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如何减轻D类放大器产生的EMI辐射

作者:快乐28 发布时间:2020-07-06 01:37 点击数:

  D类放大器开关拓扑的一个可能存在的缺点,就是其容易发出电磁辐射,可能会干扰周边其它电子设备。可以通过外部无源滤波方法将这种干扰缓减到某种程度,但这会增加最终产品的成本、占位面积以及复杂性。本文将探讨某些用于减轻EMI问题的内部电路设计方法。

  为了放大音频信号,D类放大器的输出(或各种输出,以不同的配置) 在两个电源轨(通常为正极和接地)之间交替切换,其频率是所需放大的最高音频频率的10倍或更高(可能为300kHz或更高)。

  开关信号是经过调制的,从而通过简单的、有时是扬声器本身包含的低通滤波器来恢复音频信号。此开关转换一般速度非常快也许是2ns或更短因而包含显着的高频能量。这会导致互连导线缆产生EMI辐射,尤其是在信号路径中无低通滤波器,且放大器和扬声器之间的导线长度非常明显的情形下(也许超过1cm)。

  用于缓减EMI辐射的一个方法是减低放大器输出的转换速率(slew rate)。图1所示为时域中的一个例子,其上方迹线ns的上升和下降时间,而下方迹线ns的上升和下降时间。

  转换速率的减小(这里的因数为10) 对于D类放大器产生的辐射能量有着显着的影响。图2显示了两种波形的频谱,此时D类输出正处于静默(无音频,占空比=50%),开关频率为333kHz。可以看到贯穿于30MHz~1GHz之间的大部分频谱,其高频(HF)内容减少约20dB。在包含有FM广播接收电子设备(88MHz ~ 108MHz)手机或无线GHz)的系统中,这可大幅减少EMI,从而降低了可能影响系统性能的风险。

  图2清楚地显示了边缘速率控制(edge rate control,ERC)技术减少EMI的优势,不过代价是增加了损耗。

  首先是D类放大器提供的效率优势,主要来自于输出器件始终完全开启或完全关闭,因此输出器件中的瞬时耗散功率P= VI,在所有时间里基本上保持为零 (不同于AB类放大器,其功率器件的VI乘积从不为零)。

  在每次开关转换时引入(或增加)时间跨度,其间V 0,同时负载电流I 0,导致片上功耗适度增加,因而带来效率的降低。其次,一个非ERC输出级在本质上仅是一个大型逆变器(可能包括直通或短路冲击电流的缓减),而一个ERC输出级包含附加电路,能够调节上拉和下拉器件的触发电压,以便在输出端上产生期望的、受控制的转换速率。取决于所使用的方法,这增加了芯片面积(成本)和电流消耗(降低效率)。

  上述讨论的边缘速率控制(ERC)是一个有效的方法,可减弱在30MHz以上频率范围产生的EMI (也受限于FCC法规的限制),而D类放大器开关输出的基本载波频率和其落在30MHz以下范围的相关奇次谐波(方波),则不太好采用这项技术来处理。图3所示为此频带出现的由传统的、未修改的D类放大器输出产生的能量。

  为了减小D类输出频谱中的基音和泛音尖峰高度,可以在放大器的时钟电路中加入少量频率调制也许调制指数在5%左右,不会影响所放大音频信号的质量。针对调制信号源的特性有许多选择,一个常规作法是使用带有重复频率(全模式重复频率)的伪随机模式,其超出最高预期音频信号频率(通常为20kHz)一个适当的余量,这可防止产生可能落入音频频带的音调。

  图4显示了和图3所示相同的D类输出,但其带有5%调制,在40kHz模式重复频率下由伪随机序列来实现。

  图5显示了图3和图4颜色叠加后的图片,更清楚地显示了由扩频时脉带来的差异。能够看见在整个频谱范围内,基准时钟频率的奇次谐波被抑制了将近10dB。

  可以采用一种附加方法来减少EMI,通过修改调制方案,当音频基带信号振幅变得足够大时,允许单边差分或桥式D类输出对停止切换(图6)。这本质上允许反向输出,一直持续到开关,以便进行全面调制,将输出信号保持在剩余间隔直至其最高峰值。

  此方案,在很大比例时间内(取决于音频源材料),仅有一个输出在开关,因而EMI(在那个时间内)减少了一半。这增加了优势,减少了由于功率器件门和其它寄生电容充放电带来的固定开关损耗。它还缩短了输出在ERC转换方面的时间,如上所述,该转换有少量的效率代价。此技术的缺点是放大器的整体前向增益会有些许降低,同样地,总体谐波失真(total harmonic distortion,THD)和噪声也有少量增加。带有和未带有单边调制的D类输出频谱如图7。

  D类放大器通常用于便携设备,因其功率效率超过传统AB类放大器。D类技术的主要缺点是其固有的EMI,会对周边电子设备产生不利影响。现在已经出现了一些有效的IC设计技术,能够极大地缓解EMI问题,而无需负担额外的外部元件。


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