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如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?

發(fā)布時(shí)間:2018-11-14 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在手機(jī)、GPS系統(tǒng)、膝上型電腦和筆記本電腦、平板電腦、游戲機(jī)、玩具等,這些電子產(chǎn)品中通常選用的驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的音頻放大器類(lèi)型被稱(chēng)為D類(lèi)(或開(kāi)關(guān))放大器,因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)的AB類(lèi)放大器設(shè)計(jì),這類(lèi)放大器的散熱較少(在緊湊型產(chǎn)品中非常重要),且效率較高(延長(zhǎng)電池壽命)。
 
D類(lèi)放大器開(kāi)關(guān)拓?fù)涞囊粋€(gè)可能存在的缺點(diǎn),就是其容易發(fā)出電磁輻射,可能會(huì)干擾周邊其它電子設(shè)備??梢酝ㄟ^(guò)外部無(wú)源濾波方法將這種干擾緩減到某種程度,但這會(huì)增加最終產(chǎn)品的成本、占位面積以及復(fù)雜性。本文將探討某些用于減輕EMI問(wèn)題的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)方法。
 
第一 邊緣速率控制
 
為了放大音頻信號(hào),D類(lèi)放大器的輸出(或各種輸出,以不同的配置) 在兩個(gè)電源軌(通常為正極和接地)之間交替切換,其頻率是所需放大的最高音頻頻率的10倍或更高(可能為300kHz或更高)。
 
開(kāi)關(guān)信號(hào)是經(jīng)過(guò)調(diào)制的,從而通過(guò)簡(jiǎn)單的、有時(shí)是揚(yáng)聲器本身包含的低通濾波器來(lái)恢復(fù)音頻信號(hào)。此開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換一般速度非常快——也許是2ns或更短——因而包含顯著的高頻能量。這會(huì)導(dǎo)致互連導(dǎo)線纜產(chǎn)生EMI輻射,尤其是在信號(hào)路徑中無(wú)低通濾波器,且放大器和揚(yáng)聲器之間的導(dǎo)線長(zhǎng)度非常明顯的情形下(也許超過(guò)1cm)。
 
用于緩減EMI輻射的一個(gè)方法是減低放大器輸出的轉(zhuǎn)換速率(slew rate)。圖1所示為時(shí)域中的一個(gè)例子,其上方跡線有2ns的上升和下降時(shí)間,而下方跡線有20ns的上升和下降時(shí)間。
 
轉(zhuǎn)換速率的減?。ㄟ@里的因數(shù)為10) 對(duì)于D類(lèi)放大器產(chǎn)生的輻射能量有著顯著的影響。圖2顯示了兩種波形的頻譜,此時(shí)D類(lèi)輸出正處于靜默(無(wú)音頻,占空比=50%),開(kāi)關(guān)頻率為333kHz??梢钥吹截灤┯?0MHz~1GHz之間的大部分頻譜,其高頻(HF)內(nèi)容減少約20dB。在包含有FM廣播接收電子設(shè)備(88MHz ~ 108MHz)手機(jī)或無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)電路(700MHz ~ 2.7GHz)的系統(tǒng)中,這可大幅減少EMI,從而降低了可能影響系統(tǒng)性能的風(fēng)險(xiǎn)。
 
如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?
 
圖2清楚地顯示了邊緣速率控制(edge rate control,ERC)技術(shù)減少EMI的優(yōu)勢(shì),不過(guò)代價(jià)是增加了損耗。
 
首先是D類(lèi)放大器提供的效率優(yōu)勢(shì),主要來(lái)自于輸出器件始終完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉,因此輸出器件中的瞬時(shí)耗散功率P= VI,在所有時(shí)間里基本上保持為零 (不同于AB類(lèi)放大器,其功率器件的VI乘積從不為零)。
 
在每次開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)引入(或增加)時(shí)間跨度,其間V ≠ 0,同時(shí)負(fù)載電流I ≠ 0,導(dǎo)致片上功耗適度增加,因而帶來(lái)效率的降低。其次,一個(gè)非ERC輸出級(jí)在本質(zhì)上僅是一個(gè)大型逆變器(可能包括直通或短路沖擊電流的緩減),而一個(gè)ERC輸出級(jí)包含附加電路,能夠調(diào)節(jié)上拉和下拉器件的觸發(fā)電壓,以便在輸出端上產(chǎn)生期望的、受控制的轉(zhuǎn)換速率。取決于所使用的方法,這增加了芯片面積(成本)和電流消耗(降低效率)。
 
總的來(lái)說(shuō),由于增添ERC而產(chǎn)生的效率代價(jià)可能為1% ~ 2%。
 
如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?
 
