展頻調(diào)制模式將D類放大器的電磁干擾最小化

展頻調(diào)制模式將D類放大器的電磁干擾最小化

本文對(duì)脈寬調(diào)制（PWM）和展頻調(diào)制兩種不同的D類（轉(zhuǎn)換模式）放大器技術(shù)進(jìn)行了探討。從傳統(tǒng)意義上來講，PWM型D類放大器需要龐大且昂貴的濾波組件來降低由其軌至軌振幅和快速轉(zhuǎn)換頻率引起的電磁干擾。而當(dāng)今的D類放大器所采用的展頻調(diào)制技術(shù)則讓設(shè)計(jì)者可以省去這些濾波組件，又不會(huì)降低音頻性能或放大功效。

導(dǎo)論

??? 由于功效好于A類和B類放大器，D類放大器對(duì)便攜式音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)人員來說更具吸引力。但是，也有一些設(shè)計(jì)者沒有在便攜式應(yīng)用中使用D類放大器，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PWM D類放大器需要大量昂貴的濾波組件來降低電磁干擾。Maxim公司的D類放大器展頻調(diào)制技術(shù)則讓設(shè)計(jì)者可以省去這些濾波組件，又不會(huì)降低音頻性能或放大功效，因此而促進(jìn)了高效的D類放大器在便攜式音頻應(yīng)用中的推廣。

傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制放大器拓?fù)?/P>

??? 圖1展示的是一個(gè)典型的PWM橋接式負(fù)載D類放大器。這種方案利用一個(gè)內(nèi)部生成的鋸齒波形來作為輸入級(jí)的參考。其中有一個(gè)比較儀監(jiān)控著模擬輸入電壓，并將之和鋸齒波形相比較。當(dāng)鋸齒波形的輸入超過輸入電壓時(shí)，比較儀的輸出就降低。因此在比較儀的輸出處利用一個(gè)轉(zhuǎn)換器來生成一個(gè)補(bǔ)充PWM波形，用于BTL輸出的第二腳。

??? 因?yàn)槠滠壷淋壵穹涂焖俎D(zhuǎn)換頻率會(huì)產(chǎn)生高射頻發(fā)射和干擾，一個(gè)PWM放大器一般在輸出處需要龐大的濾波組件。此時(shí)一般會(huì)需要一個(gè)LC濾波器來降低這個(gè)高頻干擾，并從PWM信號(hào)的任務(wù)周期中提取音頻內(nèi)容。

圖1. 傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制拓?fù)?/P>

展頻調(diào)制放大器拓?fù)?/P>

??? 有一個(gè)方法可以取代這種昂貴的大輸出LC濾波器方案，那就是改進(jìn)轉(zhuǎn)換程序，讓放大器在保持高效的同時(shí)降低EMI。Maxim公司的D類放大器正是做到了這一點(diǎn)。它的這種D類放大器采用獨(dú)特的專利展頻調(diào)制模式，使寬帶光譜組件相形見拙，將喇叭和接線發(fā)出的EMI最小化。圖2通過Maxim公司的MAX9700型D類放大器展示了這種D類放大器的拓?fù)洹?/P>

??? Maxim的D類放大器的調(diào)制方案采用了一個(gè)內(nèi)部生成的鋸齒波形，并在輸入部分采用了一個(gè)互補(bǔ)信號(hào)對(duì)。如果沒有互補(bǔ)輸入信號(hào)，則會(huì)在IC內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)微分輸入。

