D類(lèi)放大器中EMI的產(chǎn)生

變化的電壓和電流信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，形成電磁波干擾（EMI：Electro-Magnetic Interference），這些電磁波信號(hào)會(huì)影響收音機(jī)、電視和手機(jī)等產(chǎn)品的正常工作。為了防止電子設(shè)備的EMI問(wèn)題，世界各國(guó)都制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如美國(guó)的聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC：Federal Communication Commission）的認(rèn)證，目的都是限制電子產(chǎn)品的電磁波輻射。

EMI測(cè)試是在特定的電波暗室中進(jìn)行的，測(cè)量由產(chǎn)品中輻射出來(lái)的電磁波強(qiáng)度，與FCC等規(guī)范相比較，不得超過(guò)規(guī)定的最大能量。FCC規(guī)范中將產(chǎn)品按用途分為 CLASS A 、 CLASS B 兩大類(lèi)， A 類(lèi)為用于商務(wù)或工業(yè)用途的產(chǎn)品， B 類(lèi)為用于家庭用途的產(chǎn)品， FCC 對(duì) B 類(lèi)產(chǎn)品法規(guī)要求更嚴(yán)格。

圖1：FCC 規(guī)范的CLASS A和CLASS B標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)D類(lèi)放大器開(kāi)關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的EMI發(fā)射源：如調(diào)制的開(kāi)關(guān)信號(hào)，開(kāi)關(guān)信號(hào)的邊沿變化，電源線上變化的電流信號(hào)等都會(huì)產(chǎn)生大量的EMI，如下圖所示。

圖2：D類(lèi)放大器開(kāi)關(guān)輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

不同的發(fā)射源對(duì)應(yīng)了不同的EMI頻譜，由于D類(lèi)放大器的調(diào)制頻率一般在250kHz到1.5MHz之間，因此調(diào)制的開(kāi)關(guān)信號(hào)和電源線上變化的電流信號(hào)帶來(lái)的EMI主要集中在10MHz以下的頻段；而方波的邊沿變化一般是在納秒級(jí)別的，因此它們所帶來(lái)的EMI主要集中在幾十MHz到幾GHz的高頻段。

EMI主要通過(guò)PCB的走線、通孔和揚(yáng)聲器的連線向外輻射，較大能量的EMI輻射需要一個(gè)“高效率”的天線，對(duì)不同的頻率，一個(gè)有效的天線長(zhǎng)度是該頻率波長(zhǎng)的四分之一（λ/4），小于這個(gè)長(zhǎng)度，就不能形成有效的對(duì)外輻射。對(duì)30MHz的頻率，采用一般的FR4的PCB板，天線長(zhǎng)度需要大于114.1cm才能形成有效的輻射。所以在手機(jī)上采用D類(lèi)放大器時(shí)，在放大器輸出的PCB走線和揚(yáng)聲器連線上的方波邊沿變化是EMI的最重要來(lái)源。特別是手機(jī)應(yīng)用中所關(guān)心的一些頻段，如下表所示：基本都在100MHz以上，因此我們需要特別地關(guān)注由方波邊沿變化所引起的EMI輻射。

圖3：手機(jī)應(yīng)用中的一些頻段

對(duì)前面?zhèn)鹘y(tǒng)D類(lèi)放大器的輸出波形，由傅里葉分析可知，方波納秒級(jí)的邊沿變化和高頻的振鈴會(huì)引入非常大的高頻EMI，嚴(yán)重影響FM、手機(jī)模擬電視等的接收效果，容易出現(xiàn)收聽(tīng)雜音或雪花臺(tái)的情況，讓系統(tǒng)工程師頗感頭痛。
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EEE技術(shù)降低D類(lèi)的EMI

艾為的音樂(lè)功放（Music-PA）AW8010、AW8110、AW8145采用獨(dú)特的、擁有專(zhuān)利的EEE（Enhanced-Emission-Elimination）技術(shù)，針對(duì)D類(lèi)放大器的EMI問(wèn)題，優(yōu)化了輸出級(jí)的設(shè)計(jì)，極大地降低了EMI，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

方波的邊沿變化包含了大量的高頻能量，會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備造成很大的EMI干擾，EEE技術(shù)通過(guò)特有的邊沿速率控制優(yōu)化了輸出的方波信號(hào)，可以有效地控制高頻能量的EMI輻射，同時(shí)不影響D類(lèi)放大器的其他性能。

下面是傳統(tǒng)D類(lèi)放大器和帶有EEE技術(shù)的AW8010的EMI測(cè)試結(jié)果，測(cè)試使用60cm（24inch）的輸出線。上面的紅色實(shí)線是FCC CLASS B的標(biāo)準(zhǔn)線，紅色虛線是-6dB的裕量線，藍(lán)色的線是實(shí)際測(cè)試曲線，粉色的線是測(cè)試環(huán)境的EMI背景噪音。

