如何應對D類(lèi)音頻應用中的EMI問(wèn)題
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EMI包含有兩個(gè)方面：放射和電磁耐受性。放射是指哪些設備會(huì )產(chǎn)生輻射噪聲。電磁耐受性是指哪些設備會(huì )受到其它設備的電磁波影響。在稍候的篇幅中，我們將會(huì )多討論一些有關(guān)電磁耐受性的問(wèn)題。因為如果能有效地控制電磁放射，那么處理后續的電磁耐受性就變得相對容易了。放射一般來(lái)說(shuō)大體分為輻射性放射和傳導性放射兩類(lèi)。輻射性放射來(lái)自電路板、走線(xiàn)或電線(xiàn)，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(lái)電磁能量干擾而影響其運行的電路。例如，PCB走線(xiàn)或IC的引線(xiàn)。傳導性放射是指能量經(jīng)電線(xiàn)或電纜逃脫或傳導出來(lái)。傳導性放射可以直接影響電路性能，或者轉化為輻射性放射。
圖1：波長(cháng)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(xiàn)有一定的了解。圖1所示波長(cháng)和頻率之間的物理關(guān)系。一根天線(xiàn)的有效長(cháng)度必須達到波長(cháng)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(huì )降低至4.8。因此信號一旦到達FR4的電介質(zhì)梯度，其傳播走線(xiàn)就會(huì )變慢。于是會(huì )引起“波長(cháng)縮減”效應。例如，一個(gè)200MHz的信號在大氣中的四分之一波長(cháng)為16.7cm，如果在內層的電路板走線(xiàn)，那么波長(cháng)就變?yōu)?6.7/4.8(1/2)=7.6cm。
即使PCB走線(xiàn)的長(cháng)度短于波長(cháng)的四分之一，仍可以是有效的天線(xiàn)，能夠同時(shí)增強放射性和電磁耐受性。除了內層外，表面的走線(xiàn)也可表現出波長(cháng)縮減效應。因為電介質(zhì)的一面已足可改變傳遞的整個(gè)介電特性。
PCB走線(xiàn)等非意愿天線(xiàn)(unintended antenna)，可以說(shuō)是數字系統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D類(lèi)音頻放大器本質(zhì)上可被看作成一個(gè)數字系統。電磁學(xué)中一個(gè)關(guān)鍵原理是電磁互易(reciprocity)，因為電流的流動(dòng)可產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，并且電通量的變化可引發(fā)電流的流動(dòng)。按照這個(gè)原理，一條天線(xiàn)既可以用來(lái)接收電磁信號也可以用來(lái)發(fā)送電磁信號。假如非意愿天線(xiàn)受到噪聲電流的刺激，而其長(cháng)度接近波長(cháng)的四分一接近時(shí)，此時(shí)便會(huì )產(chǎn)生輻射性放射。
圖2：常用的天線(xiàn)設計
如圖2所示，常用的天線(xiàn)設計有兩種：偶極天線(xiàn)和鞭形天線(xiàn)。一個(gè)有趣的事實(shí)是鞭形天線(xiàn)本身就是半條偶極天線(xiàn)，水平接地經(jīng)感應后，鞭形天線(xiàn)可成為另外的半條偶極天線(xiàn)。眾所周知，天線(xiàn)的作用是通過(guò)電氣能量的輻射來(lái)發(fā)送和接收信號。不過(guò)，如圖3所示，PCB中的非意愿天線(xiàn)可包括：長(cháng)走線(xiàn)；通路；元件的引線(xiàn)和接腳；無(wú)載電路板的連接器和插座。
圖3：PCB中的非意愿天線(xiàn)
PCB上一些沒(méi)有端接的表面走線(xiàn)或埋在下面的走線(xiàn)可以變成非意愿鞭形天線(xiàn)。在不同電位勢下的走線(xiàn)片段可以因不良布局而變成振子天線(xiàn)。同時(shí)，PCB的導電層可作為雙極天線(xiàn)的另一條腿，而板子本身會(huì )被耦合到電場(chǎng)中。
D類(lèi)音頻放大器
由于自身的效率很高，D類(lèi)音頻放大器很快就在消費電子設備中獲得了廣泛的應用。D類(lèi)音頻放大器通過(guò)輸入的模擬信號來(lái)調制一個(gè)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(lái)過(guò)濾信號中的高頻內容以及恢復原始音頻信號。在沒(méi)有濾波器的拓樸中，揚聲器本身的電感會(huì )被合并成濾波器的一部份。脈沖寬度調制(PWM)是一種普遍的D類(lèi)拓樸技術(shù)，它采用固定頻率的波形，并通過(guò)改變工作周期在低通濾波器后面產(chǎn)生出一個(gè)移動(dòng)平均信號(圖4)。
圖4：PWM是一種普遍的D類(lèi)拓樸技術(shù)