圖2：?jiǎn)温暤繢類放大器拓?fù)?<

?比較儀監(jiān)控著D類放大器的輸入，并將補(bǔ)充輸入電壓和鋸齒波形相比較。當(dāng)鋸齒波形大小超過輸入電壓時(shí)，比較儀A會(huì)發(fā)出一個(gè)零伏特的信號(hào)，將相應(yīng)的D類輸出(OUT+)拉高至VDD。當(dāng)鋸齒波形大小超過其輸入電壓時(shí)，比較儀B則會(huì)在輸出處輸出一個(gè)零伏特的電壓，同樣將相應(yīng)的D類輸出(OUT-)拉高至VDD。在兩個(gè)D類輸出都被拉高之后，一個(gè)計(jì)時(shí)器從一個(gè)簡(jiǎn)單的或非門輸出處開始計(jì)時(shí)，時(shí)間常數(shù)為tau，相當(dāng)于1 / (RTON * CTON)。在一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)(tau)，兩個(gè)D類輸出都被拉高至GND，而兩個(gè)比較儀則都被重置。這個(gè)序列在第二個(gè)比較儀的輸出處產(chǎn)生一個(gè)最小寬度的脈沖tON(MIN)。隨著輸入電壓的增減，其中一個(gè)輸出上（第一個(gè)比較儀會(huì)跳開）的脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)上升，而另一個(gè)輸出上脈沖的持續(xù)時(shí)間則維持在tON(MIN) ，從而導(dǎo)致穿過喇叭的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)發(fā)生改變。

圖3：Maxim公司的應(yīng)用了輸入信號(hào)FFM模式的D類BTL輸出

固定頻率調(diào)制和展頻調(diào)制

??? Maxim的D類技術(shù)采用了兩種調(diào)制模式：（1）固定頻率調(diào)制（FFM）模式和（2）展頻調(diào)制模式。在FFM模式中（如圖3），鋸齒波形的持續(xù)時(shí)間保持不變，這一點(diǎn)和其在傳統(tǒng)的PWM方案中是一樣的。在展頻調(diào)制模式（如圖4）中，鋸齒波長的持續(xù)時(shí)間則會(huì)在每個(gè)周期都不斷改變（一般改變幅度是±10%）。圖4對(duì)鋸齒波形的改變量進(jìn)行了放大，以更好地展示效果。

圖4：Maxim的采用了輸入信號(hào)展頻調(diào)制模式的D類BTL輸出

??? 展頻調(diào)制模式的周期改變可以使得基本頻率下(fo ±10%)所消耗的能量減少，同時(shí)諧波分量會(huì)以一個(gè)特定帶寬(nfo ±10%，此處n 為正整數(shù))進(jìn)行相似的擴(kuò)展。光譜能量并沒有以數(shù)倍于轉(zhuǎn)換頻率的狀態(tài)存在，而是在一個(gè)帶寬上擴(kuò)展，這個(gè)帶寬會(huì)隨著頻率的增長而增長。在頻率超過數(shù)兆赫時(shí)，寬帶光譜看起來像是顯示EMI的白噪音。在FFM模式中，能量被抑制在窄帶里，并具有各個(gè)峰值（如圖5a）。而在展頻調(diào)制模式中，能量帶寬則更大，峰值能量也被降低（如圖5b）。需要注意的是，在圖5b中，三次諧波幾乎被掩蓋在噪音層了。

圖5a：Maxim的FFM模式

圖5b：Maxim的展頻調(diào)制模式

展頻調(diào)制模式將EMI干擾最小化

??? Maxim的展頻技術(shù)可以讓D類放大器真正舍棄濾波器而工作，只要喇叭線不是太長。大輸出LC濾波器一般是傳統(tǒng)的PWM結(jié)構(gòu)才需要的，以確保含有D類放大器的消費(fèi)品能夠符合電磁兼容性規(guī)格。Maxim專有的展頻技術(shù)降低了D類放大器的輻射，使之可以滿足電磁兼容性要求，而不需要在輸出處進(jìn)行濾波，或者僅需要進(jìn)行很少的濾波（見附錄）。

??? 電磁兼容性要求成型產(chǎn)品能夠通過現(xiàn)有的準(zhǔn)峰值檢測(cè)限制－例如由CE（歐洲共同體，歐洲標(biāo)準(zhǔn)）和FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)，美國標(biāo)準(zhǔn)）所制定的限制－以確保保持最低的電磁干擾。按照CE和FCC的定義，電磁干擾會(huì)中斷、阻礙或削減電子和電氣設(shè)備的有效性能。在準(zhǔn)峰值檢測(cè)中，所測(cè)定的信號(hào)等級(jí)是由信號(hào)光譜分量的重復(fù)頻率來衡量的。重復(fù)頻率越低，所顯示的準(zhǔn)峰值也就越低1。

