采用擴頻調制技術(shù)降低D類(lèi)放大器音頻應用中的電磁干

D類(lèi)放大器在實(shí)際應用中所受的限制是顯而易見(jiàn)的。高頻能量出現在開(kāi)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(lèi)放大器還需要一個(gè)低通濾波器(通常為2極點(diǎn)的巴特沃思LC濾波器)，來(lái)濾除大電流的高頻方波，只留下音頻信號。在新型的D類(lèi)放大器中，一種無(wú)濾波器的實(shí)現方法采用擴音器本身作為低通濾波器元件。這些更新的“無(wú)濾波器型”D類(lèi)放大器在便攜式設計中變得十分流行。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的帶有濾波器的D類(lèi)放大器所允許的要求，所以有可能不允許使用它們。

對D類(lèi)放大器，曾有過(guò)這樣的論述：“在這一實(shí)現方法上，人們曾投入過(guò)巨大的精力和才智，因為在理論上其效率非常高，但實(shí)際應用中卻困難重重，尤其是在一個(gè)EMC法規十分嚴格的世界里，我們不清楚200kHz的高功率正弦波是否是一個(gè)好的切入點(diǎn)?！北銛y式設計的趨勢加劇了電磁干擾問(wèn)題。由于產(chǎn)品變得越來(lái)越小，元件、引線(xiàn)和電線(xiàn)離得越來(lái)越近，適當的印刷電路板布局變得越來(lái)越困難。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(lái)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(gè)平臺中融合多種無(wú)線(xiàn)通信功能，比如藍牙、Wi-Fi、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )等，更使電磁干擾成為一個(gè)突出的難題。電磁干擾除了是產(chǎn)品內部需要直接考慮的問(wèn)題外，與其它外部系統的射頻輻射干擾也是一個(gè)需要被考慮的問(wèn)題。大多數的消費類(lèi)系統需要通過(guò)一些FCC的檢測，這些檢測主要是針對產(chǎn)品的無(wú)意輻射對其它使用射頻頻譜器件的干擾問(wèn)題。

有許多方法可被用來(lái)減少電磁干擾，其中之一是減緩方波的邊沿，但這樣會(huì )減弱對到來(lái)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(jià)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(xiàn)的長(cháng)度達到其所傳輸信號波長(cháng)的四分之一，PCB引線(xiàn)和電線(xiàn)在本質(zhì)上將產(chǎn)生天線(xiàn)效應，產(chǎn)生大量的輻射，因此通常引線(xiàn)的長(cháng)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(xiàn)從地平面之間通過(guò)，并使用絕緣的元件和環(huán)形電感等。對于無(wú)濾波器的D類(lèi)系統，連接放大器輸出和揚聲器的引線(xiàn)和電纜長(cháng)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(gè)鐵氧體磁珠等傳統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有效，可能難以在整個(gè)輸出噪聲的帶寬范圍內提供足夠的衰減。如果PCB布局和濾波器不能將電磁干擾降低到一個(gè)可接受的水平，那么可以采用屏蔽措施。電源是另一個(gè)可能的電磁干擾源。D類(lèi)放大器以與出現在電源線(xiàn)上輸出開(kāi)關(guān)邊沿相關(guān)的大幅度窄脈沖的形式汲取電流。通過(guò)適當的布局和旁路技術(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(kāi)始就使放大器產(chǎn)生較小干擾。與以前的D類(lèi)拓撲結構相比，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(lái)的，它的使用歷史已超過(guò)半個(gè)世紀，最早被用于通信系統和軍用雷達等應用。在過(guò)去的十年中，擴頻調制技術(shù)被廣泛應用于其它領(lǐng)域，尤其是時(shí)鐘電路中，當被用于D類(lèi)放大器時(shí)，擴頻技術(shù)也會(huì )帶來(lái)類(lèi)似優(yōu)點(diǎn)。

擴頻調制器能在中心開(kāi)關(guān)頻率附近的一個(gè)頻段(例如在300kHz中心頻率附近進(jìn)行具有30%的頻率擴展)內調輸出橋的開(kāi)關(guān)頻率。只要頻率變化一直是隨機的，從簡(jiǎn)單的掃描到載頻的不相關(guān)跳變等各種方法都能作為實(shí)際的變頻方法。擴頻調制方案有一些關(guān)鍵的優(yōu)勢：在維持高效率和低THD+N的同時(shí)，可降低輻射噪聲和電磁干擾，而總能量并沒(méi)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(gè)更寬的頻帶內。噪聲的帶寬變得更大，但在任何一個(gè)頻點(diǎn)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(guò)在某一頻譜范圍內隨機地改變開(kāi)關(guān)波形的頻率，寬帶的頻譜成份被壓平。圖2通過(guò)快速傅立葉變換(FFT)來(lái)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(guò)快速傅立葉變換(FFT)顯示的擴頻技術(shù)對噪聲能量的影響。

擴頻調制技術(shù)主要有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：更低的輻射噪聲峰值帶來(lái)電磁干擾性能的改善，并能縮小甚至不再需要D類(lèi)應用中常見(jiàn)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(lèi)音頻放大器。

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

表中給出了FCC和CE標準中的D類(lèi)放大器輻射標準，它們適用于任何不做發(fā)射用途的數字消費類(lèi)器件。所有消費類(lèi)電子產(chǎn)品在美國和歐洲上市前必須先通過(guò)這兩種認證。

表：FCC和歐洲工程標準(CE)的D類(lèi)放大器輻射標準。

如圖4所示，對帶有2英寸揚聲器電纜，且沒(méi)有濾波器元件的產(chǎn)品進(jìn)行初步電磁干擾測試，結果顯示該產(chǎn)品在FCC B級限制測試過(guò)程中具有出色的電磁干擾性能。紅線(xiàn)表示FCC B級的限制，噪聲頻譜必須一直低于這條線(xiàn)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(méi)有濾波器元件的產(chǎn)品進(jìn)行初步電磁干擾測試的結果。

擴頻調制技術(shù)為D類(lèi)音頻放大器的應用帶來(lái)了顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)

它降低了射頻輻射，并簡(jiǎn)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D類(lèi)拓撲結構在便攜設計領(lǐng)域中曾面臨的障礙。能從中獲益的相關(guān)應用包括任何需要遵從FCC/EC規則或其它諸如Mil-Std-461等與電磁干擾相關(guān)規則的便攜式器件。此外，任何需要降低系統噪聲的便攜式設備，如通信設備、音樂(lè )播放器、廣播設備以及麥克風(fēng)等，都能從擴頻技術(shù)中獲益。

電磁干擾是系統級設計中需要考慮的重要問(wèn)題，系統設計人員需要從設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(lái)創(chuàng )建一個(gè)高性能的產(chǎn)品，采用具有擴頻調制特性的器件能有效地降低便攜式系統設計的電磁干擾。