無電感D類音頻應用實現(xiàn)極低EMI（電磁干擾）

導讀：功率電感和鐵氧體磁環(huán)的價格差異顯著，這推動了D類音頻放大器濾波設(shè)計步入無電感時代。但同時，在鐵氧體磁珠的作用下，濾波器的截止頻率會急劇飆升，從幾千赫茲增加到幾兆赫茲;從而削弱了濾波器的EMI抑制效果。因此，D類應用亟需降低EMI噪聲。在D類音頻無電感應用中，要取得良好的EMI結(jié)果取決于電路板電平調(diào)整與適當?shù)腜CB布局。鐵氧體磁環(huán)配備適當?shù)碾娙菘梢越档虳類輸出邊緣速率，但同時也會產(chǎn)生一些瞬時振蕩，加劇傳導性電磁干擾，因此，需要利用佐貝爾電路降低瞬時振蕩。

本文將介紹一些電路板電平調(diào)整技術(shù)，包括鐵氧體磁珠選擇原則——降低邊緣速率，佐貝爾網(wǎng)絡(luò)調(diào)整方法——減少瞬時振蕩，以及適當?shù)腜CB布局等。這些解決方案通過利用TI最新的EMI優(yōu)化D類音頻放大器TPA3140D2，幫助客戶大幅節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計成本，同時獲得出色的音頻性能。

無電感濾波器

無電感設(shè)計的目的是利用成本低廉的鐵氧體磁珠替代昂貴的電感，為客戶實現(xiàn)系統(tǒng)層面上的 低成本EBOM(工程材料賬單)目標。鐵氧體磁珠等同于多層片式電感。受當前鐵氧體磁環(huán)材料和制造技術(shù)的限制，此類電感很難同時承受大電流、高阻抗。以日本東光多層片式電感為例，如果工程師將額定直流電流值設(shè)定為>2.5A，則絕大多數(shù)電感值將低于1uH。行內(nèi)另外一家的產(chǎn)品順絡(luò)鐵氧體磁珠系列(UPZ2012)也有類似表現(xiàn)：如果最大額定電流大于2.5A，鐵氧體磁環(huán)磁珠同等電感值小于0.6uH。

表1為UPZ2012系列鐵氧體磁珠在100MHz的阻抗、以及不同鐵氧體磁環(huán)的最大額定電流和最大直流電阻。

表1 2012型貼片鐵氧體磁環(huán)的阻抗與最大電流

如圖1所示，“120Ω@100MHz 鐵氧體磁珠”的同等電感值為0.39uH，而 600Ω@100MHz 鐵氧體磁珠，同等電感值為1.59uH。

圖1 鐵氧體磁珠同等電感值

鐵氧體磁珠工作時相當于一個并聯(lián)諧振回路，如同電感在低頻域(100MHz)、電容在高頻域(>100MHz)工作一樣、也如同一個純電阻在自身的諧振頻率點一樣。在使用鐵氧體磁珠設(shè)定輸出濾波器時，其基礎(chǔ)就是利用它的電感特性。因為每個LC濾波器 (無源濾波器)均擁有自身的諧振頻率，在此頻率點，濾波器的增益很大，導致過濾后產(chǎn)生瞬時振蕩。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量，通常使用10Ω的電阻和330pF的電容。R2和C2將吸收由濾波器本身造成的振蕩能量。

圖2 鐵氧體磁珠濾波器設(shè)計

如何利用無電感濾波器實現(xiàn)低EMI目標?

· 意見1：選擇鐵氧體磁珠降低邊緣速率

TI 設(shè)備中利用了一些技術(shù)，盡量降低5MHz頻帶(此頻率通常為鐵氧體磁珠濾波器的截止頻率)范圍內(nèi)傳導的EMI噪聲。擴展頻譜、L和R聲道(D類立體聲音頻)的相移等也會有一定的幫助。對于小于5MHz的 EMI帶寬，尤其是當開關(guān)頻率約為300kHz(以獲得較佳效率)，實驗結(jié)果顯示減少邊緣速率是降低EMI的有效方法。

