如何降低D類音頻應用中的電磁幹擾

2020-11-24 電子產品世界

隨著可攜式電池供電設備的工作時間越來越長，D類放大器憑藉先天的效率優勢，受到重視的程度與日俱增。如今，大部分D類系統的工作效率都在80%以上，以往開發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類技術已克服了這些架構的缺點，同時簡化了系統設計，降低了解決方案的成本。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/166962.htm

對於D類放大器來說，常見的問題包括：濾波器的大小、電磁幹擾(EMI)、射頻幹擾(RFI)和不良的總諧波失真+噪聲(THD+N)。新架構採用揚聲器本身的電感特性，從PWM方波輸出中抽取音頻成份，從而省去了用於音頻的輸出濾波器，但移除濾波器後的拓撲又會導致更多的電磁幹擾。最新開發出的器件在不犧牲效率的前提下，可將EMI降至最低並改善THD+N的性能。


EMI對於設計人員來說很重要，它可幹擾系統內的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EMI限制標準，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽車系統專用標準等。第一個由半導體供應商推行的EMI抑制功能是擴展頻譜調製。擴展頻譜調製與傳統的脈衝寬度調製(PWM)不同，其輸出橋路的開關頻率只會在中心頻率附近的頻帶內變化。雖然每個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。這是由於電磁能量傾向散布在較寬闊的頻帶內，所以總高頻能量會如同一個固定頻率器件一樣保持不變，但在頻帶內任何一點頻率上的噪聲均可被降低。圖1比較了一個固定頻率器件和一個擴展頻譜器件的近場EMI測量結果。正如圖中的紅色線表示，峰值能量被減少。如果實現的方法正確，那擴展頻譜可以作為一個非常有效的方案，因為它不會對效率和THD造成任何不良的影響。這種技術現已應用在例如LM4675、LM48410和LM48520之類的器件上。


圖1. D類系統的 近場EMI測量結果。從紅色的虛線可看出左邊的固定頻率時鐘方案和右邊的擴展頻譜調製之間的分別。


為了進一步降低器件的EMI輻射，半導體製造商推行了邊沿速率控制(ERC)。D類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間越快，則邊沿所包含的高頻能量就越多。因此，假如輸出過渡時間可以被減少，那麼便可繼而削減由系統發出來的高頻能量。


不過，減少過渡時間也可能對D類放大器的性能帶來不好的影響。隨著花在狀態之間有效區域的時間越長，輸出器件便會耗散更多的功率，從而使效率下降。此外，更短的上升和下降時間也會使PWM信號偏離完美的方波，導致在重生的音頻信號中產生誤差並增加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技術不斷改進。只要實現的方法正確，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類放大器。


以上兩款器件均採用了美國國家半導體專利的增強型放射抑制(E2S)系統。該E2S系統可通過減緩部分邊沿輸出過渡時間來改善效率。通過此方法，不單EMI可被降至最低，甚至連功耗都可降低至非ERC的D類放大器水平。至於由ERC引致的PWM音頻信號誤差則可通過內部反饋環路進行修正，以減少THD+N並改善音頻品質。


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

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