如何降低D类功放音频应用中的电磁干扰

前言：
            由于D类功率放大器效率极高(90%左右)，在理想情况下可达100%，现在越来越受到市场与工程师们青睐。但是不可避免的，面对D类功率放大器的EMI问题也越来越严峻。


中心议题：
D类音频应用中的电磁干扰

解决方案：
通过减缓部分边沿输出过渡时间来改善效率
           适当的印刷电路板设计可大大降低放射量

随着便携式电池供电设备的工作时间越来越长，D类放大器凭借先天的效率优势，受到重视的程度与日俱增。如今，大部分D类系统的工作效率都在80%以上，以往开发人员必须牺牲音频性能和增加电路板的空间和系统成本，才能提高效率。所幸，最新的D类技术已克服了这些架构的缺点，同时简化了系统设计，降低了解决方案的成本。

对于D类放大器来说，常见的问题包括：滤波器的大小、电磁干扰(EMI)、射频干扰(RFI)和不良的总谐波失真+噪声(THD+N)。新架构采用扬声器本身的电感特性，从PWM方波输出中抽取音频成份，从而省去了用于音频的输出滤波器，但移除滤波器后的拓扑又会导致更多的电磁干扰。最新开发出的器件在不牺牲效率的前提下，可将EMI降至最低并改善THD+N的性能。

EMI对于设计人员来说很重要，它可干扰系统内的IC器件和其他的电子设备。此外，工程人员还需面对一项艰巨的挑战，即要符合有关EMI限制标准，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽车系统专用标准等。第一个由半导体供应商推行的EMI抑制功能是扩展频谱调制。扩展频谱调制与传统的脉冲宽度调制(PWM)不同，其输出桥路的开关频率只会在中心频率附近的频带内变化。

虽然每个器件有不同的中心频率、频率扩展和频率变化方法，但只要频率的变化是随机的，则峰值辐射能量便可被降低。这是由于电磁能量倾向散布在较宽阔的频带内，所以总高频能量会如同一个固定频率器件一样保持不变，但在频带内任何一点频率上的噪声均可被降低。图1比较了一个固定频率器件和一个扩展频谱器件的近场EMI测量结果。正如图中的红色线表示，峰值能量被减少。如果实现的方法正确，那扩展频谱可以作为一个非常有效的方案，因为它不会对效率和THD造成任何不良的影响。这种技术现已应用在例如LM4675、LM48410和LM48520之类的器件上。


图1.D类系统的近场EMI测量结果。从红色的虚线可看出左边的固定频率时钟方案和右边的扩展频谱调制之间的分别。

为了进一步降低器件的EMI辐射，半导体制造商推行了边沿速率控制(ERC)。D类输出的高频能量被包含在方波输出的边沿。输出的上升和下降时间越快，则边沿所包含的高频能量就越多。因此，假如输出过渡时间可以被减少，那么便可继而削减由系统发出来的高频能量。

不过，减少过渡时间也可能对D类放大器的性能带来不好的影响。随着花在状态之间有效区域的时间越长，输出器件便会耗散更多的功率，从而使效率下降。此外，更短的上升和下降时间也会使PWM信号偏离完美的方波，导致在重生的音频信号中产生误差并增加THD+N。


图2.LM48310的EMI测试结果符合FCCB级限制水平。

虽然边沿速率控制有可能对D类放大器的性能构成威胁，但它在降低EMI上的表现却使设计人员欲罢不能，从而令ERC技术不断改进。只要实现的方法正确，那便可将效率损失和增加THD+N的不良作用减到最低。其中一个很好的例子是美国国家半导体(NSC,Nationalsemiconductorcorporation)的LM48310(单声道)和LM48411(多声道)D类放大器。

以上两款器件均采用了美国国家半导体专利的增强型放射抑制(E2S)系统。该E2S系统可通过减缓部分边沿输出过渡时间来改善效率。通过此方法，不单EMI可被降至最低，甚至连功耗都可降低至非ERC的D类放大器水平。至于由ERC引致的PWM音频信号误差则可通过内部反馈环路进行修正，以减少THD+N并改善音频品质。12下一页>


图3.没有边沿速率控制的扩展频谱D类放大器。器件在EMI测试中，在没有使用任何滤波器的情况下驱动20英寸长的扬声器电缆，其结果符合FCCB级的EMI限制。

图2表示出LM48310的EMI性能。LM48310在完全未经滤波的情况下通过了FCC的B级标准，并用一条12英寸长的无掩蔽双绞线来驱动一个扬声器。图3表示出纯扩展频谱器件在同一测试中的结果。正如图中所示，美国国家半导体的E2SD类放大器可达到极低的EMI水平，同时可保持优越的音频性能。


图4.LM48310示范板的丝网印刷图。

D类技术的最新发展显著减低了由D类放大器放射出来的EMI，但至于在射频(RF)干扰方面，适当的印刷电路板设计同样可大大降低放射量。毫无疑问，这是一个浩瀚的课题，而相关的文章也多如恒河沙数，但在这里仍值得讨论一下有关降低噪声和EMI的基本方法。首先，将带有开关信号的迹线隔离，从而可有效减少耦合到电路敏感部分的噪声。这个方法不单可加强音频性能，而且还可将产生寄生天线的机会降到最低。此外，也需要将模拟输入、模拟电源(供电给输入缓冲器、控制和其他敏感电路)和它们相关的旁路电容器从开关节点隔离，这包括器件输出、输出桥路电源和任何与这些节点相关的外部元件。


图5.LM48310示范板的顶层。

然而，不少D类放大器均拥有多个电源和接地，一个用在低噪声和输入电路，而另一个则用在较大电流和带噪声的输出级。假如个别电源和接地间的电位差太大，那器件便不能正常运行。可是，当器件在隔离印刷电路板的噪声区和宁静区运行时，要确保器件保持正常的电位差是一件非常艰巨的任务。图6所示为如何在隔离信号与功率接地的同时为器件保持统一的电位。

由于所有的个别接地节点都连接到同一个覆铜(cupperpour)，该布局与星形接地的连接方式类似，使这些点上的接地电位保持一致。不过，嘈杂接地与无噪声接地本身是分隔开的，只有在接地进入电路板时才会连接在一起。这种方法可防止器件所产生出的噪声污染无噪声接地。图7所示相同的原理应用到VDD层上。电路板的左半边包括模拟音频输入、VDD和输入耦合电容器C1和C2。电路板的右半边包括输出、PVDD(H桥电源)和旁路电容器C3。


图6.LM48310示范板的接地层。

VDD层和接地层只有在电源或接地进入电路板时才会连接在一起。从这点上两个层面会分离，而宁静节点会持续与开关节点隔离。这种技术可有效防止开关噪声进入宁静区，以免影响性能或增加EMI。


图7.LM48310示范板的Vdd层。

基于其高效率的特性，D类放大器己成为便携和功耗敏感应用的最佳音频放大器选择。在音频质量和EMI性能方面的改进方面，使用D类放大器使得设计的工作变得更简易。再者，较宽松的PCB布线技术和比较少的外部元件都可将设计周期缩短，并缩小系统尺寸和降低成本，在不影响音质的前提下延长便携产品的电池寿命。