圖3 不同阻抗鐵氧體磁環(huán)的邊緣速率

圖3中，較高的鐵氧體磁珠阻抗可以實現(xiàn)較低邊沿速率的D類輸出;使用600ohm@100MHz 的鐵氧體磁珠，可以獲得最低邊緣速率的D類輸出，最終在高頻段實現(xiàn)最佳EMI結(jié)果。然而，阻抗較高意味著額定電流較小。表1中，阻抗=600ohm@100MHz，最大額定電流為2A。以電視客戶為例：

電視應用示例：PVDD (功率電源)= 12V，揚聲器負載=8Ω，BD模式，忽略PCB與鐵氧體磁珠的導通電阻和直流電阻。最大電流 = 12/8 = 1.5A。

在PVDD = 12V /8Ω揚聲器的情況下，工程師可以使用600ohm@100MHz的鐵氧體磁珠來設(shè)計濾波器。

圖4為鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果

圖4 鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果

圖5為鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果

圖5 鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果

意見2：利用佐貝爾網(wǎng)絡(luò)，盡量降低瞬時振蕩。

圖6為我們設(shè)計的用于降低輸出濾波電路振蕩效應的典型電路。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量。R2和C2 用于吸收由濾波器諧振頻率造成的振蕩。

圖6 調(diào)諧，以減少振蕩、降低邊緣速率

圖7.a中，在傳導性EMI測試噪音頻帶，捕獲到周期為350ns的振蕩(約2.85MHz)，其能量在佐貝爾網(wǎng)絡(luò)之后已經(jīng)大幅減弱，并獲得更高邊緣增益。

圖7 調(diào)整佐貝爾網(wǎng)絡(luò)和電容(減少振蕩，獲得較慢的邊緣速率)

不過又出現(xiàn)了另外一個問題，圖8顯示振蕩加劇了2MHz~4MHz的頻帶噪聲(如果D類輸出電流增加的話，振蕩會更加嚴重)。從理論上講，諧波分量越高，振幅應該越小，但是，濾波器的諧振頻率點改變了這一情況。我們看一下圖7.a，與設(shè)置4相比，設(shè)置3在2MHz~5MHz頻帶具有更好的噪聲抑制能力。最終，設(shè)置3在減少振蕩方面表現(xiàn)出最佳的調(diào)優(yōu)效果，并且獲得了較低的邊緣速率，及良好的2MHz~5MHz的EMI裕量。

圖8 振蕩加劇2MHz~4MHz 頻帶噪聲(設(shè)置4)

PCB布局

圖9為TI無電感D類音頻參考設(shè)計電路板(TPA3140D2)。圖10是典型的輸出應用電路原理圖。

a. 濾波器PCB面積(無電感) b. 濾波器PCB空間(帶電感)

圖9 TPA3140 EVM板(左)節(jié)約了很多濾波器PCB空間

圖10 TPA3140典型輸出應用電路原理圖

l 濾波器PCB布局

為盡可能減少濾波器電流回路(電流回流至GND)，確保電流環(huán)路小。

1) 將鐵氧體磁珠盡可能靠近輸出引腳。

2) 盡量減少濾波器接地的電流回路(C8至D類接地引腳)

3) 盡量確保濾波器和D類設(shè)備的底層是一個完整的接地層。

4) 如果要添加佐貝爾網(wǎng)絡(luò)來減少振蕩，將佐貝爾網(wǎng)絡(luò)盡可能靠近濾波器。

5) 將緩沖電路盡可能靠近設(shè)備的輸出引腳。

圖10 濾波器布局

· PVCC布局

圖11 PVCC布局

結(jié)論

TI最新無電感D類立體聲放大器(TPA3140)使無電感設(shè)計在中等功率D類應用中得以實現(xiàn)。根據(jù)不同的揚聲器線長度和輸出功率(電流)要求，音響系統(tǒng)工程師可以使用本文中講到的一些電路板電平調(diào)諧技術(shù)，包括鐵氧體磁珠選擇原則(降低邊緣速率)、佐貝爾網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧方法(減少振蕩)以及適當?shù)腜CB布局等，最終，在客戶系統(tǒng)級測試中，得以使TPA3140實現(xiàn)足夠的EMI裕量。目前用戶設(shè)計獲得的反饋顯示，TI TPA3140是一款真正的無電感中等功率D類音頻放大器，可以幫助客戶在降低系統(tǒng)BOM成本、更小的PCB尺寸、良好的EMC裕量及穩(wěn)定良好的音頻性能等方面取得最佳平衡。