D類音頻功放實(shí)現(xiàn)低EMI

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1 介紹 

D類音頻功放由于開關(guān)頻率的存在，常常有EMI問(wèn)題。本文將介紹一些方法，來(lái)有效減小D類音頻功放的EMI。

2 選擇鐵氧體磁珠降低邊緣速率

利用成本低廉的鐵氧體磁珠能節(jié)省不少的系統(tǒng)BOM成本。對(duì)于小于5MHz的 EMI帶寬，尤其是當(dāng)開關(guān)頻率約為300kHz（以獲得較佳效率），實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示減少邊緣速率是降低EMI的有效方法。



圖1 磁珠濾波



圖2 不同阻抗鐵氧體磁環(huán)的邊緣速率

圖2中，較高的鐵氧體磁珠阻抗可以實(shí)現(xiàn)較低邊沿速率的D類輸出；使用600ohm@100MHz 的鐵氧體磁珠，可以獲得最低邊緣速率的D類輸出，最終在高頻段實(shí)現(xiàn)最佳EMI結(jié)果。然而，對(duì)于相同型號(hào)相同封裝的磁珠，阻抗較高意味著額定電流較小，所以還要考量其額定電流是否符合電路要求。圖3為鐵氧體磁珠對(duì)于傳導(dǎo)性EMI的效果。



圖3 鐵氧體磁珠對(duì)于傳導(dǎo)性EMI的效果

圖4為鐵氧體磁珠對(duì)于輻射性EMI的效果



圖4 鐵氧體磁珠對(duì)于輻射性EMI的效果

3 利用LC濾波

使用電感濾波，盡管價(jià)格昂貴，但抑制EMI效果非常明顯，仍被廣泛使用。對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)制方式的D類音頻功放，可使用如下LC濾波。



圖5 傳統(tǒng)調(diào)制方式D類音頻功放的BTL LC濾波

表1 傳統(tǒng)調(diào)制方式8ohm負(fù)載的LC濾波

RBTL = 8ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	CBTL (uF)	Cg (uF)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz(%)
0.7	28	-1.2	33	0.47	0.1	-38	0.0579
0.7	41	-0.28	22	0.33	0.068	-31	0.05638
1.26	34	2	15	0.68	0.1	-35	0.0856

表2 傳統(tǒng)調(diào)制方式6ohm負(fù)載的LC濾波

RBTL = 6ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	CBTL (uF)	Cg (uF)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.75	22	0.68	0.1	-36	0.0648
0.7	45	-0.19	15	0.39	0.082	-30	0.0915
1.15	28	2	15	1.0	0.18	-38	0.0949
1.27	38	1.6	10	1.0	0.18	-33	0.1312

表3 傳統(tǒng)調(diào)制方式4ohm負(fù)載的LC濾波

RBTL = 4ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	CBTL (uF)	Cg (uF)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.85	15	1.0	0.18	-36	0.0776
0.94	23	0.29	15	1.5	0.27	-42	0.07612
0.7	46	-0.22	10	0.56	0.1	-29	0.09049
1.15	28	0	10	1.5	0.27	-38	0.10625

對(duì)于免濾波調(diào)制方式的D類音頻功放，可使用如下LC濾波。



圖6 免濾波調(diào)制方式D類音頻功放的BTL LC濾波

表4 免濾波調(diào)制方式8ohm負(fù)載的LC濾波

RBTL = 8ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	Cg (uF)	Z50kHz (ohm)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	28	-1.2	33	1	51	-38	0.050
0.7	41	-0.28	22	0.68	34	-31	0.075
1.26	34	2	15	1.5	23	-35	0.096

表5 免濾波調(diào)制方式6ohm負(fù)載的LC濾波

,

RBTL = 6ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	Cg (uF)	Z250kHz (ohm)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.75	22	1	34	-36	0.063
0.7	45	-0.19	15	1	23	-30	0.090
1.15	28	2	15	2	23	-38	0.090
1.27	38	1.6	10	2	15	-33	0.080

表6 免濾波調(diào)制方式4ohm負(fù)載的LC濾波

RBTL = 4ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	Cg (uF)	Z250kHz (ohm)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.85	15	2	23	-36	0.090
0.94	23	0.29	15	3.3	23	-42	0.090
0.7	46	-0.22	10	1	15	-29	0.082
1.15	28	2	10	3.3	16	-38	0.087

4 利用佐貝爾網(wǎng)絡(luò)，盡量降低瞬時(shí)振蕩。

圖7為我們?cè)O(shè)計(jì)的用于降低輸出濾波電路振蕩效應(yīng)的典型電路。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量。R2和C2 用于吸收由濾波器諧振頻率造成的振蕩。



圖7 調(diào)諧，以減少振蕩、降低邊緣速率

圖8.a中，在傳導(dǎo)性EMI測(cè)試噪音頻帶，捕獲到周期為350ns的振蕩（約2.85MHz），其能量在佐貝爾網(wǎng)絡(luò)之后已經(jīng)大幅減弱，并獲得更高邊緣增益。

表7 濾波器和佐貝爾網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

濾波器和佐貝爾網(wǎng)絡(luò)設(shè)置	C3	C2	R2	PVCC閑置電流
設(shè)置1	1nF	1nF	68Ω	65mA
設(shè)置2（無(wú)佐貝爾）	1nF	NC	NC	45mA
設(shè)置3	2.2nF	1nF	68Ω	80mA
設(shè)置4（無(wú)佐貝爾）	2.2nF	NC	NC	60mA



　　圖8 調(diào)整佐貝爾網(wǎng)絡(luò)和電容（減少振蕩，獲得較慢的邊緣速率）

不過(guò)又出現(xiàn)了另外一個(gè)問(wèn)題，圖9顯示振蕩加劇了2MHz~4MHz的頻帶噪聲（如果D類輸出電流增加的話，振蕩會(huì)更加嚴(yán)重）。從理論上講，諧波分量越高，振幅應(yīng)該越小，但是，濾波器的諧振頻率點(diǎn)改變了這一情況。我們看一下圖8.a，與設(shè)置4相比，設(shè)置3在2MHz~5MHz頻帶具有更好的噪聲抑制能力。最終，設(shè)置3在減少振蕩方面表現(xiàn)出最佳的調(diào)優(yōu)效果，并且獲得了較低的邊緣速率，及良好的2MHz~5MHz的EMI裕量。



　　圖9 振蕩加劇2MHz~4MHz 頻帶噪聲（設(shè)置4）

5 PCB 布局

（l）濾波器PCB布局

為盡可能減少濾波器電流回路（電流回流至GND），確保電流環(huán)路小。

1） 將濾波器盡可能靠近輸出引腳。

2） 盡量減少濾波器接地的電流回路。

3） 盡量確保濾波器和D類設(shè)備的底層是一個(gè)完整的接地層。

4） 如果要添加佐貝爾網(wǎng)絡(luò)來(lái)減少振蕩，將佐貝爾網(wǎng)絡(luò)盡可能靠近濾波器。

5） 將緩沖電路盡可能靠近設(shè)備的輸出引腳。

（2） 電源布局



　　圖10 PVCC布局

（3） 輸出

D類功放輸出走線短而粗，包括接到喇叭的線短而粗甚至使用屏蔽線，都能有效的減小EMI。