减少D类放大器中的电磁干扰

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D类(或开关)放大器，因为相比传统的AB类放大器设计，这类放大器的散热较少(在紧凑型产品中非常重要)，且效率较高(延长电池寿命)。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。
　　边缘速率控制
　　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，其上方迹线有2ns的上升和下降时间，而下方迹线有20ns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)手机或无线互联网电路(700MHz " 2.7GHz)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)。总的来说，由于增添ERC而产生的效率代价可能为1% " 2%。
　　



                          
                       
                          
                               
扩频时钟

　　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。
　　



                          
                       
                          
                                单边调制

　　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。
　　




　　




　　结论
　　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。