系統(tǒng)工程師該如何處理D類放大器的EMI問題

由于在效率上相對(duì)于AB類放大器的巨大優(yōu)勢，D類放大器的應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu) Gartner的報(bào)告，D類放大器在2006年至2011年之間的復(fù)合年成長率將達(dá)15.6%，從3.34億美元成長至6.88億美元，主要的成長動(dòng)力來自于功耗敏感及空間受限的消費(fèi)類電子產(chǎn)品。但D類放大器開關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來了高頻的EMI，如何控制好D類放大器的EMI，是系統(tǒng)工程師必須要考慮的方面。

D類放大器中EMI的產(chǎn)生

變化的電壓和電流信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電磁場輻射，形成電磁波干擾(EMI：Electro-Magnetic Interference)，這些電磁波信號(hào)會(huì)影響收音機(jī)、電視和手機(jī)等產(chǎn)品的正常工作。為了防止電子設(shè)備的EMI問題，世界各國都制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如美國的聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC：Federal Communication Commission)的認(rèn)證，目的都是限制電子產(chǎn)品的電磁波輻射。

EMI測試是在特定的電波暗室中進(jìn)行的，測量由產(chǎn)品中輻射出來的電磁波強(qiáng)度，與FCC等規(guī)范相比較，不得超過規(guī)定的最大能量。FCC規(guī)范中將產(chǎn)品按用途分為 CLASS A 、 CLASS B 兩大類， A 類為用于商務(wù)或工業(yè)用途的產(chǎn)品， B 類為用于家庭用途的產(chǎn)品， FCC 對(duì) B 類產(chǎn)品法規(guī)要求更嚴(yán)格。

圖1：FCC 規(guī)范的CLASS A和CLASS B標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)D類放大器開關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的EMI發(fā)射源：如調(diào)制的開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)的邊沿變化，電源線上變化的電流信號(hào)等都會(huì)產(chǎn)生大量的EMI，如下圖所示。

圖2：D類放大器開關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

不同的發(fā)射源對(duì)應(yīng)了不同的EMI頻譜，由于D類放大器的調(diào)制頻率一般在250kHz到1.5MHz之間，因此調(diào)制的開關(guān)信號(hào)和電源線上變化的電流信號(hào)帶來的EMI主要集中在10MHz以下的頻段;而方波的邊沿變化一般是在納秒級(jí)別的，因此它們所帶來的EMI主要集中在幾十MHz到幾GHz的高頻段。

EMI主要通過PCB的走線、通孔和揚(yáng)聲器的連線向外輻射，較大能量的EMI輻射需要一個(gè)“高效率”的天線，對(duì)不同的頻率，一個(gè)有效的天線長度是該頻率波長的四分之一(λ/4)，小于這個(gè)長度，就不能形成有效的對(duì)外輻射。對(duì)30MHz的頻率，采用一般的FR4的PCB板，天線長度需要大于 114.1cm才能形成有效的輻射。所以在手機(jī)上采用D類放大器時(shí)，在放大器輸出的PCB走線和揚(yáng)聲器連線上的方波邊沿變化是EMI的最重要來源。特別是手機(jī)應(yīng)用中所關(guān)心的一些頻段，如下表所示：基本都在100MHz以上，因此我們需要特別地關(guān)注由方波邊沿變化所引起的EMI輻射。

圖3：手機(jī)應(yīng)用中的一些頻段

對(duì)前面?zhèn)鹘y(tǒng)D類放大器的輸出波形，由傅里葉分析可知，方波納秒級(jí)的邊沿變化和高頻的振鈴會(huì)引入非常大的高頻EMI，嚴(yán)重影響FM、手機(jī)模擬電視等的接收效果，容易出現(xiàn)收聽雜音或雪花臺(tái)的情況，讓系統(tǒng)工程師頗感頭痛。