摘要：本文僅對便攜式設(shè)備中現(xiàn)代D類放大器應(yīng)用反饋技術(shù)、擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)以降低電磁干擾（EMI）方案及其新一代無濾波器D類放大器作分析說明。并在文章開始對對便攜式設(shè)備內(nèi)部和外部產(chǎn)生的EMI(電磁干擾)與影響作了說明。
關(guān)鍵詞：電磁于擾 便攜式設(shè)備 擴(kuò)譜調(diào)制 反饋網(wǎng)絡(luò)
Abstract：This portable device is only a modern Class D amplifiers use feedback techniques, spread spectrum modulation technique to reduce electromagnetic interference (EMI) program and its new generation of filterless Class D amplifiers for analysis description. and in the article began to portable devices produced by the internal and external EMI and the effect is described.
Keywords：electromagnetic interference (EMI) portable device Spread-spectrum modulation feedback network
1 問題的提出與方案的呈現(xiàn)
1.1 首先應(yīng)對便攜式設(shè)備內(nèi)部和外部產(chǎn)生的EMI(電磁干擾)與影響作分析。
眾所周知,當(dāng)電信號處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，會產(chǎn)生EMI，一旦電信號狀態(tài)發(fā)生變化，電流流動要產(chǎn)生電磁場。所產(chǎn)生的電磁場可通過不同途徑與其它電磁信號相互作用。這些產(chǎn)生EMI叫互作用可能發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部或外部。其電磁干擾信號傳輸途徑圖見圖1(a)(b)所示。
* 外部EMI能夠擾亂許多設(shè)備的運(yùn)行，其中包括音頻設(shè)備、電視接收機(jī)、內(nèi)置醫(yī)療設(shè)備和無線控制系統(tǒng)。由于這些EMI可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如今國際上規(guī)定了相類似的適用于全世界的要求。如果不能按照這些要求去阻止超過EMI限值的產(chǎn)品銷售，就可能會損壞其它產(chǎn)品。
* 內(nèi)部EMI會產(chǎn)生更加錯(cuò)綜復(fù)雜的后果，可能造成設(shè)備內(nèi)部其它信號無法預(yù)測的特性改變。這種EMI會導(dǎo)致難以診斷和修復(fù)的間歇發(fā)生的可靠性問題。如果設(shè)備包含可能被EMI嚴(yán)重破壞的無線整機(jī)電路，內(nèi)部EMI將是一個(gè)更加嚴(yán)重的問題。
1.2 解決方案的呈現(xiàn)
由上所知，對于如蜂窩電話和筆記本電腦等低功耗便攜式設(shè)備來說，降低電磁于擾(EMl)與EMC特性及延長電池壽命、減少電路板空間等問題往往至關(guān)重要；而對于大功率設(shè)備(如車載音響系統(tǒng)或平板顯示器)來說，則要求最大限度降低散熱需求和發(fā)熱量。在上述二大問題中很重要的是與降低電磁于擾(EMl)密切相關(guān)，這是為什么吶？
其一、由于便攜式設(shè)備中開關(guān)穩(wěn)壓器能極大地節(jié)省空間并具有極低的功耗，則此穩(wěn)壓器正逐步取代線性穩(wěn)壓器，而進(jìn)入各種新型應(yīng)用中。但開關(guān)穩(wěn)壓器有一個(gè)缺點(diǎn)，其內(nèi)部開關(guān)電流可能產(chǎn)生EMI。EMI的峰值能量集中在開關(guān)頻率上，降低EMI的傳統(tǒng)方法是謹(jǐn)慎處理接地、屏蔽和濾波，以控制和抑制穩(wěn)壓器內(nèi)部開關(guān)電流所產(chǎn)生的輻射為主。此外，降低開關(guān)電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。但確切地說,多相同步和擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制(SSEM)及反饋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是降低EMI的兩種強(qiáng)有力的工具。
