D类音频功放实现低EMI

• D类音频功放实现低EMI




1 介绍 

D类音频功放由于开关频率的存在，常常有EMI问题。本文将介绍一些方法，来有效减小D类音频功放的EMI。

2 选择铁氧体磁珠降低边缘速率

利用成本低廉的铁氧体磁珠能节省不少的系统BOM成本。对于小于5MHz的 EMI带宽，尤其是当开关频率约为300kHz（以获得较佳效率），实验结果显示减少边缘速率是降低EMI的有效方法。



图1 磁珠滤波



图2 不同阻抗铁氧体磁环的边缘速率

图2中，较高的铁氧体磁珠阻抗可以实现较低边沿速率的D类输出；使用600ohm@100MHz 的铁氧体磁珠，可以获得最低边缘速率的D类输出，最终在高频段实现最佳EMI结果。然而，对于相同型号相同封装的磁珠，阻抗较高意味着额定电流较小，所以还要考量其额定电流是否符合电路要求。图3为铁氧体磁珠对于传导性EMI的效果。



图3 铁氧体磁珠对于传导性EMI的效果

图4为铁氧体磁珠对于辐射性EMI的效果



图4 铁氧体磁珠对于辐射性EMI的效果

3 利用LC滤波

使用电感滤波，尽管价格昂贵，但抑制EMI效果非常明显，仍被广泛使用。对于传统调制方式的D类音频功放，可使用如下LC滤波。



图5 传统调制方式D类音频功放的BTL LC滤波

表1 传统调制方式8ohm负载的LC滤波

RBTL = 8ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	CBTL (uF)	Cg (uF)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz(%)
0.7	28	-1.2	33	0.47	0.1	-38	0.0579
0.7	41	-0.28	22	0.33	0.068	-31	0.05638
1.26	34	2	15	0.68	0.1	-35	0.0856

表2 传统调制方式6ohm负载的LC滤波

RBTL = 6ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	CBTL (uF)	Cg (uF)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.75	22	0.68	0.1	-36	0.0648
0.7	45	-0.19	15	0.39	0.082	-30	0.0915
1.15	28	2	15	1.0	0.18	-38	0.0949
1.27	38	1.6	10	1.0	0.18	-33	0.1312

表3 传统调制方式4ohm负载的LC滤波

RBTL = 4ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	CBTL (uF)	Cg (uF)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.85	15	1.0	0.18	-36	0.0776
0.94	23	0.29	15	1.5	0.27	-42	0.07612
0.7	46	-0.22	10	0.56	0.1	-29	0.09049
1.15	28	0	10	1.5	0.27	-38	0.10625

对于免滤波调制方式的D类音频功放，可使用如下LC滤波。



图6 免滤波调制方式D类音频功放的BTL LC滤波

表4 免滤波调制方式8ohm负载的LC滤波

RBTL = 8ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	Cg (uF)	Z50kHz (ohm)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	28	-1.2	33	1	51	-38	0.050
0.7	41	-0.28	22	0.68	34	-31	0.075
1.26	34	2	15	1.5	23	-35	0.096

表5 免滤波调制方式6ohm负载的LC滤波

,

RBTL = 6ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	Cg (uF)	Z250kHz (ohm)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.75	22	1	34	-36	0.063
0.7	45	-0.19	15	1	23	-30	0.090
1.15	28	2	15	2	23	-38	0.090
1.27	38	1.6	10	2	15	-33	0.080

表6 免滤波调制方式4ohm负载的LC滤波

RBTL = 4ohm
Q	fo (Hz)	Peaking at 20kHz (dB)	LBTL (uH)	Cg (uF)	Z250kHz (ohm)	Gain250kHz (dB)	THD+N at 1W 1kHz (%)
0.7	31	-0.85	15	2	23	-36	0.090
0.94	23	0.29	15	3.3	23	-42	0.090
0.7	46	-0.22	10	1	15	-29	0.082
1.15	28	2	10	3.3	16	-38	0.087

4 利用佐贝尔网络，尽量降低瞬时振荡。

图7为我们设计的用于降低输出滤波电路振荡效应的典型电路。R1和C1将吸收由IC本身造成的振荡能量。R2和C2 用于吸收由滤波器谐振频率造成的振荡。



图7 调谐，以减少振荡、降低边缘速率

图8.a中，在传导性EMI测试噪音频带，捕获到周期为350ns的振荡（约2.85MHz），其能量在佐贝尔网络之后已经大幅减弱，并获得更高边缘增益。

表7 滤波器和佐贝尔网络设置

滤波器和佐贝尔网络设置	C3	C2	R2	PVCC闲置电流
设置1	1nF	1nF	68Ω	65mA
设置2（无佐贝尔）	1nF	NC	NC	45mA
设置3	2.2nF	1nF	68Ω	80mA
设置4（无佐贝尔）	2.2nF	NC	NC	60mA



　　图8 调整佐贝尔网络和电容（减少振荡，获得较慢的边缘速率）

不过又出现了另外一个问题，图9显示振荡加剧了2MHz~4MHz的频带噪声（如果D类输出电流增加的话，振荡会更加严重）。从理论上讲，谐波分量越高，振幅应该越小，但是，滤波器的谐振频率点改变了这一情况。我们看一下图8.a，与设置4相比，设置3在2MHz~5MHz频带具有更好的噪声抑制能力。最终，设置3在减少振荡方面表现出最佳的调优效果，并且获得了较低的边缘速率，及良好的2MHz~5MHz的EMI裕量。



　　图9 振荡加剧2MHz~4MHz 频带噪声（设置4）

5 PCB 布局

（l）滤波器PCB布局

为尽可能减少滤波器电流回路（电流回流至GND），确保电流环路小。

1） 将滤波器尽可能靠近输出引脚。

2） 尽量减少滤波器接地的电流回路。

3） 尽量确保滤波器和D类设备的底层是一个完整的接地层。

4） 如果要添加佐贝尔网络来减少振荡，将佐贝尔网络尽可能靠近滤波器。

5） 将缓冲电路尽可能靠近设备的输出引脚。

（2） 电源布局



　　图10 PVCC布局

（3） 输出

D类功放输出走线短而粗，包括接到喇叭的线短而粗甚至使用屏蔽线，都能有效的减小EMI。