采用扩频调制技术降低D类放大器音频应用中的电磁干扰

2007-06-04 10:51:47来源: 电子系统设计 关键字:抑制  信号  开关  载波
对D类放大器拓扑结构进行简单的回顾有助于更好地理解电磁干扰(EMI)的根源。D类放大器采用参考的三角波或锯齿波音频信号进行调制,并产生一个被放大的通常具有脉冲宽度调制(PWM)开关输出形式的信号。虽然调制方式可能有所不同,但所有的D类放大器都以由调制频率所决定的频率(通常远高于音频范围,一般公认在20Hz~20kHz范围内),连续地进行开关操作,输出满摆幅信号,因此必须控制方波载波占空比,使其平均值与输入信号的瞬时值成正比。典型的开关频率大于输入信号中感兴趣的最高频率的10倍。在大多数D类放大器中,还会使用一条带有误差信号的反馈路径,来提高总谐波失真噪声(THD+N)性能、电源抑制比(PSRR)和其它一些性能特性。

D类放大器在实际应用中所受的限制是显而易见的。高频能量出现在开关频率和它的谐波以及方波的频谱成份上。直到不久以前,D类放大器还需要一个低通滤波器(通常为2极点的巴特沃思LC滤波器),来滤除大电流的高频方波,只留下音频信号。在新型的D类放大器中,一种无滤波器的实现方法采用扩音器本身作为低通滤波器元件。这些更新的“无滤波器型”D类放大器在便携式设计中变得十分流行。不幸的是,由于这一方法所产生的电磁干扰强度超出了传统的带有滤波器的D类放大器所允许的要求,所以有可能不允许使用它们。

对D类放大器,曾有过这样的论述:“在这一实现方法上,人们曾投入巨大的精力和才智,因为在理论上其效率非常高,但实际应用中却困难重重,尤其是在一个EMC法规十分严格的世界里,我们不清楚200kHz的高功率正弦波是否是一个好的切入点。”便携式设计的趋势加剧了电磁干扰问题。由于产品变得越来越小,元件、引线和电线离得越来越近,适当的印刷电路板布局变得越来越困难。由于面积的限制,几乎不可能再使用滤波器。目前的发展趋势要求器件的音量越来越高,因而需要更高的功率和电流,从而产生更大的辐射。此外,在单个平台中融合多种无线通信功能,比如蓝牙、Wi-Fi、无线局域网络等,更使电磁干扰成为一个突出的难题。电磁干扰除了是产品内部需要直接考虑的问题外,与其它外部系统的射频辐射干扰也是一个需要被考虑的问题。大多数的消费类系统需要通过一些FCC的检测,这些检测主要是针对产品的无意辐射对其它使用射频频谱器件的干扰问题。

有许多方法可被用来减少电磁干扰,其中之一是减缓方波的边沿,但这样会减弱对到来的模拟音频信号精确采样的能力并使效率降低,因此是以增大THD+N为代价的。使用LC(电感+电容)滤波器能极大降低电磁干扰,但LC滤波器体积很大并十分昂贵,其尺寸和成本随输出功率的增大而增大。一旦引线的长度达到其所传输信号波长的四分之一,PCB引线和电线在本质上将产生天线效应,产生大量的辐射,因此通常引线的长度要尽可能地短。

其它一些办法包括让传输高频信号的PCB引线从地平面之间通过,并使用绝缘的元件和环形电感等。对于无滤波器的D类系统,连接放大器输出和扬声器的引线和电缆长度很可能是最大的射频辐射源。例如,在靠近放大器的位置与扩音器串联放置一个铁氧体磁珠等传统方法都能有效地降低辐射。铁氧体磁珠能起到射频扼流器的作用,衰减高频信号成份。但是铁氧体磁珠仅在较窄的频率范围内有效,可能难以在整个输出噪声的带宽范围内提供足够的衰减。如果PCB布局和滤波器不能将电磁干扰降低到一个可接受的水平,那么可以采用屏蔽措施。电源是另一个可能的电磁干扰源。D类放大器以与出现在电源线上输出开关边沿相关的大幅度窄脉冲的形式汲取电流。通过适当的布局和旁路技术能降低与电源相关的电磁干扰。

