D类音频应用EMI管理

1、前言

  对于EMI，首先需要理解天线。频率和波长之间的关系，如下图所示。

  作为有效天线所需的最短长度是λ/4。在空气中，介电常数是1，但是在FR4或玻璃环氧PCB的情况下，介电常数大约4.8。这种效应会导致信号在FR4材料介质包围的导线中传播速度变慢，本质上是一种 “波长缩短” 的效应。例如，200MHz信号的四分之一波长为16.7cm，但在内层PCB走线中，波长是: 16.7/√4.8=7.6cm。
  即使长度小于λ/4，PCB走线也可以充当无意的天线，从而增加了麻烦和敏感性。表面走线也表现出这种波长缩短效应，因为表面走线一侧是空气，另一侧是PCB材料，所以总的介电常数也会发生变化。
  类似PCB走线类的意外天线是数字系统中辐射噪声的主要来源。从辐射发射的角度来看，D类音频放大器本质上是一个数字系统。电磁学的一个关键原理是互易性。电流的流动可以产生磁场，磁通量的变化可以产生感应电流，同样，有利于接收的天线也有利于发射。如果无意天线的任何尺寸接近该天线被噪声电流激发的频率的四分之一波长，则该天线成为有效的辐射发射源。
  如下图所示，是两种常见的天线设计:简单偶极子和鞭状天线，鞭状天线基本上是偶极子的一半，而水平地面基本上被诱导为偶极子的另一半。

  天线旨在通过电能的辐射来发送和接收信号。如下图所示，PCB电路板中可能包含的无意天线包括以下几种：长走线、过孔、器件引线和引脚、未焊接的PCB板连接器和接头。

  未端接的表面走线或未端接的内层走线可能成为无意的鞭状天线。由于布局不佳，不同射频电压下的走线可能会成为无意的偶极天线。此外，PCB的导电层可以充当偶极天线的另一分支，其平面本身耦合到电场中。

2、D类音频放大器

  D类音频放大器具有高效率的特点，已成为消费市场的主流应用。它通过输入的模拟信号调制高频方波。方波本身可以是固定频率、可变频率或没有固定频率的简单随机脉冲。通常采用2阶巴特沃斯低通滤波器，滤除高频噪声并恢复原始音频信号。在 “无滤波器” 拓扑结构中，扬声器自身的电感作为滤波器的一部分。如下图所示，是一种常见的D类拓扑，采用脉宽调制 (PWM)，使用固定频率的波形，并改变占空比，在低通滤波器后创建信号的移动平均值。

  开关拓扑的优点是显而易见的: 高效率、低功耗和低热量，但提高效率并非没有成本，为了提高效率，需要一个尖锐、快速切换的方波，这可能会导致产生与数字系统中存在的意外伪影相同的伪影，因为能量高度集中在方波的边缘。此外，还会有一些过冲，导致波形在短时间内超过最大和最小电压，过冲会在输出频谱中产生额外的高频噪声，并且对于EMI和音频性能而言是不理想的。

3、优化EMI

  PCB设计对优化EMI至关重要，一般规则包括以下几个方面。
  • 在电源和地之间放置去耦电容器。电容的随意放置会加剧EMI问题。
  • 电源平面应从PCB的边缘内缩。
  • 避免分割接地平面或电源平面，防止产生缝隙。
  • 所有高频时钟线进行适当的端接。
  • PCB连接器信号进行适当的滤波。
  • 良好的PCB设计应避免环形天线。环形天线包括明确传输路径的正向电流和返回电流任何路径。
  最佳的方式是抑制给天线供电的电流源以阻止辐射。
  对于音频设计，以下几点需要注意：
  • 音频放大器到扬声器的走线尽可能短。PCB走线长度一旦达到λ/4，就会具有天线效应，发生明显的辐射。
  • 对于无滤波器的D类系统，将放大器的输出连接到扬声器的走线和电缆长度可能是最大的RF发射源。
  • D类输出信号线宽至少30mil。为了满足EMI要求，每个输出线宽应以60mil连接至扬声器。如果EMI滤波器放置在PCB板上，则必须尽可能靠近设备引脚放置。为了获得最佳的THD+N性能，输出信号的长度应相互匹配，以避免由于布线电阻的差异而导致THD+N的任何失配。
  有效的措施是将铁氧体磁珠与扬声器串联放置在放大器附近。为了更好地理解铁氧体磁珠的抑制机制，将铁氧体磁珠分解成频率相关的电阻和电感元件-R(f) 和L(f) -，如下图所示。

  EMI抑制，铁氧体磁珠充当电阻器，直流电阻较小，电压降可忽略，这使得磁珠在感兴趣的频率显著低于1MHz的情况时，效果较好，应理解铁氧体磁珠两元件分压机制。Z1和Z2都是频率相关的，为了实现低通滤波器的期望功能，应存在以下关系: 在期望的频率下Z2 >Z1，在噪声频率下Z1>Z2。
  铁氧体通常用作串联元件，分流元件是电容，可以是物理电容或集总电容。传递函数表明，随着频率（1/jωC）的增加，Z1增加，Z2减少，系统被阻尼到共振效应显著减弱的程度。D类功放固有的周期性方波的主要挑战是能量集中在谐波区间内。
  抖频(展频)技术可以有效降低EMI，可以减少频谱中任何一点的能量。与传统的D类放大器相比，扩频调制方案具有关键优势，效率和低THD+N得以保持，但辐射噪声和EMI可以显著降低，如下图所示。

  例如LM48511是一款扩频调制的D类音频放大器，包括一个内置的升压调节器，将电源电压驱动到7V，与未升压的放大器相比，增加了放大器输出功率和音频声压级，即使由电池等衰减性电压源供电，升压调节器也能使放大器保持恒定的输出电平。
  LM48511放大器具有逻辑可选的扩频调制器，可降低EMI，消除了对输出滤波器或扼流圈的需求。如下图所示，扩频调制器为驱动桥接负载扬声器的标准H桥供电。在扩频模式下，开关频率在330KHz中心频率附近随机变化10%，从而减少了扬声器和相关电缆和走线的EMI发射。当固定频率的D类放大器在开关频率的倍频处出现大量的频谱能量时，LM48511放大器的扩频架构将该能量扩展到更大的频带上，从而降低了电路中的峰值噪声功率。