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AN221 - MPQ4323M-AEC1と3つのEMCフィルタ部品でCISPR25-5に合格する

アプリケーションノート

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概要

このアプリケーションノートでは、ステップダウンコンバータモジュールでの内部ホットループ多層セラミックコンデンサ (MLCC) のEMCの利点について説明します。MPQ4323M-AEC1はステップダウンコンバータモジュールで、外部EMCフィルタ部品3つだけでCISPR25 クラス5に合格できます。結果は、外部ホットループMLCCで動作するステップダウン・スイッチングコンバータモジュールであるMPQ4323C-AEC1と比較されます。MLCCを使用したステップダウンコンバータの利点には、EMCの向上、基板スペースの削減、開発時間の短縮などがあります。

はじめに

このアプリケーションノートでは、42Vのロードダンプ耐性、3A、低静止電流 (自己消費電流)、ホットループMLCCを搭載した同期整流ステップダウンコンバータであるMPQ4323M-AEC1の利点について紹介します。PQ4323M-AEC1の回路は、外部EMCフィルタ部品3つだけでEMC規格 CISPR25 クラス5に適合します。これは、リードフレーム上に内部100nFのホットループMLCCを使用するMPQ4323M-AEC1のパッケージング技術によって可能になりました。MPQ4323M-AEC1の機能を、外部ホットループMLCCを使用する42V負荷ダンプ耐性、3A、同期整流ステップダウンコンバータであるMPQ4323C-AEC1と比較します。

内部ホットループMLCC搭載のMPQ4323M-AEC1「M」

内部ホットループMLCCと3つのEMCフィルタ部品

図1は、0402パッケージに100nFのホットループMLCCを内蔵したMPQ4323M-AEC1のピン配置を示しています。VINピンとPGNDピンは、スイッチングMOSFETの近くのリードフレームに配置され、MLCCとMOSFET間の接続を可能な限り短くします。

MPQ4323M-AEC1

図1: 内部ホットループMLCC搭載のMPQ4323M-AEC1

ホットループMLCCは高周波電流を運びます。MLCCとMOSFET間の寄生インダクタンスにより、通常スパイクと呼ばれる不要な高周波電圧が発生します。スパイクは、ICとパッケージに応じて、200MHzから1GHzの間の共振周波数正弦波です。MLCCとMOSFET間の距離が短いと、寄生インダクタンスが減少し、共振振幅が減少します。

放射エミッション (RE) は、以下に示す2つの主な要因により、MLCCとMOSFET間の距離を短くすることで最小限に抑えることができます:

  1. 寄生インダクタンスが低くなると共振振幅が減少し、スパイクが小さくなります。
  2. 配線の長さが短くなると、配線がアンテナとして放射する能力を減らします。

これら2つの要素を組み合わせることで、MPQ4323M-AEC1のEMCの恩恵を受けられます。

図2は、3つの外部EMCフィルタ部品のみを使用してCISPR25 クラス5に合格するMPQ4323M-AEC1の回路図を示しています。

3つのEMCフィルタ

図2: 3つのEMCフィルタ部品をもつMPQ4323M-AEC1

MPQ4323M-AEC1の3つのEMC部品の放射

MPQ4323M-AEC1は、わずか3つの外部EMC部品でCISPR25 クラス5に合格できるため、標準的なステップダウンコンバータと比較してBOMが大幅に削減されます。

3つのEMC部品をもつMPQ4323M-AEC1「M」の伝導エミッション

図3は、2.2MHzでの基本スイッチング周波数 (fSW) の伝導エミッション (CE) とそれに対応する高調波を示しています。FMラジオ帯域は放射が少なく、限界まで大きな余裕があります。灰色の曲線は、MPQ4323M-AEC1の電源がオフで放射線がないときのテスト機器のノイズレベルです。

MPQ4323M-AEC1のグランド測定

図3: 3つのEMC部品をもつMPQ4323M-AEC1のグランド測定

図4は、グランドCE測定など、電源ライン上のCEを示しています。150kHzの最低周波数を通過させる能力は、低周波EMCフィルタ、C13およびC9、および2.2µHインダクタンス (L2) によって決まります。通常、この回路のC9を10µFに減らしてBOM費用を削減するために、22µFの静電容量が使用されます。

