D類音頻放大器中的EMI電磁干擾設(shè)計

電磁干擾（EMI）是指電路受到了來自外部的非預(yù)期性電磁輻射干擾。這種干擾可以中斷、阻礙或降低電路的性能表現(xiàn)。在現(xiàn)今的便攜式消費電子設(shè)備設(shè)計中，空間已躍升為第一要素。設(shè)計師經(jīng)常需要移除外殼或屏罩，并且通過更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐犯綦x來抑制EMI和噪聲。毫無疑問，較小的空間和更多的功能增加了電路板的密度，此外還需要考慮圓片級封裝和微型電路設(shè)計規(guī)范，因此EMI問題更加值得關(guān)注。

EMI包含有兩個方面：放射和電磁耐受性。放射是指哪些設(shè)備會產(chǎn)生輻射噪聲。電磁耐受性是指哪些設(shè)備會受到其它設(shè)備的電磁波影響。在稍候的篇幅中，我們將會多討論一些有關(guān)電磁耐受性的問題。因為如果能有效地控制電磁放射，那么處理后續(xù)的電磁耐受性就變得相對容易了。放射一般來說大體分為輻射性放射和傳導(dǎo)性放射兩類。輻射性放射來自電路板、走線或電線，以電磁波的形態(tài)經(jīng)大氣傳播影響附近的接收器。需要注意的是“接收器”可泛指任何因外來電磁能量干擾而影響其運行的電路。例如，PCB走線或IC的引線。傳導(dǎo)性放射是指能量經(jīng)電線或電纜逃脫或傳導(dǎo)出來。傳導(dǎo)性放射可以直接影響電路性能，或者轉(zhuǎn)化為輻射性放射。

圖1：波長和頻率之間的物理關(guān)系

要了解兩種放射，我們必須對天線有一定的了解。圖1所示波長和頻率之間的物理關(guān)系。一根天線的有效長度必須達(dá)到波長的四份之一。如果在大氣中，其介電特性為1。那么在FR4或玻璃環(huán)氧電路板中，其介電特性便會降低至4.8。因此信號一旦到達(dá)FR4的電介質(zhì)梯度，其傳播走線就會變慢。于是會引起“波長縮減”效應(yīng)。例如，一個200MHz的信號在大氣中的四分之一波長為16.7cm，如果在內(nèi)層的電路板走線，那么波長就變?yōu)?6.7/4.8（1/2）=7.6cm。

即使PCB走線的長度短于波長的四分之一，仍可以是有效的天線，能夠同時增強放射性和電磁耐受性。除了內(nèi)層外，表面的走線也可表現(xiàn)出波長縮減效應(yīng)。因為電介質(zhì)的一面已足可改變傳遞的整個介電特性。

PCB走線等非意愿天線（unintended antenna），可以說是數(shù)字系統(tǒng)中輻射噪聲背后的黑手。從輻射性放射的角度考慮，我們可發(fā)現(xiàn)D類音頻放大器本質(zhì)上可被看作成一個數(shù)字系統(tǒng)。電磁學(xué)中一個關(guān)鍵原理是電磁互易（reciprocity），因為電流的流動可產(chǎn)生一個電場，并且電通量的變化可引發(fā)電流的流動。按照這個原理，一條天線既可以用來接收電磁信號也可以用來發(fā)送電磁信號。假如非意愿天線受到噪聲電流的刺激，而其長度接近波長的四分一接近時，此時便會產(chǎn)生輻射性放射。

圖2：常用的天線設(shè)計

如圖2所示，常用的天線設(shè)計有兩種：偶極天線和鞭形天線。一個有趣的事實是鞭形天線本身就是半條偶極天線，水平接地經(jīng)感應(yīng)后，鞭形天線可成為另外的半條偶極天線。眾所周知，天線的作用是通過電氣能量的輻射來發(fā)送和接收信號。不過，如圖3所示，PCB中的非意愿天線可包括：長走線；通路；元件的引線和接腳；無載電路板的連接器和插座。

圖3：PCB中的非意愿天線

PCB上一些沒有端接的表面走線或埋在下面的走線可以變成非意愿鞭形天線。在不同電位勢下的走線片段可以因不良布局而變成振子天線。同時，PCB的導(dǎo)電層可作為雙極天線的另一條腿，而板子本身會被耦合到電場中。

D類音頻放大器

由于自身的效率很高，D類音頻放大器很快就在消費電子設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。D類音頻放大器通過輸入的模擬信號來調(diào)制一個高頻方波，該方波的頻率可以是固定的也可以是可變的，甚至可以是隨機脈沖。低通濾波器用來過濾信號中的高頻內(nèi)容以及恢復(fù)原始音頻信號。在沒有濾波器的拓樸中，揚聲器本身的電感會被合并成濾波器的一部份。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種普遍的D類拓樸技術(shù)，它采用固定頻率的波形，并通過改變工作周期在低通濾波器后面產(chǎn)生出一個移動平均信號（圖4）。

圖4：PWM是一種普遍的D類拓樸技術(shù)