??? 展頻調(diào)制充分發(fā)揮了準(zhǔn)峰值檢測(cè)的作用，大大降低了電磁干擾（表格1）。在展頻調(diào)制模式中，D類放大器的峰值基本頻率可以為一定范圍內(nèi)的任意數(shù)值 － 一般與其基本轉(zhuǎn)換頻率偏差±10%。假設(shè)準(zhǔn)峰值檢測(cè)在分析儀中以一個(gè)120kHz的分辨率帶寬來進(jìn)行，那么除了基本轉(zhuǎn)換頻率和一開始的幾次諧波，轉(zhuǎn)換頻率在任何一個(gè)中心頻率中都只顯示一段時(shí)間。

表格1：MAX9759的輻射數(shù)據(jù)(MAX975??估套件、展頻調(diào)制模式、3"雙絞線喇叭線、“無濾波”)

總結(jié)

??? D類放大器的近軌至軌振幅和快速轉(zhuǎn)換頻率會(huì)帶來高射頻輻射和干擾。當(dāng)音頻內(nèi)容在變頻器被復(fù)制之前，一般都必須使用龐大其昂貴的LC濾波器來降低這種干擾。但是現(xiàn)在，Maxim的展頻調(diào)制技術(shù)可以讓D類放大器在采用了高效PCB板布局和相對(duì)短的喇叭線的情況下，真正實(shí)現(xiàn)低功耗“無濾波”操作。

附錄

濾波技術(shù)概況

??? 用于D類功率放大器的濾波器拓?fù)涔灿腥N：（1）FB-C：鐵氧體磁珠和電容器；（2）LC：感應(yīng)器和電容器；以及（3）“無濾波”技術(shù)。某個(gè)特定設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇哪種濾波技術(shù)，取決于喇叭線的長度和PCB布局。下面是這三種濾波器拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)：

FB-C濾波

??? 當(dāng)喇叭線路徑合理時(shí)，F(xiàn)B-C濾波足夠滿足電磁兼容性要求。與LC濾波相比，F(xiàn)B－C濾波方案更為精簡(jiǎn)而高效。但是，由于只能在頻率大于10MH在的情況下生效，F(xiàn)B-C濾波的應(yīng)用范圍受到很大的限制。而且，即便在頻率低于10MHz的情況下，如果喇叭線路徑不合理，也無法實(shí)現(xiàn)濾波。

L－C濾波

??? 相比之下，L－C濾波可以在頻率大約為30kHz就開始生效。當(dāng)某個(gè)設(shè)計(jì)中所用的喇叭線較長，而PCB布局又不是很好時(shí)，L－C濾波無疑是一個(gè)“保險(xiǎn)的”選擇。但是，L－C濾波要求昂貴而龐大的外置組件，這顯然不適合便攜式設(shè)備。而且，當(dāng)頻率大于30MHz，主感應(yīng)器會(huì)自共振，此時(shí)L－C濾波還會(huì)需要額外的組件才能抑制電磁干擾。

“無濾波”濾波("Filterless" Filtering)

??? “無濾波”放大器拓?fù)涫亲顬楦咝У姆桨福驗(yàn)樗∪チ祟~外的濾波組件。借助于這種方案，采用較短雙絞線喇叭線的D類放大器可以完全符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。但是，和FB-C濾波一樣，如果喇叭線路徑不合理，這種方案也有可能無法抑制電磁干擾。另外請(qǐng)注意，Maxim的D類放大器也可以進(jìn)行“無濾波”操作，只要在放大器的轉(zhuǎn)換頻率下喇叭是感應(yīng)的。在輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換頻率下的高感應(yīng)性使過載電流保持相對(duì)不變。