如何應(yīng)對(duì)D類音頻應(yīng)用中的EMI問(wèn)題
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EMI包含有兩個(gè)方面：放射和電磁耐受性。放射是指哪些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲。電磁耐受性是指哪些設(shè)備會(huì)受到其它設(shè)備的電磁波影響。在稍候的篇幅中，我們將會(huì)多討論一些有關(guān)電磁耐受性的問(wèn)題。因?yàn)槿绻苡行У乜刂齐姶欧派?，那么處理后續(xù)的電磁耐受性就變得相對(duì)容易了。放射一般來(lái)說(shuō)大體分為輻射性放射和傳導(dǎo)性放射兩類。輻射性放射來(lái)自電路板、走線或電線，以電磁波的形態(tài)經(jīng)大氣傳播影響附近的接收器。需要注意的是“接收器”可泛指任何因外來(lái)電磁能量干擾而影響其運(yùn)行的電路。例如，PCB走線或IC的引線。傳導(dǎo)性放射是指能量經(jīng)電線或電纜逃脫或傳導(dǎo)出來(lái)。傳導(dǎo)性放射可以直接影響電路性能，或者轉(zhuǎn)化為輻射性放射。
圖1：波長(zhǎng)和頻率之間的物理關(guān)系
要了解兩種放射，我們必須對(duì)天線有一定的了解。圖1所示波長(zhǎng)和頻率之間的物理關(guān)系。一根天線的有效長(zhǎng)度必須達(dá)到波長(zhǎng)的四份之一。如果在大氣中，其介電特性為1。那么在FR4或玻璃環(huán)氧電路板中，其介電特性便會(huì)降低至4.8。因此信號(hào)一旦到達(dá)FR4的電介質(zhì)梯度，其傳播走線就會(huì)變慢。于是會(huì)引起“波長(zhǎng)縮減”效應(yīng)。例如，一個(gè)200MHz的信號(hào)在大氣中的四分之一波長(zhǎng)為16.7cm，如果在內(nèi)層的電路板走線，那么波長(zhǎng)就變?yōu)?6.7/4.8(1/2)=7.6cm。
即使PCB走線的長(zhǎng)度短于波長(zhǎng)的四分之一，仍可以是有效的天線，能夠同時(shí)增強(qiáng)放射性和電磁耐受性。除了內(nèi)層外，表面的走線也可表現(xiàn)出波長(zhǎng)縮減效應(yīng)。因?yàn)殡娊橘|(zhì)的一面已足可改變傳遞的整個(gè)介電特性。
PCB走線等非意愿天線(unintended antenna)，可以說(shuō)是數(shù)字系統(tǒng)中輻射噪聲背后的黑手。從輻射性放射的角度考慮，我們可發(fā)現(xiàn)D類音頻放大器本質(zhì)上可被看作成一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。電磁學(xué)中一個(gè)關(guān)鍵原理是電磁互易(reciprocity)，因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)可產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，并且電通量的變化可引發(fā)電流的流動(dòng)。按照這個(gè)原理，一條天線既可以用來(lái)接收電磁信號(hào)也可以用來(lái)發(fā)送電磁信號(hào)。假如非意愿天線受到噪聲電流的刺激，而其長(zhǎng)度接近波長(zhǎng)的四分一接近時(shí)，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生輻射性放射。
圖2：常用的天線設(shè)計(jì)
如圖2所示，常用的天線設(shè)計(jì)有兩種：偶極天線和鞭形天線。一個(gè)有趣的事實(shí)是鞭形天線本身就是半條偶極天線，水平接地經(jīng)感應(yīng)后，鞭形天線可成為另外的半條偶極天線。眾所周知，天線的作用是通過(guò)電氣能量的輻射來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)。不過(guò)，如圖3所示，PCB中的非意愿天線可包括：長(zhǎng)走線；通路；元件的引線和接腳；無(wú)載電路板的連接器和插座。
圖3：PCB中的非意愿天線
PCB上一些沒(méi)有端接的表面走線或埋在下面的走線可以變成非意愿鞭形天線。在不同電位勢(shì)下的走線片段可以因不良布局而變成振子天線。同時(shí)，PCB的導(dǎo)電層可作為雙極天線的另一條腿，而板子本身會(huì)被耦合到電場(chǎng)中。
D類音頻放大器
由于自身的效率很高，D類音頻放大器很快就在消費(fèi)電子設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。D類音頻放大器通過(guò)輸入的模擬信號(hào)來(lái)調(diào)制一個(gè)高頻方波，該方波的頻率可以是固定的也可以是可變的，甚至可以是隨機(jī)脈沖。低通濾波器用來(lái)過(guò)濾信號(hào)中的高頻內(nèi)容以及恢復(fù)原始音頻信號(hào)。在沒(méi)有濾波器的拓樸中，揚(yáng)聲器本身的電感會(huì)被合并成濾波器的一部份。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種普遍的D類拓樸技術(shù)，它采用固定頻率的波形，并通過(guò)改變工作周期在低通濾波器后面產(chǎn)生出一個(gè)移動(dòng)平均信號(hào)(圖4)。
圖4：PWM是一種普遍的D類拓樸技術(shù)
采用開(kāi)關(guān)拓樸的好處很明顯，例如：高效率、低功耗和易散熱。不過(guò)，增加效率并不是沒(méi)有代價(jià)的。為了提升效率，需要采用一個(gè)銳利且變換迅速的方波。但由于光譜能量高度集中在方波的邊沿，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)中的問(wèn)題再現(xiàn)。同時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一些過(guò)激，使波形在短時(shí)間超越最高和最低的電壓。過(guò)激使在輸出光譜產(chǎn)生出額外的高頻量，并對(duì)EMI和音頻性能造成不良影響。