采用開關(guān)拓樸的好處很明顯，例如：高效率、低功耗和易散熱。不過，增加效率并不是沒有代價的。為了提升效率，需要采用一個銳利且變換迅速的方波。但由于光譜能量高度集中在方波的邊沿，這會導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)中的問題再現(xiàn)。同時，可能會出現(xiàn)一些過激，使波形在短時間超越最高和最低的電壓。過激使在輸出光譜產(chǎn)生出額外的高頻量，并對EMI和音頻性能造成不良影響。

對抗EMI

要消除EMI，需要在電路設(shè)計時整合電氣工程師、電路板布局工程師和制造工程師的力量，合力研發(fā)出一個最佳的PCB設(shè)計。要處理好EMI的問題，通常應(yīng)在PCB設(shè)計時注意：

1. 在會出現(xiàn)電壓波動的電源和接地間放置去耦電容器。如果隨便放置電容器會惡化EMI問題；

2. 電源層應(yīng)與電路板的邊沿保持一定距離；

3. 避免在接地或電源層內(nèi)切斷走線，否則可能會造成非意愿針孔；

4. 對所有的高頻時鐘線路提供足夠的端接；

5. 為電路板連接器提供適當(dāng)濾波；

6. 良好的PCB設(shè)計可避免出現(xiàn)環(huán)路天線。環(huán)路天線可以使正向和反向的電流都在定義好的路徑上傳導(dǎo)。

另外，還可以通過抑制天線的電流來制止輻射。

對于音頻設(shè)計人員來說，必須考慮下列兩點：

1. 把由音頻放大器到揚聲器的走線長度縮到最短。因為一旦走線達(dá)到波長的四分之一，就會出現(xiàn)明顯的輻射，走線或電線便會變成天線。

2. 對于無濾波器的D類系統(tǒng)，連接著放大器輸出和揚聲器的走線或電纜將會是RF放射的最大來源。

圖5：在放大器附近放置鐵氧體磁珠是有效抑制EMI的方法

在放大器附近放置鐵氧體磁珠并與揚聲器串列，可以是很有效的抑制EMI的方法。為了進(jìn)一步理解鐵氧體磁珠的抑制方法，我們將鐵氧體磁珠分成頻變電阻和電感元件，如圖5所示。要抑制EMI，鐵氧體磁珠需要作為電阻器，但因為Rdc=0，該處沒有直流電壓降。對于頻率低于1 MHz的應(yīng)用，采用這種方法很有效。此外，如圖所示，還需要考慮二元分壓器。Z1和Z2都是頻率相關(guān)的，為了達(dá)到所需的低通濾波器功能，以下的關(guān)系必須成立：在要求的頻率下Z2>>Z1，在噪聲頻率下Z1>>Z2。

鐵氧體通常會用來作為串聯(lián)元素，電容便作為分流元素。 這里的電容可以是物理電容，也可以是集中電容。傳遞函數(shù)表示Z1和Z2將會分別隨著頻率（1/jωC）增加和減少。而系統(tǒng)將會有某程度的阻尼明顯地消減共振效應(yīng)。

從圖中可見，在處理D類固有的周期性方波時，最基本的難題是諧振間隔時出現(xiàn)的集中能量。為了設(shè)計一個“安靜”的低EMI D類放大器，一個方法是將頻率來回抖動，或擴(kuò)展開關(guān)的頻譜，降低頻譜內(nèi)所有點上的能量。與傳統(tǒng)的D類放大器相比，擴(kuò)頻調(diào)制方案有幾個重要的優(yōu)點：除了可保持高效效率和低THD+N外，更重要的是大幅削減了輻射噪聲和EMI，如圖6中所示。

圖6：擴(kuò)頻調(diào)制方案除了可保持高效效率和低THD+N外，還能大幅削減了輻射噪聲和EMI

LM48511是一個擴(kuò)頻調(diào)制式D類音頻放大器，內(nèi)部集成了一個內(nèi)置式升壓穩(wěn)壓器，可把電壓提升至7V，從而增強放大器的輸出功率和音頻聲壓級。此外，該升壓穩(wěn)壓器即使在電池衰減的情況下也可使放大器維持一個固定的輸出水平。

LM48511特設(shè)有一個邏輯可選擴(kuò)頻調(diào)制器，可削減EMI并且可免除使用輸出濾波器或扼流圈。如圖7所示，擴(kuò)頻調(diào)制器會供給一個標(biāo)準(zhǔn)的H-橋，該H-橋負(fù)責(zé)驅(qū)動橋接式負(fù)載揚聲器。在擴(kuò)頻模式中，開關(guān)頻率會在約330kHz頻率處隨機發(fā)生10%的變化，從而減少由揚聲器、相關(guān)的電線和走線所產(chǎn)生的輻射性EMI放射。在這個模式下，一個固定頻率的D類放大器會展現(xiàn)出比開關(guān)頻率高幾倍的頻譜能量，而LM48511的擴(kuò)頻體系結(jié)構(gòu)將會把這些能量擴(kuò)展到一個較大的頻寬，從而減少電路中的峰值噪聲功率。

圖7：擴(kuò)頻調(diào)制器供給一個標(biāo)準(zhǔn)的H-橋，該H-橋負(fù)責(zé)驅(qū)動橋接式負(fù)載揚聲器

電磁性干擾是一個系統(tǒng)級的問題。對于音頻設(shè)計人員來說，在進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃以及選擇器件、材料時都必須考慮到EMI問題。