無電感D類音頻應用實現極低EMI的技術方案

　　導讀：

　　功率電感和鐵氧體磁環的價格差異顯著，這推動了D類音頻放大器濾波設計步入無電感時代。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結果取決于電路板電平調整與適當的PCB布局。鐵氧體磁環配備適當的電容可以降低D類輸出邊緣速率，但同時也會產生一些瞬時振蕩，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整技術，包括鐵氧體磁珠選擇原則——降低邊緣速率，佐貝爾網絡調整方法——減少瞬時振蕩，以及適當的PCB布局等。這些解決方案通過利用TI最新的EMI優化D類音頻放大器TPA3140D2，幫助客戶大幅節約系統設計成本，同時獲得出色的音頻性能。

　　無電感濾波器

　　無電感設計的目的是利用成本低廉的鐵氧體磁珠替代昂貴的電感，為客戶實現系統層面上的 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。受當前鐵氧體磁環材料和制造技術的限制，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定為>2.5A，則絕大多數電感值將低于1uH。行內另外一家的產品順絡鐵氧體磁珠系列(UPZ2012)也有類似表現：如果最大額定電流大于2.5A，鐵氧體磁環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定輸出濾波器時，其基礎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計

　　如何利用無電感濾波器實現低EMI目標?

　　意見1：選擇鐵氧體磁珠降低邊緣速率

　　TI 設備中利用了一些技術，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，尤其是當開關頻率約為300kHz(以獲得較佳效率)，實驗結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的邊緣速率

　　圖3中，較高的鐵氧體磁珠阻抗可以實現較低邊沿速率的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，最終在高頻段實現最佳EMI結果。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：利用佐貝爾網絡，盡量降低瞬時振蕩。

　　圖6為我們設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)，其能量在佐貝爾網絡之后已經大幅減弱，并獲得更高邊緣增益。

　　表2 濾波器和佐貝爾網絡設置

　　圖7調整佐貝爾網絡和電容(減少振蕩，獲得較慢的邊緣速率)