板2 PCB布局中关断条件下Q1两端的电压。
图 13.MAX38643板-2评估板布局的开关Q1两端电压
Q1 两端的振铃电压频率为 185.1MHz，这是寄生电感和电容的结果（图 13）。寄生电容的计算方法是增加Q1两端的电容，直到振铃频率降低到值的一半。对于相同的电感值，谐振频率与电容的平方根成反比。
通过在Q1上增加820pF的电容，振铃频率从185.1MHz降低到94.3MHz。图14显示了Q1两端的电压波形。
图 14.开关 Q1 两端的电压为 820pF。
寄生电容现在可以通过以下公式1计算
（公式1）
其中，
F㩱= 185.1兆赫，
F㩱_820pF = 94.3 MHz
封装 = 820pF
寄生电感的计算公式为：
（公式2）
缓冲电阻现在的计算公式为：
（公式3）
其中，Q=0.4。
选定的 R锡值为，R锡=4.7？
图15显示了4.7？、820pF缓冲器值连接Q1时波形。振铃电压降至4.68V峰值。V的上升时间第一季度从 3nS 增加到 3.2nS。
图 15.开关 Q1 两端的电压为 4.7？，820pF。
优化RC缓冲器以提高效率
已经演示了 RC 缓冲器的计算和 Q1 两端振铃电压的阻尼。但是RC缓冲器会增加转换器中的功率损耗，而电路中增加的功率损耗浪费在RC缓冲器本身中。通过牢记效率来设置RC缓冲器非常重要。已经尝试了多个缓冲值，以查看对Q1两端开关节点的效率和振铃电压的影响。表2、表3和表4显示了没有缓冲器的电路板2布局以及Q1中使用不同RC缓冲器的效率结果。图16所示为降压转换器的原理图，在Q1两端增加了缓冲器。
效率结果
表2：电路板-2评估板上MAX38643的效率数据
| MAX38643 - 板-2评估板 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| V在（五） | 我在（毫安） | Vo（五） | 我o（毫安） | 效率 （%） | V注册 (%) |
| 4.0 | 5.29 | 1.82 | 10.19 | 87.6 | 1.11 |
| 4.0 | 51.44 | 1.80 | 100.83 | 88.2 | -0.04 |
| 4.0 | 251.22 | 1.79 | 504.23 | 89.6 | -0.72 |
表3：MAX38643在Q1两端具有（4.7？+ 820pF）RC缓冲器的效率数据。
| MAX38643 - 电路板-2评估板，Q1沿Q1具有RC缓冲器（4.7？+ 820pF） | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| V在（五） | 我在（毫安） | Vo（五） | 我o（毫安） | 效率 （%） | V注册 (%) | 差异效率 （%） |
| 4.0 | 5.33 | 1.82 | 10.02 | 85.5 | 1.12 | 2.1 |
| 4.0 | 52.67 | 1.80 | 100.72 | 86.1 | -0.03 | 2.1 |
| 4.0 | 258.99 | 1.79 | 508.21 | 87.5 | -0.77 | 2.1 |
| 4.0 | 365.00 | 1.78 | 707.45 | 86.3 | -1.13 | 1.7 |
表4：MAX38643在Q1上具有（4.7？+ 47pF）RC缓冲器的效率数据。
| MAX38643 - 板-2评估板，Q1两端具有RC缓冲器（4.7？+47pF） | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| V在（五） | 我在（毫安） | Vo（五） | 我o（毫安） | 效率 （%） | V注册 (%) | 差异效率 （%） |
| 4.0 | 5.27 | 1.82 | 10.14 | 87.5 | 1.11 | 0.1 |
| 4.0 | 51.27 | 1.80 | 100.34 | 88.0 | -0.04 | 0.1 |
| 4.0 | 252.21 | 1.79 | 505.34 | 89.5 | -0.74 | 0.1 |
| 4.0 | 355.67 | 1.78 | 701.87 | 87.8 | -1.09 | 0.2 |
图 16.MAX38643降压转换器，开关Q1两端带有RC缓冲器（R2、C4）。
RC缓冲器对EMI发射的影响
已经证明了不同RC缓冲器对Q1两端效率和振铃电压的影响。4.7的缓冲值？选择47pF是为了在转换器中产生更少的损耗并实现高效率，并将噪声水平保持在远低于B类限值的水平。图17和图18显示了Q1电压波形和4.7？和 47pF 缓冲整个 Q1。
图 17.开关 Q1 两端的电压为 4.7？/47pF。
图 18.MAX38643板-2评估板布局的辐射EMI峰值图，Q1两端有4.7？/47pF缓冲器。
所选缓冲值与CISPR32标准相比实现了超过6dBμV/m的裕量（图18）。
MAX38643AELT+降压转换器的辐射EMI结果
图19a和19b显示了MAX38643降压转换器在电路板1和电路板2上的EMI辐射结果，Q1上有一个RC缓冲器。测试是在第三方认证的 10 米 EMI 室中进行的。测试结果表明，板-1以2.2dB裕量通过了CISPR32 B类限制。带有RC缓冲器的板-2以超过6dB的裕量通过了CISPR32 B类限制，而不会影响效率。
图 19a.MAX38643板-1评估板布局的辐射EMI结果
图 19b.MAX38643板-2评估板在Q1两端具有4.7？/47pF缓冲器的辐射EMI结果。
结论
本应用笔记首先测量MAX38643评估板在10米室内的辐射EMI发射。测试结果通过CISPR32 B类限制，余量非常小。EMI辐射随着PCB布局的改进而改善。适当的RC缓冲器可降低噪声，有助于以超过6dB的裕量通过CISPR32 B类限制，而不会影响MAX38643降压转换器的效率。
审核编辑：郭婷
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