図4: 3つのEMC部品をもつMPQ4323M-AEC1のCE電源測定

3つのEMC部品をもつMPQ4323M-AEC1「M」のモノポール放射エミッション

図5は、限界線から十分な距離を保ったグランドプレーンアンテナを使用したモノポールRE測定を示しています。モノポール測定はスイッチングインダクタンスによって歪曲されることがよくあります。

図5: 3つのEMC部品付きのMPQ4323M-AEC1のモノポールRE測定

EMCフィルタインダクタンス (L2) は高さ1.5mmのフラットパッケージになっています。垂直方向のエネルギー放射が少ないため、フラットパッケージが推奨されます。スイッチングインダクタ (L1) のパッケージ高さは2.5mmです。可能であれば、垂直モノポールRE測定に合格するために、インダクタのフラットパッケージを選択することもお勧めします。

3つのEMC部品付きMPQ4323M-AEC1「M」のバイコニカル放射エミッション

図6は水平REバイコニカルアンテナの測定を示しています。アンテナの偏波は、アンテナと平行に水平に平らに配置された2メートルの電源ハーネスからのREに敏感です。この2メートルのハーネスは、90MHzと160MHzで代表的な共振を起こします。両方のピークのハーネスの長さを増減すると、周波数が変わります。ハーネスの自己共振は、テスト対象デバイス (DUT) から生成される小さなノイズ信号によって刺激される可能性があります。

水平REバイコニカルアンテナ測定

図6: 3つのEMC部品付きMPQ4323M-AEC1の水平REバイコニカルアンテナ測定

図7は、垂直REバイコニカルアンテナの測定を示しています。垂直アンテナの偏波は、ハーネスで生成されるREの影響を受けません。

垂直REバイコニカルアンテナ測定

図7: 3つのEMC部品付きMPQ4323M-AEC1の垂直REバイコニカルアンテナ測定

3つのEMC部品付きMPQ4323M-AEC1「M」の対数周期放射エミッション

図8は860MHzでのREピークを示しています。スイッチノードは、EMCフィルタネットワークとホットループ内のREに刺激を与えます。MPQ4323M-AEC1は860MHzで共振して応答します。EMCフィルタ部品を追加すると、この860MHzのピークを低減できます。

水平RE対数周期測定

図8: 3つのEMC部品付きMPQ4323M-AEC1の水平RE対数周期測定

図9は、制限値を下回る800MHzでのREピークを示しています。

垂直RE対数周期測定

図9: 3つのEMC部品に対するMPQ4323M-AEC1の垂直RE対数周期測定

3つのEMC部品に対するMPQ4323M-AEC1「M」のホーン放射エミッション

図10は水平偏波ホーンアンテナによるRE測定を示しています。

ホーン水平RE測定

図10: 3つのEMC部品に対するMPQ4323M-AEC1のホーン水平RE測定

図11は、テスト機器のノイズフロアの灰色の曲線に沿った垂直偏波ホーンアンテナによるRE測定を示しています。

ホーン垂直RE測定

図11: 3つのEMC部品に対するMPQ4323M-AEC1のホーン垂直RE測定

外部ホットループMLCCをもつMPQ4323C-AEC1「C」

MPQ4323C-AEC1は MPQ4323M-AEC1と同じシリコンをもっていますが、外部の100nFホットループMLCCを使用します。MPQ4323M-AEC1のQFN-12L (3.5mm x 3.5mm) パッケージと比較して、MPQ4323C-AEC1は3つの異なるパッケージで提供されます。

MPQ4323C-AEC1は、CISPR25 クラス5に準拠し、3つの外部EMC部品で動作するMPQ4323M-AEC1と同等のパフォーマンスを実現するために、7つの外部EMC部品を必要とします。

