如何降低D類音頻應用中的電磁干擾

關鍵詞： 電磁干擾 , 音頻 , 應用

隨著便攜式電池供電設備的工作時間越來越長，D類放大器憑借先天的效率優(yōu)勢，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類技術已克服了這些架構的缺點，同時簡化了系統(tǒng)設計，降低了解決方案的成本。對于D類放大器來說，常見的問題包括：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)。新架構采用揚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撲又會導致更多的電磁干擾。最新開發(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對于設計人員來說很重要，它可干擾系統(tǒng)內的IC器件和其他的電子設備。此外，工程人員還需面對一項艱巨的挑戰(zhàn)，即要符合有關EMI限制標準，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽車系統(tǒng)專用標準等。第一個由半導體供應商推行的EMI抑制功能是擴展頻譜調制。擴展頻譜調制與傳統(tǒng)的脈沖寬度調制(PWM)不同，其輸出橋路的開關頻率只會在中心頻率附近的頻帶內變化。雖然每個器件有不同的中心頻率、頻率擴展和頻率變化方法，但只要頻率的變化是隨機的，則峰值輻射能量便可被降低。這是由于電磁能量傾向散布在較寬闊的頻帶內，所以總高頻能量會如同一個固定頻率器件一樣保持不變，但在頻帶內任何一點頻率上的噪聲均可被降低。圖1比較了一個固定頻率器件和一個擴展頻譜器件的近場EMI測量結果。正如圖中的紅色線表示，峰值能量被減少。如果實現(xiàn)的方法正確，那擴展頻譜可以作為一個非常有效的方案，因為它不會對效率和THD造成任何不良的影響。這種技術現(xiàn)已應用在例如LM4675、LM48410和LM48520之類的器件上。

圖1. D類系統(tǒng)的 近場EMI測量結果。從紅色的虛線可看出左邊的固定頻率時鐘方案和右邊的擴展頻譜調制之間的分別。

為了進一步降低器件的EMI輻射，半導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間越快，則邊沿所包含的高頻能量就越多。因此，假如輸出過渡時間可以被減少，那么便可繼而削減由系統(tǒng)發(fā)出來的高頻能量。
不過，減少過渡時間也可能對D類放大器的性能帶來不好的影響。隨著花在狀態(tài)之間有效區(qū)域的時間越長，輸出器件便會耗散更多的功率，從而使效率下降。此外，更短的上升和下降時間也會使PWM信號偏離完美的方波，導致在重生的音頻信號中產生誤差并增加THD+N。

圖2. LM48310的EMI測試結果符合FCC  B級限制水平。

雖然邊沿速率控制有可能對D類放大器的性能構成威脅，但它在降低EMI上的表現(xiàn)卻使設計人員欲罷不能，從而令ERC技術不斷改進。只要實現(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。其中一個很好的例子是美國國家半導體(NSC, National semiconductorcorporation)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國家半導體專利的增強型放射抑制(E2S)系統(tǒng)。該E2S系統(tǒng)可通過減緩部分邊沿輸出過渡時間來改善效率。通過此方法，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音頻信號誤差則可通過內部反饋環(huán)路進行修正，以減少THD+N并改善音頻品質。

圖3. 沒有邊沿速率控制的擴展頻譜D類放大器。器件在EMI測試中，在沒有使用任何濾波器的情況下驅動20英寸長的揚聲器電纜，其結果符合FCC B級的EMI限制。

圖2表示出LM48310的EMI性能。LM48310在完全未經濾波的情況下通過了FCC的B級標準，并用一條12英寸長的無掩蔽雙絞線來驅動一個揚聲器。 圖3表示出純擴展頻譜器件在同一測試中的結果。正如圖中所示，美國國家半導體的E2SD類放大器可達到極低的EMI水平，同時可保持優(yōu)越的音頻性能。

圖4. LM48310示范板的絲網(wǎng)印刷圖。

D類技術的最新發(fā)展顯著減低了由D類放大器放射出來的EMI，但至于在射頻(RF)干擾方面，適當?shù)挠∷㈦娐钒逶O計同樣可大大降低放射量。毫無疑問，這是一個浩瀚的課題，而相關的文章也多如恒河沙數(shù)，但在這里仍值得討論一下有關降低噪聲和EMI的基本方法。首先，將帶有開關信號的跡線隔離，從而可有效減少耦合到電路敏感部分的噪聲。這個方法不單可加強音頻性能，而且還可將產生寄生天線的機會降到最低。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)和它們相關的旁路電容器從開關節(jié)點隔離，這包括器件輸出、輸出橋路電源和任何與這些節(jié)點相關的外部元件。

圖5. LM48310示范板的頂層。

然而，不少D類放大器均擁有多個電源和接地，一個用在低噪聲和輸入電路，而另一個則用在較大電流和帶噪聲的輸出級。假如個別電源和接地間的電位差太大，那器件便不能正常運行。可是，當器件在隔離印刷電路板的噪聲區(qū)和寧靜區(qū)運行時，要確保器件保持正常的電位差是一件非常艱巨的任務。圖6所示為如何在隔離信號與功率接地的同時為器件保持統(tǒng)一的電位。由于所有的個別接地節(jié)點都連接到同一個覆銅(cupperpour)，該布局與星形接地的連接方式類似，使這些點上的接地電位保持一致。不過，嘈雜接地與無噪聲接地本身是分隔開的，只有在接地進入電路板時才會連接在一起。這種方法可防止器件所產生出的噪聲污染無噪聲接地。圖7所示相同的原理應用到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入電路板時才會連接在一起。從這點上兩個層面會分離，而寧靜節(jié)點會持續(xù)與開關節(jié)點隔離。這種技術可有效防止開關噪聲進入寧靜區(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用的最佳音頻放大器選擇。在音頻質量和EMI性能方面的改進方面，使用D類放大器使得設計的工作變得更簡易。再者，較寬松的PCB布線技術和比較少的外部元件都可將設計周期縮短，并縮小系統(tǒng)尺寸和降低成本，在不影響音質的前提下延長便攜產品的電池壽命。