其二、在日新月異的多媒體時(shí)代新潮中關(guān)鍵的部件--現(xiàn)代D類放大器己成為便攜式和大功率應(yīng)用的理想選擇。從而要求現(xiàn)代D類放大器應(yīng)具有獨(dú)特的高效特性。為此當(dāng)今許多現(xiàn)代D類放大器采用先進(jìn)的擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)，可以降低電磁于擾(EMl)并免去外部濾波器。而省掉外部濾波器器不僅降低了電路板空間要求，同時(shí)大幅降低了很多便攜式/緊湊型應(yīng)用的成本。
由此推出抑制和降低EMI新技術(shù)的應(yīng)用。對抑制和降低EMI的技術(shù)可有二種,其一是通過接地、屏蔽和濾波的方法,但對于高速與頻率高的電子系統(tǒng)或便攜式設(shè)備而言,就顯得很傳統(tǒng)了.其二就是改變NRZ測試碼型功率譜的頻率或者幅度與頻譜擴(kuò)散新技術(shù)。值此作重點(diǎn)介紹：利用反饋網(wǎng)絡(luò)與頻率擴(kuò)展技術(shù)以改善設(shè)備的EMI是便攜設(shè)備中的開關(guān)穩(wěn)壓器與現(xiàn)代D類放大器中很有效的方案。
值此本文僅對其反饋技術(shù)、擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代D類放大器中降低電磁于擾(EMl)的應(yīng)用及其新一代無濾波器D類放大器作分析說明。既然這是一個(gè)新技術(shù)趨勢，故本文從系統(tǒng)性的角度出發(fā)，首先介紹基于PWM方式的傳統(tǒng)D類放大器存在的問題。
2 傳統(tǒng)D類放大器存在的問題
* 傳統(tǒng)D類放大器的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因?yàn)V波元件的非線性而引入額外失真。很多D類放大器還會使用全橋輸出級。全橋電路使用兩個(gè)半橋輸出級，并以差分方式驅(qū)動負(fù)載。這種負(fù)載連接方式通常稱為橋接負(fù)載(BTL)。全橋結(jié)構(gòu)是通過轉(zhuǎn)換負(fù)載的導(dǎo)通路徑來工作的。因此負(fù)載電流可以雙向流動，無需負(fù)電源或隔直電容。傳統(tǒng)的、基于PWM的BTL型D類放大器各輸出波形。各輸出波形彼此互補(bǔ)，從而在負(fù)載兩端產(chǎn)生一個(gè)差分PWM信號。與半橋式拓?fù)漕愃疲敵龆诵枰粋�(gè)外部LC濾波器，用于提取低頻音頻信號并防止在負(fù)載上耗散高頻能量。
* 與所有傳統(tǒng)D類放大器一樣,基于PWM方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會產(chǎn)生EMI／EMC兼容性問題，并且THD+N性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優(yōu)勢大為失色。然而，現(xiàn)代D類放大器采用先進(jìn)的調(diào)制和反饋技術(shù)，可很好地緩解上述問題。
3 利用反饋網(wǎng)絡(luò)改善性能
許多D類放大器采用PWM輸出至器件輸入的負(fù)反饋環(huán)路。閉環(huán)方案不僅可以改善器件的線性，而且使器件具備電源抑制能力。開環(huán)放大器卻正相反，它的電源抑制能力微乎其微。在閉環(huán)拓?fù)渲�，因�(yàn)闀䴔z測輸出波形并將其反饋至放大器的輸入端，所以能夠在輸出端檢測到電源的偏離情況，并通過控制環(huán)路對輸出進(jìn)行校正。閉環(huán)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢是以可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題為代價(jià)的，這也是所有反饋系統(tǒng)共同面臨的問題。因此必須精心設(shè)計(jì)控制環(huán)路并進(jìn)行補(bǔ)償，確保在任何工作條件下都能保持穩(wěn)定。
典型的D類放大器采用具有噪聲整形功能的反饋環(huán)路，可極大地降低由脈寬調(diào)制器、輸出級以及電源電壓偏離的非線性所引入的帶內(nèi)噪聲。這種拓?fù)渑c用在∑-△調(diào)制器中的噪聲整形類似。為闡明噪聲整形功能，圖1給出了為現(xiàn)代D類放大反饋補(bǔ)償回路以傳遞函數(shù)形式表達(dá)的示意圖,即一個(gè)1階噪聲整形器的簡化框圖.反饋網(wǎng)絡(luò)通常包含一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，但為簡便起見，圖1的反饋比例為1.由于理想積分器的增益與頻率成反比，圖中積分器的傳遞函數(shù)也被簡化為1／s.同時(shí)假定PWM模塊具有單位增益，并且在控制環(huán)路中具有零相位偏移。使用基本的控制模塊分析方法，可得到以下輸出表達(dá)式：