図12は、図2のMPQ4323M-AEC1回路と同じ条件下で7つのEMC部品をもつMPQ4323C-AEC1を示しています。

7個のEMC部品をもつMPQ4323C-AEC1

図12: 7個のEMC部品をもつMPQ4323C-AEC1

3つのEMC部品を備えた「M」と7つのEMC部品をもつ「C」の比較

このセクションでは、7つのEMC部品付きの標準のMPQ4323C-AEC1「C」と比較した、3つのEMC部品付きMPQ4323M-AEC1「M」の利点を示します。

3つのEMC部品付き「M」 対 7つの部品付き「C」の放射エミッション

図13は、3つのEMC部品付きのPQ4232M-AEC1の水平対数周期RE測定を示しています。

水平対数周期RE測定

図13: 3つのEMC部品に対するMPQ4323M-AEC1の水平対数周期RE測定

図14は、7つのEMC部品を備えたMPQ4323C-AEC1の水平対数周期RE測定を示しています。

水平対数周期RE測定

図14: 7つのEMC部品に対するMPQ4323C-AEC1の水平対数周期RE測定

図13と図14のMPQ4232M-AEC1とMPQ4323C-AEC1の直接比較で、振幅はそれぞれ限界に近づいています。3つのEMC部品付きのMPQ4323M-AEC1「M」は、7つのEMC部品付きの標準のMPQ4323C-AEC1「C」よりも優れたパフォーマンスを発揮します。

REを600MHzから900MHzに下げるには、MPQ4232M-AEC1とMPQ4323C-AEC1の両方の設計でフェライトビーズを使用できます。ただし、最小限の部品を使用してCISPR25 クラス5を満たすという目標を達成するには、MPQ4323C-AEC1と比較してMPQ4323M-AEC1を使用する方が簡単です。

MPQ4323M-AEC1の利点

CISPR25 クラス25を満たすために、MPQ4232M-AEC1には外付けの1µF MLCC、2.2µHインダクタ、10µF電解コンデンサのみで済みます。MPQ4323C-AEC1と比較して、MPQ4232M-AEC1の利点には、ボードスペースの削減、より簡単なレイアウト、EMC合格に向けた開発の高速化、高周波数幅でのEMCパフォーマンスの向上などが挙げられます。

10個のEMC部品付き「M」と10個のEMC部品付き「C」の比較

図15 は、10個のEMC部品とフェライトビーズをもつMPQ4323C-AEC1およびMPQ4323M-AEC1のCE電源を示しています。これらの評価ボードは、CISPR25 クラス5制限に対して大きな余裕があります。

MPQ4323C-AEC1 (左) とMPQ4323M-AEC1 (右)

図15: 10個のEMC部品に対するMPQ4323C-AEC1 (左) とMPQ4323M-AEC1 (右) のCE電源測定

図16は、10個のEMC部品とフェライトビーズをもつMPQ4323C-AEC1とMPQ4323M-AEC1のモノポールREを示しています。ここでfSW高調波は低くなっています。

図16: 10個のEMC部品に対するMPQ4323C-AEC1 (左) とMPQ4323M-AEC1 (右) のモノポールRE測定

図17は、10個のEMC部品とフェライトビーズをもつMPQ4323C-AEC1およびMPQ4323M-AEC1の水平バイコニカルREを示しています。測定値は、2メートルのハーネスのケーブル共振を示しています。

図17: 10個のEMC部品に対するMPQ4323C-AEC1 (左) とMPQ4323M-AEC1 (右) の水平バイコニカルRE測定

図18は、10個のEMC部品とフェライトビーズをもつMPQ4323C-AEC1および MPQ4323M-AEC1の垂直バイコニカルREを示しています。ハーネスの共振は、アンテナの垂直偏波により減衰します。

図18: 10個のEMC部品に対するMPQ4323C-AEC1 (左) とMPQ4323M-AEC1 (右) の垂直バイコニカルRE測定

図19は、10個のEMC部品とフェライトビーズをもつMPQ4323C-AEC1とMPQ4323M-AEC1の水平対数周期REを示しています。MPQ4323M-AEC1はMPQ4323C-AEC1よりも大幅に優れています。

