一種如何提升D類放大器的EMI性能的方法

放大器" target="_blank">D類放大器以其超高的效率吸引著廣大設(shè)計(jì)工程師的青睞，從而在電池供電的各種電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，只要在系統(tǒng)中采用D類放大器，設(shè)計(jì)師們可能都必須在以下幾個(gè)方面采取折衷，主要包括EMI干擾，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，以及需要較多的外部元器件而導(dǎo)致的成本過(guò)高等問題。

對(duì)于EMI問題，這是由于D類放大器的開關(guān)特性所導(dǎo)致的固有特性。對(duì)于不同的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可能對(duì)EMI性能的需求是不一樣的。在許多應(yīng)用中這是一個(gè)極為關(guān)鍵的指標(biāo)。針對(duì)這一問題，器件提供商一直都在尋求解決方案。在第十四屆國(guó)際集成電路研討會(huì)暨展覽會(huì)深圳站春季展上，IC巨頭Maxim公司展出了一系列超低EMI干擾的新型D類放大器。

該系列器件之所以能夠取得極好的EMI性能，主要在于我們采取了3項(xiàng)專利技術(shù)，他們分別是特殊的調(diào)制拓?fù)浞桨?、擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和有源輻射限制技術(shù)，該公司的多媒體業(yè)務(wù)部門的音訊產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Roderick Hogan介紹道。

調(diào)制拓?fù)?

在傳統(tǒng)的D類放大器中，采用的是PWM調(diào)制技術(shù)，這種技術(shù)以高效率著稱，但問題是其內(nèi)在的高速開關(guān)特性，產(chǎn)生了大量的EMI干擾，即便是采用非?？季康臑V波器來(lái)濾除這些干擾，也無(wú)法滿足足夠的EMI性能，還有一個(gè)問題就是較差的音質(zhì)問題。

為了改善這個(gè)問題，Maxim采用了全新的調(diào)制拓?fù)浞桨?，這種調(diào)制方案中省去了包含體積頗大的電感器的濾波器，稱作為無(wú)濾波調(diào)制技術(shù)，該公司的MAX9700系列就屬于這類器件。其調(diào)制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1： MAX9700無(wú)濾波D類放大器的調(diào)制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)Roderick Hogan的介紹，在這種調(diào)制結(jié)構(gòu)中，比較器基準(zhǔn)采用鋸齒波，與音頻輸入進(jìn)行比較。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用雙半橋?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋中都有自己的比較調(diào)制器和放大器，這種設(shè)計(jì)使得兩個(gè)輸出同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間最短。從而保證了很低的功耗，特別是由于雙半橋的采用，利用同芯片的一致性，實(shí)現(xiàn)了完美的對(duì)稱差分結(jié)構(gòu)，使得共模干擾信號(hào)得到較好的抵消，徹底省去了外部的LC地通濾波器，降低EMI干擾的同時(shí)，還保證了低功耗和高音質(zhì)。

擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)

在Maxim的新型D類放大器中， 還采用了另一項(xiàng)專利技術(shù)，即擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)中對(duì)放大器的開關(guān)頻率進(jìn)行隨機(jī)擴(kuò)頻調(diào)制。擴(kuò)頻后并不影響音頻信息，而是將音頻能量擴(kuò)展到更寬的頻譜上，而并非像擴(kuò)展前那樣，只是集中在開關(guān)頻率及其各次諧波上。通過(guò)擴(kuò)頻，降低了輸出端上的高頻能量，從而大幅提升了EMI性能?！皩?shí)際上，擴(kuò)頻系數(shù)并不需要太高，根據(jù)我們的試驗(yàn)，±6%是最佳值”，Roderick Hogan介紹說(shuō)。圖2和圖3顯示了擴(kuò)頻前后的實(shí)際效果對(duì)比。圖中可以看出，通過(guò)擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的3次諧波就已經(jīng)降到了基底噪聲中了。

圖2：擴(kuò)頻前的開關(guān)頻率及其諧波分布特性

圖3：擴(kuò)頻后的開關(guān)頻率及其諧波分布特性

有源輻射限制

在Maxim的D類音頻放大器中，除了采用上述兩種專利技術(shù)外，還采用了有源噪聲限制技術(shù)。有源輻射限制指的是，通過(guò)有源輻射限制電路設(shè)置放大器的最小脈寬，再結(jié)合交叉切換、上升/下降時(shí)間以及時(shí)鐘頻率的控制，則可以將工作過(guò)程中產(chǎn)生的功率譜限制在一個(gè)指定的輸出功率電平以下。這樣做的目的就是將頻譜降低到某一水平，使得設(shè)備在無(wú)任何外部濾波以及接有較長(zhǎng)的外部揚(yáng)聲器連線的情況下，其EMI特性仍能滿足輻射限制要求。

實(shí)際上，采用有源輻射限制的意圖也是圍繞著降低EMI干擾的。因?yàn)楫?dāng)輸出功率較高時(shí)，即便是只有幾英寸的喇叭連線，其作用就像一根天線，輻射出很高的能量，從而嚴(yán)重威脅著EMI性能。此時(shí)，簡(jiǎn)單地通過(guò)改變時(shí)鐘頻率已經(jīng)不太有效，而是需要改變放大器自身的PWM波形。這就是為什么Maxim的D類放大器(如MAX9705)不采用脈沖波而是采用鋸齒波的真正原因，Roderick Hogan介紹說(shuō)。

基于我們上述幾種專利的特殊技術(shù)，保證了我們的D類放大器的獨(dú)特EMI性能，允許的引線長(zhǎng)度可以長(zhǎng)達(dá)20多英寸，工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有很好的選擇靈活性。但Roderick Hogan也特別提醒道，設(shè)計(jì)師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍需注意的是要適度注意揚(yáng)聲器的電纜長(zhǎng)度選擇，因?yàn)樵谟行┫到y(tǒng)中，過(guò)長(zhǎng)的電纜引起的EMI輻射還是不容小覷的。