第二 擴(kuò)頻時(shí)鐘
 
上述討論的邊緣速率控制(ERC)是一個(gè)有效的方法,可減弱在30MHz以上頻率范圍產(chǎn)生的EMI (也受限于FCC法規(guī)的限制),而D類(lèi)放大器開(kāi)關(guān)輸出的基本載波頻率和其落在30MHz以下范圍的相關(guān)奇次諧波(方波),則不太好采用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)處理。圖3所示為此頻帶出現(xiàn)的由傳統(tǒng)的、未修改的D類(lèi)放大器輸出產(chǎn)生的能量。
 
如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?
 
為了減小D類(lèi)輸出頻譜中的基音和泛音尖峰高度,可以在放大器的時(shí)鐘電路中加入少量頻率調(diào)制——也許調(diào)制指數(shù)在±5%左右,不會(huì)影響所放大音頻信號(hào)的質(zhì)量。針對(duì)調(diào)制信號(hào)源的特性有許多選擇,一個(gè)常規(guī)作法是使用帶有重復(fù)頻率(全模式重復(fù)頻率)的偽隨機(jī)模式,其超出最高預(yù)期音頻信號(hào)頻率(通常為20kHz)一個(gè)適當(dāng)?shù)挠嗔?,這可防止產(chǎn)生可能落入音頻頻帶的音調(diào)。
 
圖4顯示了和圖3所示相同的D類(lèi)輸出,但其帶有±5%調(diào)制,在40kHz模式重復(fù)頻率下由偽隨機(jī)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)。
 
如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?
 
圖5顯示了圖3和圖4顏色疊加后的圖片,更清楚地顯示了由擴(kuò)頻時(shí)脈帶來(lái)的差異。能夠看見(jiàn)在整個(gè)頻譜范圍內(nèi),基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率的奇次諧波被抑制了將近10dB。
 
如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?
 
第三 單邊調(diào)制
 
可以采用一種附加方法來(lái)減少EMI,通過(guò)修改調(diào)制方案,當(dāng)音頻基帶信號(hào)振幅變得足夠大時(shí),允許單邊差分或橋式D類(lèi)輸出對(duì)停止切換(圖6)。這本質(zhì)上允許反向輸出,一直持續(xù)到開(kāi)關(guān),以便進(jìn)行全面調(diào)制,將輸出信號(hào)保持在剩余間隔直至其最高峰值。
 
此方案,在很大比例時(shí)間內(nèi)(取決于音頻源材料),僅有一個(gè)輸出在開(kāi)關(guān),因而EMI(在那個(gè)時(shí)間內(nèi))減少了一半。這增加了優(yōu)勢(shì),減少了由于功率器件門(mén)和其它寄生電容充放電帶來(lái)的固定開(kāi)關(guān)損耗。它還縮短了輸出在ERC轉(zhuǎn)換方面的時(shí)間,如上所述,該轉(zhuǎn)換有少量的效率代價(jià)。此技術(shù)的缺點(diǎn)是放大器的整體前向增益會(huì)有些許降低,同樣地,總體諧波失真(total harmonic distortion,THD)和噪聲也有少量增加。帶有和未帶有單邊調(diào)制的D類(lèi)輸出頻譜如圖7。
 
如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?
 
 
如何減少D類(lèi)放大器中的電磁干擾?
 
第四 結(jié)論
 
D類(lèi)放大器通常用于便攜設(shè)備,因其功率效率超過(guò)傳統(tǒng)AB類(lèi)放大器。D類(lèi)技術(shù)的主要缺點(diǎn)是其固有的EMI,會(huì)對(duì)周邊電子設(shè)備產(chǎn)生不利影響?,F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些有效的IC設(shè)計(jì)技術(shù),能夠極大地緩解EMI問(wèn)題,而無(wú)需負(fù)擔(dān)額外的外部元件。
 
 
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