如何降低D類音頻應(yīng)用中的電磁干擾

隨著便攜式電池供電設(shè)備的工作時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，D類放大器憑借先天的效率優(yōu)勢(shì)，受到重視的程度與日俱增。如今，大部分D類系統(tǒng)的工作效率都在80%以上，以往開(kāi)發(fā)人員必須犧牲音頻性能和增加電路板的空間和系統(tǒng)成本，才能提高效率。所幸，最新的D類技術(shù)已克服了這些架構(gòu)的缺點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了解決方案的成本。

對(duì)于D類放大器來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的問(wèn)題包括：濾波器的大小、電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和不良的總諧波失真+噪聲(THD+N)。新架構(gòu)采用揚(yáng)聲器本身的電感特性，從PWM方波輸出中抽取音頻成份，從而省去了用于音頻的輸出濾波器，但移除濾波器后的拓?fù)溆謺?huì)導(dǎo)致更多的電磁干擾。最新開(kāi)發(fā)出的器件在不犧牲效率的前提下，可將EMI降至最低并改善THD+N的性能。

EMI對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)很重要，它可干擾系統(tǒng)內(nèi)的IC器件和其他的電子設(shè)備。此外，工程人員還需面對(duì)一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，即要符合有關(guān)EMI限制標(biāo)準(zhǔn)，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽車(chē)系統(tǒng)專用標(biāo)準(zhǔn)等。第一個(gè)由半導(dǎo)體供應(yīng)商推行的EMI抑制功能是擴(kuò)展頻譜調(diào)制。擴(kuò)展頻譜調(diào)制與傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)不同，其輸出橋路的開(kāi)關(guān)頻率只會(huì)在中心頻率附近的頻帶內(nèi)變化。雖然每個(gè)器件有不同的中心頻率、頻率擴(kuò)展和頻率變化方法，但只要頻率的變化是隨機(jī)的，則峰值輻射能量便可被降低。這是由于電磁能量?jī)A向散布在較寬闊的頻帶內(nèi)，所以總高頻能量會(huì)如同一個(gè)固定頻率器件一樣保持不變，但在頻帶內(nèi)任何一點(diǎn)頻率上的噪聲均可被降低。圖1比較了一個(gè)固定頻率器件和一個(gè)擴(kuò)展頻譜器件的近場(chǎng)EMI測(cè)量結(jié)果。正如圖中的紅色線表示，峰值能量被減少。如果實(shí)現(xiàn)的方法正確，那擴(kuò)展頻譜可以作為一個(gè)非常有效的方案，因?yàn)樗粫?huì)對(duì)效率和THD造成任何不良的影響。這種技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用在例如LM4675、LM48410和LM48520之類的器件上。

圖1. D類系統(tǒng)的 近場(chǎng)EMI測(cè)量結(jié)果。從紅色的虛線可看出左邊的固定頻率時(shí)鐘方案和右邊的擴(kuò)展頻譜調(diào)制之間的分別。

為了進(jìn)一步降低器件的EMI輻射，半導(dǎo)體制造商推行了邊沿速率控制(ERC)。D類輸出的高頻能量被包含在方波輸出的邊沿。輸出的上升和下降時(shí)間越快，則邊沿所包含的高頻能量就越多。因此，假如輸出過(guò)渡時(shí)間可以被減少，那么便可繼而削減由系統(tǒng)發(fā)出來(lái)的高頻能量。

不過(guò)，減少過(guò)渡時(shí)間也可能對(duì)D類放大器的性能帶來(lái)不好的影響。隨著花在狀態(tài)之間有效區(qū)域的時(shí)間越長(zhǎng)，輸出器件便會(huì)耗散更多的功率，從而使效率下降。此外，更短的上升和下降時(shí)間也會(huì)使PWM信號(hào)偏離完美的方波，導(dǎo)致在重生的音頻信號(hào)中產(chǎn)生誤差并增加THD+N。

圖2. LM48310的EMI測(cè)試結(jié)果符合FCC B級(jí)限制水平。

雖然邊沿速率控制有可能對(duì)D類放大器的性能構(gòu)成威脅，但它在降低EMI上的表現(xiàn)卻使設(shè)計(jì)人員欲罷不能，從而令ERC技術(shù)不斷改進(jìn)。只要實(shí)現(xiàn)的方法正確，那便可將效率損失和增加THD+N的不良作用減到最低。其中一個(gè)很好的例子是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NSC, National semiconductor corporation)的LM48310(單聲道)和LM48411(多聲道)D類放大器。