図19: 10個のEMC部品に対するMPQ4323C-AEC1 (左) とMPQ4323M-AEC1 (右) の水平対数周期RE測定

図20は、10個のEMC部品とフェライトビーズをもつMPQ4323C-AEC1およびMPQ4323M-AEC1の垂直ログ周期REを示しています。

図20: 10個のEMC部品に対するMPQ4323C-AEC1 (左) とMPQ4323M-AEC1 (右) の垂直ログ周期RE測定

MPQ4323M-AEC1の高度なEMCパフォーマンス

図21は、理想的な方形波の電圧に近いMPQ4323M-AEC1のスイッチノード波形を示しています。

図21: MPQ4323M-AEC1のスイッチノード波形

スイッチノード共振周波数は低い振幅をもち、約1GHzです。振幅が低いということは、REが低いことを意味します。リンギング時間が短いため、アンテナの放射能力は低くなります。

図22に MPQ4323C-AEC1のスイッチノード波形を示します。

図22: MPQ4323C-AEC1 のスイッチノード波形

ホットループMLCCとMOSFET間の電気接続が長くなります。これにより寄生インダクタンスが大きくなり、振幅共振が大きくなります。リンギング時間が長くなると、アンテナとしての放射能力が向上します。

MPQ4323M-AEC1「M」および標準MPQ4323C-AEC1「C」のVIN DC電圧波形

図23はMPQ4323M-AEC1のVIN波形を示しています。適用されるVIN DC電圧には共振振幅がほとんどなく、目に見えるスパイクはありません。これは、内部ホットループMLCCを備えたコンバータモジュールの主な利点です。

図23: MPQ4323M-AEC1のVIN DC波形 (ピン2とピン10)

図24はMPQ4323C-AEC1のVIN波形を示しています。VIN DC電圧は スイッチノードで発生する共振と重ね合わさります。スパイクは、スパイクの周波数を放射するアンテナとして機能するPCBトレース、ホットループMLCC、およびVINピンに対する刺激です。青色のESL配線は、ステップダウンコンバータモジュール上の強力な放射配線です。モジュールでは、青色のESL配線は、標準のステップダウンコンバータモジュールに比べてノイズが少なくなります。

図24: MPQ4323C-AEC1のVIN DC波形 (ピン2とピン10)

MPQ4323M-AEC1「M」および標準MPQ4323C-AEC1「C」のVIN AC 電圧波形

図25はスパイク共振振幅が低いMPQ4323M-AEC1のAC VIN波形を示しています。EMCフィルタは大きな共振振幅を減衰する必要がないため、これは重要な利点です。

図25: MPQ4323M-AEC1のVIN AC波形 (ピン2とピン10)

図26は、大きなスパイク共振振幅をもつMPQ4323C-AEC1ボードのAC VIN波形を示しています。EMCフィルタは、REがPCBの配線やハーネスに侵入するのを防ぐために、この共振の振幅を減衰させる必要があります。

図26: MPQ4323C-AEC1のVIN AC波形 (ピン2とピン10)

結論

2つの内部ホットループMLCCを備えたモジュールでは、部品数がコンデンサ2つ分だけ減るという一般的な認識は誤りです。このアプリケーションノートの例では、コンデンサの数が減り、BOMから削除できるMLCCが少なくとも4個になることを示しました。MPQ4323M-AEC1は、従来のステップダウンコンバータと比較して優れたEMC性能を実現します。

非常に短い内部ホットループ接続をリードフレーム上に直接備えたコンバータモジュールの利点は重要です。図23と図24のDC波形の比較、および図25と図26のAC波形の比較は、短いホットループ接続の利点を強調しています。図20のRE比較は、内部ホットループMLCCの利点をさらに示しています。

このアプリケーションノートでは、多くの外付けEMC部品を使用して補償することが難しい、短い内部ホットループ配線を使用した低EMC放射の利点について説明しました。

追加資料

EMCアプリケーションに関する追加サポートについては、MPSのFAEにお問い合わせください。MPSは米国、ドイツ、中国にもEMCラボを所有しています。MPSの広範な車載ソリューションをご覧ください。

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