【導(dǎo)讀】由于在效率上相對于AB類放大器的巨大優(yōu)勢,D類放大器的應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu) Gartner的報(bào)告,D類放大器在2006年至2011年之間的復(fù)合年成長率將達(dá)15.6%,從3.34億美元成長至6.88億美元,主要的成長動(dòng)力來自于功耗敏感及空間受限的消費(fèi)類電子產(chǎn)品。但D類放大器開關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來了高頻的EMI,如何控制好D類放大器的EMI,是系統(tǒng)工程師必須要考慮的方面。
D類放大器中EMI的產(chǎn)生
變化的電壓和電流信號會(huì)產(chǎn)生電磁場輻射,形成電磁波干擾(EMI:Electro-Magnetic Interference),這些電磁波信號會(huì)影響收音機(jī)、電視和手機(jī)等產(chǎn)品的正常工作。為了防止電子設(shè)備的EMI問題,世界各國都制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,如美國的聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC:Federal Communication Commission)的認(rèn)證,目的都是限制電子產(chǎn)品的電磁波輻射。
EMI測試是在特定的電波暗室中進(jìn)行的,測量由產(chǎn)品中輻射出來的電磁波強(qiáng)度,與FCC等規(guī)范相比較,不得超過規(guī)定的最大能量。FCC規(guī)范中將產(chǎn)品按用途分為 CLASS A 、 CLASS B 兩大類, A 類為用于商務(wù)或工業(yè)用途的產(chǎn)品, B 類為用于家庭用途的產(chǎn)品, FCC 對 B 類產(chǎn)品法規(guī)要求更嚴(yán)格。
圖1:FCC 規(guī)范的CLASS A和CLASS B標(biāo)準(zhǔn)
傳統(tǒng)D類放大器開關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的EMI發(fā)射源:如調(diào)制的開關(guān)信號,開關(guān)信號的邊沿變化,電源線上變化的電流信號等都會(huì)產(chǎn)生大量的EMI,如下圖所示。
圖2:D類放大器開關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
不同的發(fā)射源對應(yīng)了不同的EMI頻譜,由于D類放大器的調(diào)制頻率一般在250kHz到1.5MHz之間,因此調(diào)制的開關(guān)信號和電源線上變化的電流信號帶來的EMI主要集中在10MHz以下的頻段;而方波的邊沿變化一般是在納秒級別的,因此它們所帶來的EMI主要集中在幾十MHz到幾GHz的高頻段。
EMI主要通過PCB的走線、通孔和揚(yáng)聲器的連線向外輻射,較大能量的EMI輻射需要一個(gè)“高效率”的天線,對不同的頻率,一個(gè)有效的天線長度是該頻率波長的四分之一(λ/4),小于這個(gè)長度,就不能形成有效的對外輻射。對30MHz的頻率,采用一般的FR4的PCB板,天線長度需要大于114.1cm才能形成有效的輻射。所以在手機(jī)上采用D類放大器時(shí),在放大器輸出的PCB走線和揚(yáng)聲器連線上的方波邊沿變化是EMI的最重要來源。特別是手機(jī)應(yīng)用中所關(guān)心的一些頻段,如下表所示:基本都在100MHz以上,因此我們需要特別地關(guān)注由方波邊沿變化所引起的EMI輻射。
圖3:手機(jī)應(yīng)用中的一些頻段
對前面?zhèn)鹘y(tǒng)D類放大器的輸出波形,由傅里葉分析可知,方波納秒級的邊沿變化和高頻的振鈴會(huì)引入非常大的高頻EMI,嚴(yán)重影響FM、手機(jī)模擬電視等的接收效果,容易出現(xiàn)收聽雜音或雪花臺(tái)的情況,讓系統(tǒng)工程師頗感頭痛。
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EEE技術(shù)降低D類的EMI
艾為的音樂功放(Music-PA)AW8010、AW8110、AW8145采用獨(dú)特的、擁有專利的EEE(Enhanced-Emission-Elimination)技術(shù),針對D類放大器的EMI問題,優(yōu)化了輸出級的設(shè)計(jì),極大地降低了EMI,簡化了設(shè)計(jì)。
方波的邊沿變化包含了大量的高頻能量,會(huì)對系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備造成很大的EMI干擾,EEE技術(shù)通過特有的邊沿速率控制優(yōu)化了輸出的方波信號,可以有效地控制高頻能量的EMI輻射,同時(shí)不影響D類放大器的其他性能。
