如何降低D類(lèi)音頻應用中的電磁干擾

隨著(zhù)便攜式電池供電設備的工作時(shí)間越來(lái)越長(cháng)，D類(lèi)放大器憑借先天的效率優(yōu)勢，受到重視的程度與日俱增。如今，大部分D類(lèi)系統的工作效率都在80%以上，以往開(kāi)發(fā)人員必須犧牲音頻性能和增加電路板的空間和系統成本，才能提高效率。所幸，最新的D類(lèi)技術(shù)已克服了這些架構的缺點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統設計，降低了解決方案的成本。

對于D類(lèi)放大器來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的問(wèn)題包括：濾波器的大小、電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和不良的總諧波失真+噪聲(THD+N)。新架構采用揚聲器本身的電感特性，從PWM方波輸出中抽取音頻成份，從而省去了用于音頻的輸出濾波器，但移除濾波器后的拓撲又會(huì )導致更多的電磁干擾。最新開(kāi)發(fā)出的器件在不犧牲效率的前提下，可將EMI降至最低并改善THD+N的性能。

EMI對于設計人員來(lái)說(shuō)很重要，它可干擾系統內的IC器件和其他的電子設備。此外，工程人員還需面對一項艱巨的挑戰，即要符合有關(guān)EMI限制標準，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽車(chē)系統專(zhuān)用標準等。第一個(gè)由半導體供應商推行的EMI抑制功能是擴展頻譜調制。擴展頻譜調制與傳統的脈沖寬度調制(PWM)不同，其輸出橋路的開(kāi)關(guān)頻率只會(huì )在中心頻率附近的頻帶內變化。雖然每個(gè)器件有不同的中心頻率、頻率擴展和頻率變化方法，但只要頻率的變化是隨機的，則峰值輻射能量便可被降低。這是由于電磁能量?jì)A向散布在較寬闊的頻帶內，所以總高頻能量會(huì )如同一個(gè)固定頻率器件一樣保持不變，但在頻帶內任何一點(diǎn)頻率上的噪聲均可被降低。圖1比較了一個(gè)固定頻率器件和一個(gè)擴展頻譜器件的近場(chǎng)EMI測量結果。正如圖中的紅色線(xiàn)表示，峰值能量被減少。如果實(shí)現的方法正確，那擴展頻譜可以作為一個(gè)非常有效的方案，因為它不會(huì )對效率和THD造成任何不良的影響。這種技術(shù)現已應用在例如LM4675、LM48410和LM48520之類(lèi)的器件上。

圖1. D類(lèi)系統的 近場(chǎng)EMI測量結果。從紅色的虛線(xiàn)可看出左邊的固定頻率時(shí)鐘方案和右邊的擴展頻譜調制之間的分別。

為了進(jìn)一步降低器件的EMI輻射，半導體制造商推行了邊沿速率控制(ERC)。D類(lèi)輸出的高頻能量被包含在方波輸出的邊沿。輸出的上升和下降時(shí)間越快，則邊沿所包含的高頻能量就越多。因此，假如輸出過(guò)渡時(shí)間可以被減少，那么便可繼而削減由系統發(fā)出來(lái)的高頻能量。

不過(guò)，減少過(guò)渡時(shí)間也可能對D類(lèi)放大器的性能帶來(lái)不好的影響。隨著(zhù)花在狀態(tài)之間有效區域的時(shí)間越長(cháng)，輸出器件便會(huì )耗散更多的功率，從而使效率下降。此外，更短的上升和下降時(shí)間也會(huì )使PWM信號偏離完美的方波，導致在重生的音頻信號中產(chǎn)生誤差并增加THD+N。

圖2. LM48310的EMI測試結果符合FCC B級限制水平。

雖然邊沿速率控制有可能對D類(lèi)放大器的性能構成威脅，但它在降低EMI上的表現卻使設計人員欲罷不能，從而令ERC技術(shù)不斷改進(jìn)。只要實(shí)現的方法正確，那便可將效率損失和增加THD+N的不良作用減到最低。其中一個(gè)很好的例子是美國國家半導體(NSC, National semiconductor corporation)的LM48310(單聲道)和LM48411(多聲道)D類(lèi)放大器。

以上兩款器件均采用了美國國家半導體專(zhuān)利的增強型放射抑制(E2S)系統。該E2S系統可通過(guò)減緩部分邊沿輸出過(guò)渡時(shí)間來(lái)改善效率。通過(guò)此方法，不單EMI可被降至最低，甚至連功耗都可降低至非ERC的D類(lèi)放大器水平。至于由ERC引致的PWM音頻信號誤差則可通過(guò)內部反饋環(huán)路進(jìn)行修正，以減少THD+N并改善音頻品質(zhì)。

圖3. 沒(méi)有邊沿速率控制的擴展頻譜D類(lèi)放大器。器件在EMI測試中，在沒(méi)有使用任何濾波器的情況下驅動(dòng)20英寸長(cháng)的揚聲器電纜，其結果符合FCC B級的EMI限制。