以上兩款器件均采用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體專利的增強(qiáng)型放射抑制(E2S)系統(tǒng)。該E2S系統(tǒng)可通過(guò)減緩部分邊沿輸出過(guò)渡時(shí)間來(lái)改善效率。通過(guò)此方法，不單EMI可被降至最低，甚至連功耗都可降低至非ERC的D類放大器水平。至于由ERC引致的PWM音頻信號(hào)誤差則可通過(guò)內(nèi)部反饋環(huán)路進(jìn)行修正，以減少THD+N并改善音頻品質(zhì)。

圖3. 沒(méi)有邊沿速率控制的擴(kuò)展頻譜D類放大器。器件在EMI測(cè)試中，在沒(méi)有使用任何濾波器的情況下驅(qū)動(dòng)20英寸長(zhǎng)的揚(yáng)聲器電纜，其結(jié)果符合FCC B級(jí)的EMI限制。

圖2表示出LM48310的EMI性能。LM48310在完全未經(jīng)濾波的情況下通過(guò)了FCC的B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并用一條12英寸長(zhǎng)的無(wú)掩蔽雙絞線來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)揚(yáng)聲器。 圖3表示出純擴(kuò)展頻譜器件在同一測(cè)試中的結(jié)果。正如圖中所示，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的E2S D類放大器可達(dá)到極低的EMI水平，同時(shí)可保持優(yōu)越的音頻性能。

圖4. LM48310示范板的絲網(wǎng)印刷圖。

D類技術(shù)的最新發(fā)展顯著減低了由D類放大器放射出來(lái)的EMI，但至于在射頻(RF)干擾方面，適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒逶O(shè)計(jì)同樣可大大降低放射量。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)浩瀚的課題，而相關(guān)的文章也多如恒河沙數(shù)，但在這里仍值得討論一下有關(guān)降低噪聲和EMI的基本方法。首先，將帶有開(kāi)關(guān)信號(hào)的跡線隔離，從而可有效減少耦合到電路敏感部分的噪聲。這個(gè)方法不單可加強(qiáng)音頻性能，而且還可將產(chǎn)生寄生天線的機(jī)會(huì)降到最低。此外，也需要將模擬輸入、模擬電源(供電給輸入緩沖器、控制和其他敏感電路)和它們相關(guān)的旁路電容器從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)隔離，這包括器件輸出、輸出橋路電源和任何與這些節(jié)點(diǎn)相關(guān)的外部元件。

圖5. LM48310示范板的頂層。

然而，不少D類放大器均擁有多個(gè)電源和接地，一個(gè)用在低噪聲和輸入電路，而另一個(gè)則用在較大電流和帶噪聲的輸出級(jí)。假如個(gè)別電源和接地間的電位差太大，那器件便不能正常運(yùn)行?？墒?，當(dāng)器件在隔離印刷電路板的噪聲區(qū)和寧?kù)o區(qū)運(yùn)行時(shí)，要確保器件保持正常的電位差是一件非常艱巨的任務(wù)。圖6所示為如何在隔離信號(hào)與功率接地的同時(shí)為器件保持統(tǒng)一的電位。由于所有的個(gè)別接地節(jié)點(diǎn)都連接到同一個(gè)覆銅(cupper pour)，該布局與星形接地的連接方式類似，使這些點(diǎn)上的接地電位保持一致。不過(guò)，嘈雜接地與無(wú)噪聲接地本身是分隔開(kāi)的，只有在接地進(jìn)入電路板時(shí)才會(huì)連接在一起。這種方法可防止器件所產(chǎn)生出的噪聲污染無(wú)噪聲接地。圖7所示相同的原理應(yīng)用到VDD層上。電路板的左半邊包括模擬音頻輸入、VDD和輸入耦合電容器C1和C2。電路板的右半邊包括輸出、PVDD (H橋電源)和旁路電容器C3。

圖6. LM48310示范板的接地層。

VDD層和接地層只有在電源或接地進(jìn)入電路板時(shí)才會(huì)連接在一起。從這點(diǎn)上兩個(gè)層面會(huì)分離，而寧?kù)o節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)隔離。這種技術(shù)可有效防止開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入寧?kù)o區(qū)，以免影響性能或增加EMI。

圖7. LM48310示范板的Vdd層。

基于其高效率的特性，D類放大器己成為便攜和功耗敏感應(yīng)用的最佳音頻放大器選擇。在音頻質(zhì)量和EMI性能方面的改進(jìn)方面，使用D類放大器使得設(shè)計(jì)的工作變得更簡(jiǎn)易。再者，較寬松的PCB布線技術(shù)和比較少的外部元件都可將設(shè)計(jì)周期縮短，并縮小系統(tǒng)尺寸和降低成本，在不影響音質(zhì)的前提下延長(zhǎng)便攜產(chǎn)品的電池壽命。