虽然“事后”降低电磁干扰的方法是有效的,但最好的方法还是一开始就使放大器产生较小干扰。与以前的D类拓扑结构相比,扩频器件提供了这种可能。扩频技术不是最近才发展起来的,它的使用历史已超过半个世纪,最早被用于通信系统和军用雷达等应用。在过去的十年中,扩频调制技术被广泛应用于其它领域,尤其是时钟电路中,当被用于D类放大器时,扩频技术也会带来类似优点。

扩频调制器在中心开关频率附近的一个频段(例如在300kHz中心频率附近进行具有±30%的频率扩展)内调输出桥的开关频率。只要频率变化一直是随机的,从简单的扫描到载频的不相关跳变等各种方法都能作为实际的变频方法。扩频调制方案有一些关键的优势:在维持高效率和低THD+N的同时,可降低辐射噪声和电磁干扰,而总能量并没有减少。如图1所示,扩频后的峰值能量降低了,但总能量保持不变,而是分布到一个更宽的频带内。噪声的带宽变得更大,但在任何一个频点上的噪声峰值都比由固定频率器件产生的噪声要小。

图1:扩频前后的噪声和噪声基底对比。

通过在某一频谱范围内随机地改变开关波形的频率,宽带的频谱成份被压平。图2通过快速傅立叶变换(FFT)来显示扩频技术对噪声能量的影响,右图中固定频率放大器的FFT显示出集中在谐波上的峰值能量更高,左图中扩频调制放大器的FFT显示出所有的峰值能量都较低,并且谐波较少,从而使噪声基底更高。

图2:通过快速傅立叶变换(FFT)显示的扩频技术对噪声能量的影响。

扩频调制技术主要有两方面的优点:更低的辐射噪声峰值带来电磁干扰性能的改善,并能缩小甚至不再需要D类应用中常见的电磁干扰滤波器,例如图3所示的一款引入扩频技术的D类音频放大器。

图3:带有扩频调制技术的D类音频放大器(LM4675)。

表中给出了FCC和CE标准中的D类放大器辐射标准,它们适用于任何不做发射用途的数字消费类器件。所有消费类电子产品在美国和欧洲上市前必须先通过这两种认证。

表:FCC和欧洲工程标准(CE)的D类放大器辐射标准。

如图4所示,对带有2英寸扬声器电缆,且没有滤波器元件的产品进行初步电磁干扰测试,结果显示该产品在FCC B级限制测试过程中具有出色的电磁干扰性能。红线表示FCC B级的限制,噪声频谱必须一直低于这条线才符合FCC的发射要求。

图4:辐射发射30~1,000MHz,对带有2英寸扬声器电缆,
且没有滤波器元件的产品进行初步电磁干扰测试的结果。

扩频调制技术为D类音频放大器的应用带来了显著优点,它降低了射频辐射,并简化了诸如使用LC滤波器等高成本的降低电磁干扰的策略,极大减小了传统D类拓扑结构在便携设计领域中曾面临的障碍。能从中获益的相关应用包括任何需要遵从FCC/EC规则或其它诸如Mil-Std-461等与电磁干扰相关规则的便携式器件。此外,任何需要降低系统噪声的便携式设备,如通信设备、音乐播放器、广播设备以及麦克风等,都能从扩频技术中获益。

电磁干扰是系统级设计中需要考虑的重要问题,系统设计人员需要从设计中所使用的单元模块和元件入手,利用所有可以支配的工具来创建一个高性能的产品,采用具有扩频调制特性的器件能有效地降低便携式系统设计的电磁干扰。

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