简介
降压变换器的开关节点电压波形决定其在汽车 CISPR 25 Class 5测量中的电磁兼容性 (EMC) 行为。开关节点波形中的振铃频率是 EMC 接收器上的重要信号，开关节点上较高的振铃幅度通常会导致 EMC 问题。通过了解开关节点波形，可以预测变换器的 EMC 特性，并在早期设计阶段优化 EMC 滤波器的设计。
在本文中，我们的汽车专家将对三种 MPS 汽车降压变换器进行比较，为通过开关节点波形预测汽车 CISPR 25 Class 5测量中的 EMC 特性给出实用的建议，帮助客户优化 EMC 滤波器设计以及PCB 布局，从而符合 CISPR 25 Class 5标准要求。
具有不同 EMC 特性的 MPS 汽车降压变换器
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MPQ4323M-AEC1是一款 42V负载突降容限、超紧凑、低静态电流 (IQ) 同步降压变换器，它具有内部集成的100nF 热环路多层陶瓷电容 (MLCC)。内部热环路 MLCC 可减少所需的外部滤波器元件数量并简化PCB 布局。除此之外，MLCC 还可大幅减少开关节点中的振铃，从而实现出色的 EMC 特性。
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MPQ4326-AEC1是一款频率可配置（200kHz 至 2.5MHz）的同步降压开关稳压器，它通过峰值电流模式控制提供高达 6A 的高效率输出电流(IOUT)。这款标准变换器还专门针对效率和单扩频调制进行了优化。与恒定开关频率(fSW)相比，单扩频简化了器件通过 CISPR 25 Class 5测试的过程。
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MPQ4371-AEC1是一款采用先进低噪声Quiet-FETTM开关技术的同步降压变换器，它可以提供 6A 至 11A 的 IOUT范围。该器件提供双扩频 (FSS) 调制和零延迟脉宽调制(ZDPTM)，可以实现快速负载阶跃响应。在保持高效率的同时，该器件还优化了 EMC 行为，而且，它可以与双 FSS 调制配合工作，进一步降低辐射发射 (RE)。
开关节点测量
我们通过开关节点波形来比较 MPQ4323M-AEC1、MPQ4326-AEC1 和 MPQ4371-AEC1 之间的 EMC 特性。图 1 显示了使用有源电压探头对EVQ4323M-G-00A进行开关节点测量。
图 1：使用有源电压探头对 EVQ4323M-G-00A 进行开关节点测量
开关节点电压波形的上升时间和下降时间通常在 700ps 和 2ns 之间。这要求电压探针尖端具有约 1GHz的最小示波器带宽。使用具有所需带宽的有源探针或者无源探针均可测量电压。
对所有变体，PCB 的接地连接都应尽可能地短，以确保开关节点上测得的振铃不包括长探头接地连接产生的额外振铃。
图 2 显示了EVQ4323M-G-00A开关节点测量的正确电压探针尖端位置。GND 尖端应尽可能靠近 IC 的 PGND 引脚连接，探头输入尖端也应尽可能靠近 IC 的开关节点引脚连接。通过可拆卸的镀金测量尖端将具有 0.7pF 输入电容的有源探针尖端直接焊接到元件焊盘上。
图 2：EVQ4323M-G-00A 开关节点测量的探头尖端位置
直方图和时间趋势
图 3 显示了 MPQ4371-AEC1 的开关节点电压（黄迹线）、fSW直方图（粉色迹线）和时间趋势（橙色迹线）。
图 3：MPQ4371-AEC1 的双扩频
用示波器测量 400μs 周期内每个触发事件的开关节点电压，并计算每个开关周期的频率。所有计算得出的频率都累积在直方图中。本次测试总时长约为10分钟。对于最后一个触发事件，测得的频率以时间趋势 fSW vs. 时间表示。
图 3 中测得的频率验证了 MPQ4371-AEC1 数据表中fSW与时间的关系。时间趋势波形确认了指定的双扩频调制频率 15kHz 和 120kHz。通过验证 IC 是否正常运行，这些频率可以概述 CISPR 25 Class 5测量的预期fSW值。
电压波形
MPQ4371-AEC1 的开关节点电压波形采用有源探头进行测量。图 4 显示了 MPQ4371-AEC1 的上升沿和下降沿，通过一次交替的上升和下降触发，两个波形叠加显示在示波器上。上升沿具有922ps的上升时间、273MHz 谐振频率的阶跃响应以及3.2V的峰峰值电压。
图 4：MPQ4371-AEC1 的开关节点电压波形
MPQ4371-AEC1 的 Quiet-FETTM 技术可以结合快速回转边缘，而不会产生过多的振铃。Quiet-FETTM 技术采用最少两步顺序开关动作来导通内部 MOSFET，不会像缓冲器或自举电阻(RBST)那样明显降低效率。
谐振频率取决于寄生热环路电感和电容。等效热环路串联电感 (ESL) 的定义如下：
- 100nF、0603 MLCC 的 ESL（约 800pH）
- 上管 MOSFET (HS-FET) 和下管 MOSFET (LS-FET) 的 ESL
- 封装引线框架的ESL
- MLCC 和 IC 的 VIN 和 PGND 引脚之间 PCB 走线的 ESL（约 700pH/mm）
此外，通过 PCB 热环路网络仿真也可以预测开关节点波形。
频域