圖4：傳統(tǒng)D類(lèi)放大器和帶有EEE技術(shù)的AW8010的EMI測(cè)試結(jié)果

從上圖的測(cè)試結(jié)果可以看出，帶有EEE技術(shù)的AW8010的實(shí)測(cè)結(jié)果與測(cè)試環(huán)境的EMI背景噪聲基本一樣。在高頻射頻段，傳統(tǒng)D類(lèi)放大器的EMI輻射與背景噪聲差別也不大，但在80～500MHz的頻段內(nèi)，有相當(dāng)大的EMI輻射，因此系統(tǒng)工程師在使用D類(lèi)放大器的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)射頻模塊的靈敏度受到的影響較小，但對(duì)FM、手機(jī)模擬電視的靈敏度影響很大，甚至不能正常工作，采用EEE技術(shù)后，在該頻段有超過(guò)20dB的裕量，極大地改善了D類(lèi)放大器對(duì)FM、手機(jī)模擬電視的影響。

下圖是傳統(tǒng)D類(lèi)放大器和帶EEE技術(shù)的AW8010對(duì)FM接收信號(hào)的信噪比影響。傳統(tǒng)D類(lèi)放大器對(duì)FM的影響很?chē)?yán)重，信號(hào)變差甚至丟臺(tái)，而帶EEE技術(shù)的AW8010對(duì)FM影響很小，降低了系統(tǒng)工程師的調(diào)試難度。

圖5：傳統(tǒng)D類(lèi)放大器和帶EEE技術(shù)的AW8010對(duì)FM接收信號(hào)的信噪比影響

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合理的PCB布局改善EMI

EEE技術(shù)顯著地改善了D類(lèi)放大器的EMI問(wèn)題，簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)，使PCB的布線更加寬松，但任何手段都沒(méi)有辦法完全地消除這個(gè)問(wèn)題。EMI設(shè)計(jì)就像“矛”和“盾”的關(guān)系，發(fā)射源是“矛”，發(fā)射源到敏感模塊的防護(hù)是“盾”，“矛”鈍“盾”堅(jiān)，就不會(huì)有EMI的問(wèn)題，如果“矛”很鈍，但“盾”也很脆弱，那還是會(huì)有EMI的問(wèn)題。因此，在使用D類(lèi)放大器的時(shí)候，在PCB的布局上需要仔細(xì)考慮。

首先是輸出線，要將放大器到揚(yáng)聲器的連線盡量縮短，這是最有效地降低EMI的方法；而且輸出布線不要經(jīng)過(guò)或太靠近敏感的信號(hào)線和電路。

還有電源、地線的布局也很重要。功放電源上電流波動(dòng)很大，因此電源上的濾波電容要盡量靠近功放芯片放置；同時(shí)合適地進(jìn)行布線以便可以預(yù)測(cè)電流走向，最好采用星形接法。

對(duì)翻蓋手機(jī)的布線可能會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，翻蓋手機(jī)的上部和下部通過(guò)柔性電纜連接，電纜中包含電源、地還有LCD顯示的數(shù)據(jù)線，如果在翻蓋手機(jī)的上部裝有揚(yáng)聲器，那么輸出的音頻信號(hào)也需要通過(guò)這根電纜，當(dāng)音頻信號(hào)線靠近顯示數(shù)據(jù)線時(shí)，就可能會(huì)破壞顯示的數(shù)據(jù)，因此需要將這兩種信號(hào)線分開(kāi)，同時(shí)加上地線隔離。不過(guò)對(duì)這種情況最好還是加上磁珠和電容來(lái)抑制高頻的EMI，并盡可能地將磁珠、電容靠近放大器放置。磁珠的選擇也很重要，采用高阻抗、低直流電阻、大額定電流的磁珠可以很好的起到高頻EMI的抑制作用，同時(shí)對(duì)放大器的其他性能影響很小。

如下圖所示，在進(jìn)行D類(lèi)放大器的PCB布局時(shí)，為了抑制高頻EMI，以下兩點(diǎn)很重要：

1：輸出布線盡量短而寬。
2：磁珠、電容緊靠芯片輸出管腳放置，盡量減短輸出管腳到磁珠的布線長(zhǎng)度。

同時(shí)，功放的其他外圍器件也盡量緊靠芯片放置，還有電源、地線采用星形接法都對(duì)提高D類(lèi)功放的性能有好處。

圖6：AW8010 PCB布局示意圖

高效率、低功耗使得D類(lèi)放大器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，D類(lèi)放大器EMI也越來(lái)越受到關(guān)注。采用艾為帶有EEE技術(shù)的AW8010、AW8110、AW8145，極大地降低了EMI的輻射，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。其中音樂(lè)功放AW8110、AW8145同時(shí)還采用了獨(dú)特的、擁有專(zhuān)利保護(hù)的無(wú)破音（NCN：Non-Crack-Noise）技術(shù)，提高音質(zhì)的同時(shí)有效地保護(hù)揚(yáng)聲器，是音樂(lè)手機(jī)等便攜式設(shè)備的理想選擇。

圖7：AW8010 典型應(yīng)用圖

圖8：艾為音樂(lè)功放產(chǎn)品列表