由等式1可知，噪聲項(xiàng)En(s)與一個(gè)高通濾波器函數(shù)(噪聲傳遞函數(shù))相乘，而輸入項(xiàng)VIN(s)與一個(gè)低通濾波器函數(shù)(信號傳遞函數(shù))相乘。噪聲傳遞函數(shù)的高通濾波器對D類放大器的噪聲進(jìn)行整形。如果輸出濾波器的截止頻率選取得當(dāng)，大部分噪聲會被推至帶外(見圖2右上角坐標(biāo)糸統(tǒng))。
圖2 現(xiàn)代D類放大器反饋補(bǔ)償回路方框以傳遞函數(shù)形式表達(dá)的示意圖
上述例子使用的是1階噪聲整形器，而多數(shù)現(xiàn)代D類放大器采用高階噪聲整形拓?fù)�，以便進(jìn)一步優(yōu)化線性度和電源抑制特性。
4 新型無濾波器D類放大器的導(dǎo)出
傳統(tǒng)D類放大器的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因?yàn)V波元件的非線性而引入額外失真。幸好，很多現(xiàn)代D類放大器采用了先進(jìn)的“免濾波器”調(diào)制方案，從而省掉或至少是最大限度降低了外部濾波器要求。圖3給出免濾波器調(diào)制器拓?fù)涞暮喕δ芸驁D。
圖3 免濾波器調(diào)制器拓?fù)涞暮喕δ芸驁D
與傳統(tǒng)的PWM型BTL放大器不同，每個(gè)半橋都有自己專用的比較器，從而可獨(dú)立控制每個(gè)輸出。調(diào)制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅(qū)動。當(dāng)兩個(gè)比較器輸出均為低電平時(shí)，D類放大器的每個(gè)輸出均為高。與此同時(shí)，或非門的輸出變?yōu)楦唠娖�，但會因�(yàn)镽ON和CON組成的RC電路而產(chǎn)生一定延時(shí)。一旦或非門延時(shí)輸出超過特定門限，開關(guān)SWl和SW2隨即閉合。這將使OUT+和OUT-變?yōu)榈停⒈３值较聜�(gè)采樣周期的開始。這種設(shè)計(jì)使得兩個(gè)輸出同時(shí)開通一段最短時(shí)間t0N(MIN)，這個(gè)時(shí)間由RON和CON的值決定。如圖4所示，輸人為零時(shí)，兩個(gè)輸出同相并具有t0N(MIN)的脈沖寬度。
圖4 免濾波器調(diào)制器拓?fù)涞妮斎肱c輸出波形示意圖
隨著音頻輸入信號的增加或減小，其中一個(gè)比較器會在另一個(gè)之前先翻轉(zhuǎn)。這種工作特性外加最短時(shí)間導(dǎo)通電路的作用，將促使一個(gè)輸出改變其脈沖寬度，另一個(gè)輸出的脈沖寬度保持為t0N(MIN)，見圖4所示。這意味著每個(gè)輸出的平均值都包含輸出音頻信號的半波整流結(jié)果。對兩路輸出的平均值進(jìn)行差值運(yùn)算，便可得到完整的輸出音頻波形。
由于MAX9700的輸出端在空閑時(shí)為同相信號，所以負(fù)載兩端沒有差分電壓，從而最大限度降低了靜態(tài)功耗，并且無需外部濾波器。免濾波器D類放大器從輸出中提取音頻信號時(shí)并不依靠外部LC濾波器，而是依靠揚(yáng)聲器負(fù)載固有的電感以及人耳的聽覺特性來恢復(fù)音頻信號。揚(yáng)聲器電阻(RE)和電感(LE)形成一個(gè)1階低通濾波器，其截止頻率為：
對大多數(shù)揚(yáng)聲器而言，這個(gè)l階低通濾波器足以恢復(fù)音頻信號，并可防止在揚(yáng)聲器電阻上耗散過多高頻開關(guān)能量。即使依然存在殘余開關(guān)能量使揚(yáng)聲器組件產(chǎn)生運(yùn)動，這些頻率也無法被入耳聽到或影響聽覺感受。使用免濾波器D類放大器時(shí)，為獲得最大輸出功率，揚(yáng)聲器負(fù)載應(yīng)保證在放大器開關(guān)頻率下仍為感性負(fù)載。
5 利用D類放大器延長電池使用壽命
高效D類音頻功率放大器使電池使用壽命延長為傳統(tǒng)線性放大器的兩倍，從而使音樂播放時(shí)間更長。DC音量控制等特性不僅降低了系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了板級空間的最小化，同時(shí)其低噪聲底限能擴(kuò)大動態(tài)范圍，并優(yōu)化音頻質(zhì)量。D類音頻放大器可為你的便攜式揚(yáng)聲器系統(tǒng)提供靈活的低成本設(shè)計(jì)解決方案，見圖5示意圖。圖5中D類放大器可采用TPA2008D2型2×3W D類放大器。
圖5 利用D類放大器延長電池使用壽命示意圖
該解決方案應(yīng)用范圍為：音頻基座、迷你揚(yáng)聲器與輕便型收錄機(jī)。其特性為：8Ω揚(yáng)聲器提供的88％的 D類放大效率；集成DC音量控制范田為-38dB至20dB，而步長為2dB；低噪聲，電源紋波抑制比(PSRR)為70dB；TPA2008D2型為24引腳HTSSOP封裝。
6 擴(kuò)譜調(diào)制的應(yīng)用是降低EMI有效技術(shù)