對(duì)抗EMI
要消除EMI，需要在電路設(shè)計(jì)時(shí)整合電氣工程師、電路板布局工程師和制造工程師的力量，合力研發(fā)出一個(gè)最佳的PCB設(shè)計(jì)。要處理好EMI的問(wèn)題，通常應(yīng)在PCB設(shè)計(jì)時(shí)注意：
1. 在會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)的電源和接地間放置去耦電容器。如果隨便放置電容器會(huì)惡化EMI問(wèn)題；
2. 電源層應(yīng)與電路板的邊沿保持一定距離；
3. 避免在接地或電源層內(nèi)切斷走線，否則可能會(huì)造成非意愿針孔；
4. 對(duì)所有的高頻時(shí)鐘線路提供足夠的端接；
5. 為電路板連接器提供適當(dāng)濾波；
6. 良好的PCB設(shè)計(jì)可避免出現(xiàn)環(huán)路天線。環(huán)路天線可以使正向和反向的電流都在定義好的路徑上傳導(dǎo)。
另外，還可以通過(guò)抑制天線的電流來(lái)制止輻射。
對(duì)于音頻設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，必須考慮下列兩點(diǎn)：
1. 把由音頻放大器到揚(yáng)聲器的走線長(zhǎng)度縮到最短。因?yàn)橐坏┳呔€達(dá)到波長(zhǎng)的四分之一，就會(huì)出現(xiàn)明顯的輻射，走線或電線便會(huì)變成天線。
2. 對(duì)于無(wú)濾波器的D類系統(tǒng)，連接著放大器輸出和揚(yáng)聲器的走線或電纜將會(huì)是RF放射的最大來(lái)源。
圖5：在放大器附近放置鐵氧體磁珠是有效抑制EMI的方法
在放大器附近放置鐵氧體磁珠并與揚(yáng)聲器串列，可以是很有效的抑制EMI的方法。為了進(jìn)一步理解鐵氧體磁珠的抑制方法，我們將鐵氧體磁珠分成頻變電阻和電感元件，如圖5所示。要抑制EMI，鐵氧體磁珠需要作為電阻器，但因?yàn)镽dc=0，該處沒(méi)有直流電壓降。對(duì)于頻率低于1 MHz的應(yīng)用，采用這種方法很有效。此外，如圖所示，還需要考慮二元分壓器。Z1和Z2都是頻率相關(guān)的，為了達(dá)到所需的低通濾波器功能，以下的關(guān)系必須成立：在要求的頻率下Z2>>Z1，在噪聲頻率下Z1>>Z2。
鐵氧體通常會(huì)用來(lái)作為串聯(lián)元素，電容便作為分流元素。 這里的電容可以是物理電容，也可以是集中電容。傳遞函數(shù)表示Z1和Z2將會(huì)分別隨著頻率(1/jωC)增加和減少。而系統(tǒng)將會(huì)有某程度的阻尼明顯地消減共振效應(yīng)。
圖5：在放大器附近放置鐵氧體磁珠是有效抑制EMI的方法
從圖中可見(jiàn)，在處理D類固有的周期性方波時(shí)，最基本的難題是諧振間隔時(shí)出現(xiàn)的集中能量。為了設(shè)計(jì)一個(gè)“安靜”的低EMI D類放大器，一個(gè)方法是將頻率來(lái)回抖動(dòng)，或擴(kuò)展開(kāi)關(guān)的頻譜，降低頻譜內(nèi)所有點(diǎn)上的能量。與傳統(tǒng)的D類放大器相比，擴(kuò)頻調(diào)制方案有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：除了可保持高效效率和低THD+N外，更重要的是大幅削減了輻射噪聲和EMI，如圖6中所示。
圖6：擴(kuò)頻調(diào)制方案除了可保持高效效率和低THD+N外，還能大幅削減了輻射噪聲和EMI
LM48511是一個(gè)擴(kuò)頻調(diào)制式D類音頻放大器，內(nèi)部集成了一個(gè)內(nèi)置式升壓穩(wěn)壓器，可把電壓提升至7V，從而增強(qiáng)放大器的輸出功率和音頻聲壓級(jí)。此外，該升壓穩(wěn)壓器即使在電池衰減的情況下也可使放大器維持一個(gè)固定的輸出水平。
LM48511特設(shè)有一個(gè)邏輯可選擴(kuò)頻調(diào)制器，可削減EMI并且可免除使用輸出濾波器或扼流圈。如圖7所示，擴(kuò)頻調(diào)制器會(huì)供給一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H-橋，該H-橋負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)橋接式負(fù)載揚(yáng)聲器。在擴(kuò)頻模式中，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)在約330kHz頻率處隨機(jī)發(fā)生10%的變化，從而減少由揚(yáng)聲器、相關(guān)的電線和走線所產(chǎn)生的輻射性EMI放射。在這個(gè)模式下，一個(gè)固定頻率的D類放大器會(huì)展現(xiàn)出比開(kāi)關(guān)頻率高幾倍的頻譜能量，而LM48511的擴(kuò)頻體系結(jié)構(gòu)將會(huì)把這些能量擴(kuò)展到一個(gè)較大的頻寬，從而減少電路中的峰值噪聲功率。
圖7：擴(kuò)頻調(diào)制器供給一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H-橋，該H-橋負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)橋接式負(fù)載揚(yáng)聲器
電磁性干擾是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題。對(duì)于音頻設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃以及選擇器件、材料時(shí)都必須考慮到EMI問(wèn)題。
評(píng)論