图 5 显示了 MPQ4371-AEC1 开关节点波形的快速傅里叶变换 (FFT)。420kHz 的平均 fSW 分布在 384kHz 和 456kHz（绿色标记）之间，对应图 3 中的测量直方图。通过双扩频调制，273MHz 的开关节点谐振频率分布在 250MHz 和 300MHz（红色标记）之间，对应于图4。
图 5：MPQ4371-AEC1 测量开关节点电压的快速傅里叶变换
CISPR 25 Class 5辐射发射(RE)天线
下面分析 CISPR 25 Class 5标准中的垂直单极、双锥和对数周期天线测量。图 6 显示了峰值 CISPR 25（蓝）和平均 CISPR 25（黄）下的辐射开关电感，其中，分析仪分辨率带宽(RBW) = 9kHz，fSW = 420kHz，输入电压(VIN) = 13.5V，输出电压(VOUT) = 3.3V，负载电流(ILOAD) = 2.5A。双 FSS 调制有助于将 RE 保持在限制值以下。
图 6：MPQ4371-AEC1 的垂直单极天线测量符合 CISPR 25 Class 5标准
图 7 显示了峰值 CISPR 25（蓝）和平均 CISPR 25（黄）下的辐射对象（例如 PCB 上的线束或辐射走线），其中 RBW = 120kHz，fSW = 420kHz，VIN = 13.5V，VOUT = 3.3V 且 ILOAD = 2.5A。
图 7：MPQ4371-AEC1 的双锥天线测量符合 CISPR 25 Class 5标准
图 8 显示了在峰值 CISPR 25（蓝）和平均 CISPR 25（黄）下、250MHz 至 300MHz 之间的开关节点谐振频率（对应于图 4 和图 5），其中 RBW = 120kHz，fSW = 420kHz，VIN = 13.5V，VOUT = 3.3V 且 ILOAD = 2.5A。RE 均未超过 250MHz 至 300MHz 的谐振频率范围。
图 8：MPQ4371-AEC1 的对数周期天线测量符合 CISPR 25 Class 5标准
图 9 显示了RE内峰值 CISPR 25（蓝）、平均 CISPR 25（黄）和噪声电平（灰色）下的1.2GHz 开关节点谐振频率，其中 RBW = 120kHz，fSW = 2.2MHz，VIN = 13.5V，VOUT = 3.3V 且 ILOAD = 2.5A。
图 9：MPQ4323M-AEC1 的对数周期天线测量符合 CISPR 25 Class 5标准
MPQ4323M-AEC1 的开关节点波形
MPQ4323M-AEC1 的集成 100nF 热环路 MLCC 可降低内部寄生电感，将谐振频率移至更高值，并降低谐振幅度。在图 10 的示例中，具有快速回转的先进开关变换器与低内部寄生电感相结合，改善了开关节点波形并降低了RE。
图 10：MPQ4323M-AEC1 的开关节点波形
双层 PCB 上的开关节点示例
图 11 比较了焊接在同一个双层 PCB 上的两个不同的降压变换器。左边的曲线显示了在 双层 PCB 上采用扩频调制的 MPQ4326-AEC1，其开关节点谐振频率为 450MHz；右边的曲线显示了无FSS 调制、谐振频率为 320MHz的次优设置中的降压变换器。对这两个变换器在相同的 PCB 和相同的外部元件条件下进行了比较。
图 11：同一双层 PCB 上降压变换器的开关节点比较
由图可见，设置次优的降压变换器在上升沿（红色箭头）出现多余的谐振，这意味着 HS-FET 和 LS-FET 之间存在时序差异。这种谐振是因采用双层 PCB 而非 4 层 PCB 引起的。与 4 层 PCB 相比，双层 PCB 布局在热环路内具有更高的寄生电感，这会增加谐振幅度并改变开关节点谐振的位置。两个变换器都出现了振幅增大的现象。此外，双层PCB在顶层正下方没有重要的实心接地层，这导致其谐振幅度更大，RE也更强。
双层 PCB 上降压变换器的快速傅里叶变换 (FFT)
图 12 显示了 MPQ4326-AEC1（带FSS 调制）开关节点电压波形的 FFT；图 11 显示了采用次优设置（无FSS 调制）的降压变换器开关节点电压波形 FFT。
图 12：MPQ4326-AEC1（带 FSS 调制）和次优设置降压变换器（无FSS 调制）的开关节点电压波形快速傅里叶变换
MPQ4326-AEC1 采用了频谱扩展调制，而设置次优的降压变换器则设置了恒定的fSW。通常，FSS 调制会产生较低的基波和谐波。采用FSS 调制，还是采用恒定频率更有利，取决于具体应用需求。不过，FFT都展示出这两种方法之间的差异。
MPQ4326-AEC1 的 FFT 显示了其 450MHz 的开关节点谐振频率，而设置次优的降压变换器显示出 320MHz 的开关节点谐振频率。这些开关节点谐振频率都可以在 CISPR 25 Class 5测量中看到。
总结
本文以MPQ4323M-AEC1、MPQ4326-AEC1和MPQ4371-AEC1汽车降压变换器为例，分析了开关节点电压波形和频域之间的关系。了解开关节点波形可以预测 CISPR 25 Class 5测量的 PCB 行为。测得的谐振频率体现在 RE 测量中，可用于改进 EMC 滤波器的设计并抑制谐振频率。此外，通过了解开关节点波形，可以在早期阶段评估预期的频率范围干扰。这有助于根据应用规范找到合适的降压变换器，缩短开发时间，并通过简化 EMC 滤波器的组件选择来降低成本。要了解更多信息，请 浏览MPS 强大的 符合AEC-Q100 标准的开关变换器和控制器产品组合。
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