利用擴頻調(diào)制技術(shù)降低便攜式系統(tǒng)設(shè)計中的電磁干擾

對D類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行簡單的回顧有助于更好地理解電磁干擾（EMI）的根源。D類放大器采用參考的三角波或鋸齒波對音頻信號進行調(diào)制，并產(chǎn)生一個被放大的通常具有脈沖寬度調(diào)制（PWM）開關(guān)輸出形式的信號。雖然調(diào)制方式可能有所不同，但所有的D類放大器都以由調(diào)制頻率所決定的頻率（通常遠高于音頻范圍，一般公認(rèn)在20Hz~20kHz范圍內(nèi)），連續(xù)地進行開關(guān)操作，輸出滿擺幅信號，因此必須控制方波載波的占空比，使其平均值與輸入信號的瞬時值成正比。典型的開關(guān)頻率大于輸入信號中感興趣的最高頻率的10倍。在大多數(shù)D類放大器中，還會使用一條帶有誤差信號的反饋路徑，來提高總諧波失真和噪聲（THD+N）性能、電源抑制比（PSRR）和其它一些性能特性。

D類放大器在實際應(yīng)用中所受的限制是顯而易見的。高頻能量出現(xiàn)在開關(guān)頻率和它的諧波以及方波的頻譜成份上。直到不久以前，D類放大器還需要一個低通濾波器（通常為2極點的巴特沃思LC濾波器），來濾除大電流的高頻方波，只留下音頻信號。在新型的D類放大器中，一種無濾波器的實現(xiàn)方法采用擴音器本身作為低通濾波器元件。這些更新的“無濾波器型”D類放大器在便攜式設(shè)計中變得十分流行。不幸的是，由于這一方法所產(chǎn)生的電磁干擾強度超出了傳統(tǒng)的帶有濾波器的D類放大器所允許的要求，所以有可能不允許使用它們。

對D類放大器，曾有過這樣的論述：“在這一實現(xiàn)方法上，人們曾投入過巨大的精力和才智，因為在理論上其效率非常高，但實際應(yīng)用中卻困難重重，尤其是在一個EMC法規(guī)十分嚴(yán)格的世界里，我們不清楚200kHz的高功率正弦波是否是一個好的切入點?！北銛y式設(shè)計的趨勢加劇了電磁干擾問題。由于產(chǎn)品變得越來越小，元件、引線和電線離得越來越近，適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季肿兊迷絹碓嚼щy。由于面積的限制，幾乎不可能再使用濾波器。目前的發(fā)展趨勢要求器件的音量越來越高，因而需要更高的功率和電流，從而產(chǎn)生更大的輻射。此外，在單個平臺中融合多種無線通信功能，比如藍牙、Wi-Fi、無線局域網(wǎng)絡(luò)等，更使電磁干擾成為一個突出的難題。電磁干擾除了是產(chǎn)品內(nèi)部需要直接考慮的問題外，與其它外部系統(tǒng)的射頻輻射干擾也是一個需要被考慮的問題。大多數(shù)的消費類系統(tǒng)需要通過一些FCC的檢測，這些檢測主要是針對產(chǎn)品的無意輻射對其它使用射頻頻譜器件的干擾問題。

有許多方法可被用來減少電磁干擾，其中之一是減緩方波的邊沿，但這樣會減弱對到來的模擬音頻信號精確采樣的能力并使效率降低，因此是以增大THD+N為代價的。使用LC（電感+電容）濾波器能極大降低電磁干擾，但LC濾波器體積很大并十分昂貴，其尺寸和成本隨輸出功率的增大而增大。一旦引線的長度達到其所傳輸信號波長的四分之一，PCB引線和電線在本質(zhì)上將產(chǎn)生天線效應(yīng)，產(chǎn)生大量的輻射，因此通常引線的長度要盡可能地短。

其它一些辦法包括讓傳輸高頻信號的PCB引線從地平面之間通過，并使用絕緣的元件和環(huán)形電感等。對于無濾波器的D類系統(tǒng)，連接放大器輸出和揚聲器的引線和電纜長度很可能是最大的射頻輻射源。例如，在靠近放大器的位置與擴音器串聯(lián)放置一個鐵氧體磁珠等傳統(tǒng)方法都能有效地降低輻射。鐵氧體磁珠能起到射頻扼流器的作用，衰減高頻信號成份。但是鐵氧體磁珠僅在較窄的頻率范圍內(nèi)有效，可能難以在整個輸出噪聲的帶寬范圍內(nèi)提供足夠的衰減。如果PCB布局和濾波器不能將電磁干擾降低到一個可接受的水平，那么可以采用屏蔽措施。電源是另一個可能的電磁干擾源。D類放大器以與出現(xiàn)在電源線上輸出開關(guān)邊沿相關(guān)的大幅度窄脈沖的形式汲取電流。通過適當(dāng)?shù)牟季趾团月芳夹g(shù)能降低與電源相關(guān)的電磁干擾。