有必要先介紹何謂擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)。通過展寬信號頻譜來減少EMI的需求，根據(jù)這個(gè)基本概念加以拓展的主要優(yōu)化技術(shù)被稱為優(yōu)化擴(kuò)譜調(diào)制或稱頻譜擴(kuò)散(OSD)。它極大地減少了EMI，而沒有受頻譜展寬時(shí)鐘(SSC)抖動問題的困擾。
應(yīng)該說，免濾波器工作方式的一個(gè)缺點(diǎn)就是可能通過揚(yáng)聲器電纜輻射EMI。由于D類放大器的輸出波形為高頻方波，并具有陡峭的過渡邊沿，因此輸出頻譜會在開關(guān)頻率及開關(guān)頻率倍頻處包含大量頻譜能量。在緊靠器件的位置沒有安裝外部輸出濾波器的話，這些高頻能量就會通過揚(yáng)聲器電纜輻射出去。免濾波器D類放大器采用“擴(kuò)譜調(diào)制“方案，可幫助緩解可能的EMI問題。
擴(kuò)展頻譜模式下，采樣時(shí)鐘頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)逐周期變化，使輸出頻譜的分布比較平坦，從而改善了經(jīng)過喇叭或音頻線纜的EMI輻射，見圖6所示。采樣頻率的變化不會破壞音頻信號的恢復(fù)，也不會降低整體效率。
圖6 擴(kuò)展頻譜模式下改善了經(jīng)過喇叭或音頻線纜的EMI輻射
一些D類放大器也可允許接受外部的系統(tǒng)頻率同步，來降低或避開敏感的頻帶。另外，現(xiàn)代D類放大器具有主動幅射限制電路(AEL)，AEL電路會在輸出瞬變時(shí)主動控制輸出FET的柵極，避免傳統(tǒng)D類放大器中因感性負(fù)載的續(xù)流所引起的高頻幅射，進(jìn)而降低EMI。
例如 MAX9705、MX9773兩款現(xiàn)代D類放大器除了具有普通的固定頻率模式(FFM)、擴(kuò)展頻譜模式(SSM)、外部同步模式及SSM+AEL模式，用戶可利用其SYNC引腳設(shè)定取樣頻率�，F(xiàn)代D類放大器，加上仿真程序的計(jì)算，可計(jì)算出各個(gè)模式下的EMI特性.擴(kuò)展頻譜模式+主動幅射限制模式下，提供最佳的EMI抑制。
通過抖動或隨機(jī)化D類放大器的開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜調(diào)制。實(shí)際開關(guān)頻率相對于標(biāo)稱開關(guān)頻率的變化范圍可達(dá)到土10％。盡管開關(guān)波形的各個(gè)周期會隨機(jī)變化，但占空比不受影響，因此輸出波形可以保留音頻信息。圖7顯示以MAX9700為例的擴(kuò)譜調(diào)制的效果，是在OUT+或OUT-與地之間寬帶(為10KHz)的輸出頻譜測量效果，即擴(kuò)譜調(diào)制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內(nèi)。
圖7 以MAX9700為例的擴(kuò)譜調(diào)制的效果，擴(kuò)譜調(diào)制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內(nèi)。
擴(kuò)譜調(diào)制有效展寬了輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開關(guān)頻率及其各次諧波上。換句話說，輸出頻譜的總能量沒有變，只是重新分布在更寬的頻帶內(nèi)。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，因而將揚(yáng)聲器電纜輻射EMI的機(jī)會降至最少。雖然一些頻譜噪聲可能由擴(kuò)譜調(diào)制引入音頻帶寬內(nèi)，這些噪聲可以被反饋環(huán)路的噪聲整形功能抑制掉。
很多現(xiàn)代免濾波器D類放大器還允許開關(guān)頻率同步至一個(gè)外部時(shí)鐘信號。因此用戶可以將放大器開關(guān)頻率設(shè)置到相對不敏感的頻率范圍內(nèi)。
盡管擴(kuò)譜調(diào)制極大地改善了免濾波器D類放大器的EMI性能，為了滿足FCC或CE輻射標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上還是需要對揚(yáng)聲器電纜長度加以限制。如果設(shè)備因揚(yáng)聲器電纜過長而沒能通過輻射測試，則需要一個(gè)外部輸出濾波器來衰減輸出波形的高頻分量。對于許多具有適度揚(yáng)聲器電纜長度的應(yīng)用來說，在輸出端安裝磁珠／濾波電容即可滿足要求,見圖8(a)所示。
圖8(a) 輸出端安裝磁珠/濾波電容示意圖
而圖8(b)為省掉價(jià)格昂貴的電感而用磁珠／濾波電容使EMI受限的特性曲線。
圖8(b) 省掉價(jià)格昂貴的電感而用磁珠/濾波電容使EMI受限的特性曲線
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