下面是傳統(tǒng)D類放大器和帶有EEE技術(shù)的AW8010的EMI測試結(jié)果,測試使用60cm(24inch)的輸出線。上面的紅色實(shí)線是FCC CLASS B的標(biāo)準(zhǔn)線,紅色虛線是-6dB的裕量線,藍(lán)色的線是實(shí)際測試曲線,粉色的線是測試環(huán)境的EMI背景噪音。
圖4:傳統(tǒng)D類放大器和帶有EEE技術(shù)的AW8010的EMI測試結(jié)果
從上圖的測試結(jié)果可以看出,帶有EEE技術(shù)的AW8010的實(shí)測結(jié)果與測試環(huán)境的EMI背景噪聲基本一樣。在高頻射頻段,傳統(tǒng)D類放大器的EMI輻射與背景噪聲差別也不大,但在80~500MHz的頻段內(nèi),有相當(dāng)大的EMI輻射,因此系統(tǒng)工程師在使用D類放大器的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)射頻模塊的靈敏度受到的影響較小,但對FM、手機(jī)模擬電視的靈敏度影響很大,甚至不能正常工作,采用EEE技術(shù)后,在該頻段有超過20dB的裕量,極大地改善了D類放大器對FM、手機(jī)模擬電視的影響。
下圖是傳統(tǒng)D類放大器和帶EEE技術(shù)的AW8010對FM接收信號的信噪比影響。傳統(tǒng)D類放大器對FM的影響很嚴(yán)重,信號變差甚至丟臺(tái),而帶EEE技術(shù)的AW8010對FM影響很小,降低了系統(tǒng)工程師的調(diào)試難度。
圖5:傳統(tǒng)D類放大器和帶EEE技術(shù)的AW8010對FM接收信號的信噪比影響
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合理的PCB布局改善EMI
EEE技術(shù)顯著地改善了D類放大器的EMI問題,簡化了PCB設(shè)計(jì),使PCB的布線更加寬松,但任何手段都沒有辦法完全地消除這個(gè)問題。EMI設(shè)計(jì)就像“矛”和“盾”的關(guān)系,發(fā)射源是“矛”,發(fā)射源到敏感模塊的防護(hù)是“盾”,“矛”鈍“盾”堅(jiān),就不會(huì)有EMI的問題,如果“矛”很鈍,但“盾”也很脆弱,那還是會(huì)有EMI的問題。因此,在使用D類放大器的時(shí)候,在PCB的布局上需要仔細(xì)考慮。
首先是輸出線,要將放大器到揚(yáng)聲器的連線盡量縮短,這是最有效地降低EMI的方法;而且輸出布線不要經(jīng)過或太靠近敏感的信號線和電路。
還有電源、地線的布局也很重要。功放電源上電流波動(dòng)很大,因此電源上的濾波電容要盡量靠近功放芯片放置;同時(shí)合適地進(jìn)行布線以便可以預(yù)測電流走向,最好采用星形接法。
對翻蓋手機(jī)的布線可能會(huì)遇到一個(gè)問題,翻蓋手機(jī)的上部和下部通過柔性電纜連接,電纜中包含電源、地還有LCD顯示的數(shù)據(jù)線,如果在翻蓋手機(jī)的上部裝有揚(yáng)聲器,那么輸出的音頻信號也需要通過這根電纜,當(dāng)音頻信號線靠近顯示數(shù)據(jù)線時(shí),就可能會(huì)破壞顯示的數(shù)據(jù),因此需要將這兩種信號線分開,同時(shí)加上地線隔離。不過對這種情況最好還是加上磁珠和電容來抑制高頻的EMI,并盡可能地將磁珠、電容靠近放大器放置。磁珠的選擇也很重要,采用高阻抗、低直流電阻、大額定電流的磁珠可以很好的起到高頻EMI的抑制作用,同時(shí)對放大器的其他性能影響很小。
如下圖所示,在進(jìn)行D類放大器的PCB布局時(shí),為了抑制高頻EMI,以下兩點(diǎn)很重要:
1:輸出布線盡量短而寬。
2:磁珠、電容緊靠芯片輸出管腳放置,盡量減短輸出管腳到磁珠的布線長度。
同時(shí),功放的其他外圍器件也盡量緊靠芯片放置,還有電源、地線采用星形接法都對提高D類功放的性能有好處。
圖6:AW8010 PCB布局示意圖
高效率、低功耗使得D類放大器的應(yīng)用越來越廣泛,D類放大器EMI也越來越受到關(guān)注。采用艾為帶有EEE技術(shù)的AW8010、AW8110、AW8145,極大地降低了EMI的輻射,簡化了設(shè)計(jì)。其中音樂功放AW8110、AW8145同時(shí)還采用了獨(dú)特的、擁有專利保護(hù)的無破音(NCN:Non-Crack-Noise)技術(shù),提高音質(zhì)的同時(shí)有效地保護(hù)揚(yáng)聲器,是音樂手機(jī)等便攜式設(shè)備的理想選擇。
圖7:AW8010 典型應(yīng)用圖
圖8:艾為音樂功放產(chǎn)品列表