采用開(kāi)關(guān)拓樸的好處很明顯，例如：高效率、低功耗和易散熱。不過(guò)，增加效率并不是沒(méi)有代價(jià)的。為了提升效率，需要采用一個(gè)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(huì )導致數字系統中的問(wèn)題再現。同時(shí)，可能會(huì )出現一些過(guò)激，使波形在短時(shí)間超越最高和最低的電壓。過(guò)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，需要在電路設計時(shí)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(gè)最佳的PCB設計。要處理好EMI的問(wèn)題，通常應在PCB設計時(shí)注意：
1. 在會(huì )出現電壓波動(dòng)的電源和接地間放置去耦電容器。如果隨便放置電容器會(huì )惡化EMI問(wèn)題；
2. 電源層應與電路板的邊沿保持一定距離；
3. 避免在接地或電源層內切斷走線(xiàn)，否則可能會(huì )造成非意愿針孔；
4. 對所有的高頻時(shí)鐘線(xiàn)路提供足夠的端接；
5. 為電路板連接器提供適當濾波；
6. 良好的PCB設計可避免出現環(huán)路天線(xiàn)。環(huán)路天線(xiàn)可以使正向和反向的電流都在定義好的路徑上傳導。
另外，還可以通過(guò)抑制天線(xiàn)的電流來(lái)制止輻射。
對于音頻設計人員來(lái)說(shuō)，必須考慮下列兩點(diǎn)：
1. 把由音頻放大器到揚聲器的走線(xiàn)長(cháng)度縮到最短。因為一旦走線(xiàn)達到波長(cháng)的四分之一，就會(huì )出現明顯的輻射，走線(xiàn)或電線(xiàn)便會(huì )變成天線(xiàn)。
2. 對于無(wú)濾波器的D類(lèi)系統，連接著(zhù)放大器輸出和揚聲器的走線(xiàn)或電纜將會(huì )是RF放射的最大來(lái)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(méi)有直流電壓降。對于頻率低于1 MHz的應用，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(huì )用來(lái)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。傳遞函數表示Z1和Z2將會(huì )分別隨著(zhù)頻率(1/jωC)增加和減少。而系統將會(huì )有某程度的阻尼明顯地消減共振效應。
圖5：在放大器附近放置鐵氧體磁珠是有效抑制EMI的方法
從圖中可見(jiàn)，在處理D類(lèi)固有的周期性方波時(shí)，最基本的難題是諧振間隔時(shí)出現的集中能量。為了設計一個(gè)“安靜”的低EMI D類(lèi)放大器，一個(gè)方法是將頻率來(lái)回抖動(dòng)，或擴展開(kāi)關(guān)的頻譜，降低頻譜內所有點(diǎn)上的能量。與傳統的D類(lèi)放大器相比，擴頻調制方案有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：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：擴頻調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(gè)擴頻調制式D類(lèi)音頻放大器，內部集成了一個(gè)內置式升壓穩壓器，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，該升壓穩壓器即使在電池衰減的情況下也可使放大器維持一個(gè)固定的輸出水平。
LM48511特設有一個(gè)邏輯可選擴頻調制器，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，擴頻調制器會(huì )供給一個(gè)標準的H-橋，該H-橋負責驅動(dòng)橋接式負載揚聲器。在擴頻模式中，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )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(xiàn)和走線(xiàn)所產(chǎn)生的輻射性EMI放射。在這個(gè)模式下，一個(gè)固定頻率的D類(lèi)放大器會(huì )展現出比開(kāi)關(guān)頻率高幾倍的頻譜能量，而LM48511的擴頻體系結構將會(huì )把這些能量擴展到一個(gè)較大的頻寬，從而減少電路中的峰值噪聲功率。
圖7：擴頻調制器供給一個(gè)標準的H-橋，該H-橋負責驅動(dòng)橋接式負載揚聲器
電磁性干擾是一個(gè)系統級的問(wèn)題。對于音頻設計人員來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行設計規劃以及選擇器件、材料時(shí)都必須考慮到EMI問(wèn)題。
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