雖然“事后”降低電磁干擾的方法是有效的，但最好的方法還是一開始就使放大器產(chǎn)生較小干擾。與以前的D類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，擴頻器件提供了這種可能。擴頻技術(shù)不是最近才發(fā)展起來的，它的使用歷史已超過半個世紀(jì)，最早被用于通信系統(tǒng)和軍用雷達等應(yīng)用。在過去的十年中，擴頻調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域，尤其是時鐘電路中，當(dāng)被用于D類放大器時，擴頻技術(shù)也會帶來類似優(yōu)點。

擴頻調(diào)制器能在中心開關(guān)頻率附近的一個頻段（例如在300kHz中心頻率附近進行具有±30%的頻率擴展）內(nèi)調(diào)輸出橋的開關(guān)頻率。只要頻率變化一直是隨機的，從簡單的掃描到載頻的不相關(guān)跳變等各種方法都能作為實際的變頻方法。擴頻調(diào)制方案有一些關(guān)鍵的優(yōu)勢：在維持高效率和低THD+N的同時，可降低輻射噪聲和電磁干擾，而總能量并沒有減少。如圖1所示，擴頻后的峰值能量降低了，但總能量保持不變，而是分布到一個更寬的頻帶內(nèi)。噪聲的帶寬變得更大，但在任何一個頻點上的噪聲峰值都比由固定頻率器件產(chǎn)生的噪聲要小。

圖1：擴頻前后的噪聲和噪聲基底對比。

通過在某一頻譜范圍內(nèi)隨機地改變開關(guān)波形的頻率，寬帶的頻譜成份被壓平。圖2通過快速傅立葉變換（FFT）來顯示擴頻技術(shù)對噪聲能量的影響，右圖中固定頻率放大器的FFT顯示出集中在諧波上的峰值能量更高，左圖中擴頻調(diào)制放大器的FFT顯示出所有的峰值能量都較低，并且諧波較少，從而使噪聲基底更高。

圖2：通過快速傅立葉變換（FFT）顯示的擴頻技術(shù)對噪聲能量的影響。

擴頻調(diào)制技術(shù)主要有兩方面的優(yōu)點：更低的輻射噪聲峰值帶來電磁干擾性能的改善，并能縮小甚至不再需要D類應(yīng)用中常見的電磁干擾濾波器，例如圖3所示的一款引入擴頻技術(shù)的D類音頻放大器。

圖3：帶有擴頻調(diào)制技術(shù)的D類音頻放大器（LM4675）。

表中給出了FCC和CE標(biāo)準(zhǔn)中的D類放大器輻射標(biāo)準(zhǔn)，它們適用于任何不做發(fā)射用途的數(shù)字消費類器件。所有消費類電子產(chǎn)品在美國和歐洲上市前必須先通過這兩種認(rèn)證。

表：FCC和歐洲工程標(biāo)準(zhǔn)（CE）的D類放大器輻射標(biāo)準(zhǔn)。

如圖4所示，對帶有2英寸揚聲器電纜，且沒有濾波器元件的產(chǎn)品進行初步電磁干擾測試，結(jié)果顯示該產(chǎn)品在FCC B級限制測試過程中具有出色的電磁干擾性能。紅線表示FCC B級的限制，噪聲頻譜必須一直低于這條線才符合FCC的發(fā)射要求。

圖4：輻射發(fā)射30~1，000MHz，對帶有2英寸揚聲器電纜，

且沒有濾波器元件的產(chǎn)品進行初步電磁干擾測試的結(jié)果。

擴頻調(diào)制技術(shù)為D類音頻放大器的應(yīng)用帶來了顯著優(yōu)點，它降低了射頻輻射，并簡化了諸如使用LC濾波器等高成本的降低電磁干擾的策略，極大減小了傳統(tǒng)D類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在便攜設(shè)計領(lǐng)域中曾面臨的障礙。能從中獲益的相關(guān)應(yīng)用包括任何需要遵從FCC/EC規(guī)則或其它諸如Mil-Std-461等與電磁干擾相關(guān)規(guī)則的便攜式器件。此外，任何需要降低系統(tǒng)噪聲的便攜式設(shè)備，如通信設(shè)備、音樂播放器、廣播設(shè)備以及麥克風(fēng)等，都能從擴頻技術(shù)中獲益。

電磁干擾是系統(tǒng)級設(shè)計中需要考慮的重要問題，系統(tǒng)設(shè)計人員需要從設(shè)計中所使用的單元模塊和元件入手，利用所有可以支配的工具來創(chuàng)建一個高性能的產(chǎn)品，采用具有擴頻調(diào)制特性的器件能有效地降低便攜式系統(tǒng)設(shè)計的電磁干擾。

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