數(shù)字功放(D類)中的EMC設(shè)計(jì)

深圳三諾數(shù)字科技有限公司　鄒傳彬　唐　波

1　引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，由于技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字功放依靠著超高的效率，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，另外，近年來(lái)數(shù)字功放的音質(zhì)也可和模擬功放相媲美，首先，數(shù)字功放工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以它的過(guò)載能力與功率儲(chǔ)備遠(yuǎn)高于模擬功放；其次，數(shù)字功放不存在著交越失真，對(duì)功放管的配對(duì)也沒(méi)有模擬功放嚴(yán)格，所以失配失直也小于模擬功放；最后，因?yàn)閿?shù)字功放沒(méi)有任何放大反饋電路，也可避免瞬態(tài)互調(diào)失真。

但數(shù)字功放也帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗枪ぷ髟陂_(kāi)關(guān)狀態(tài)，且基本是采用脈寬調(diào)制原理（PWM）的原理來(lái)設(shè)計(jì)的，在進(jìn)行調(diào)制的時(shí)候，開(kāi)關(guān)在快速進(jìn)行切換，這些特性使數(shù)字功放具有寬的頻譜，且含有大量的高頻分量，導(dǎo)致高頻輻射及干擾，造成嚴(yán)重的EMC問(wèn)題，從而會(huì)導(dǎo)致設(shè)備工作不正常或?qū)θ藗兊慕】翟斐捎绊懀员仨毤右钥刂啤?/p>

2　數(shù)字功放的原理

圖1　數(shù)字功放基本電路及框圖

我們參考圖1來(lái)說(shuō)明數(shù)字功放的工作原理，傳統(tǒng)的D類放大器采用PWM的工作方式，是脈寬調(diào)制型的放大器。脈沖調(diào)制型放大器中有一個(gè)三角波發(fā)生器，它產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的三角波，然后此三角波與模擬信號(hào)輸入到一個(gè)比較器電路進(jìn)行比較，當(dāng)輸入的模擬信號(hào)大于三角波的幅度時(shí)，比較器電路輸出高電平，當(dāng)輸入的模擬信號(hào)小于三角波的幅度時(shí)，比較器電路輸出低電平。由此可見(jiàn)，如果輸入信號(hào)的幅度越高，那么所對(duì)應(yīng)的輸出脈沖寬度就越寬，如果輸入信號(hào)的幅度越低，那么所對(duì)應(yīng)的輸出脈沖寬度就越窄。所以，模擬信號(hào)及三角波信號(hào)通過(guò)比較器電路后，輸出的就是一個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的PWM信號(hào)。

調(diào)制過(guò)后PWM信號(hào)送入到門驅(qū)動(dòng)電路，然后由門驅(qū)動(dòng)電路控制開(kāi)關(guān)功率管的導(dǎo)通與截止，開(kāi)關(guān)功率管工作的實(shí)質(zhì)就是將電源的功率轉(zhuǎn)換成PWM的功率，實(shí)際上也是一個(gè)PWM放大的過(guò)程，功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且導(dǎo)通內(nèi)阻非常小，所以輸出的脈沖幅度基本上與電源電壓相接近，放大后的PWM再送到濾波電路，濾波電路普便采用LC低通濾波電路，把高頻分量濾除后，把脈沖信號(hào)還原成模擬信號(hào)。

由以上可知，數(shù)字功放是工作在一個(gè)高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為了達(dá)到更好的保真度及在高頻時(shí)有足夠的采樣點(diǎn)，要求很高的三角波載波頻率，所以三角波的頻率一般都會(huì)達(dá)到幾百KHZ，然而隨著開(kāi)關(guān)頻率的升高，必然會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的EMC問(wèn)題。

另外，在數(shù)字功放電路中，芯片退耦電容到芯片電源引腳之間的PCB走線，芯片電源引腳到內(nèi)部硅片之間的邦定線可以等效成一個(gè)寄生電感。在功率MOSFET截止時(shí)，功率MOSFET電極之間的電容可等效成一個(gè)寄生電容。如圖2所示。這些寄生電感和寄生電容構(gòu)成了LC諧振電路。圖1中的高端MOSFET導(dǎo)通，低端MOSFET截止時(shí)，可以等效成圖2所示的LC諧振電路。為了提高電路的效率，當(dāng)今芯片內(nèi)部集成的功率MOSFET的 都做得比較小，常常在幾十毫歐到幾百毫歐之間。這意味著諧振電路的阻尼系數(shù)可能很小。造成的結(jié)果是在PWM開(kāi)關(guān)切換時(shí)，伴隨著比較大的振鈴，因?yàn)檎疋彽拇嬖冢眲〉募哟罅薊MC，所圖3所示。

圖2　MOS的寄生電容與電感

圖3　PWM電路中的振鈴

3　在電路設(shè)計(jì)中加入防止EMC的措施

3.1　加入Snubber電路

由以上分析可知，在數(shù)字功放中，PWM開(kāi)關(guān)切換時(shí)，會(huì)伴隨著比較大的振鈴，而振鈴的出現(xiàn)，會(huì)使信號(hào)的上升時(shí)間變陡，信號(hào)的幅度變大，且它的諧振頻率往往是工作頻率的幾十倍甚至是上百倍。根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式：

其中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，為伏特/米，其中f為電流的頻率MHz，A為電流的環(huán)路面積，為電流幅度mA。

由公式可知，對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響有頻率、電流等，而振鈴，導(dǎo)致了頻率的上十上百倍的增加，而信號(hào)幅度的增加也引起電流的增加，所以振鈴的出現(xiàn)，會(huì)使電場(chǎng)強(qiáng)度急劇的增加，導(dǎo)致電磁環(huán)境急劇的惡化，造成輻射超標(biāo)、干擾變大，所以振鈴是導(dǎo)致數(shù)字功放EMC問(wèn)題的主要因素，所以我們必須對(duì)此加以抑制。而加入Snubber(緩沖)電路，可以非常有效的抑制開(kāi)關(guān)電路中的振鈴。

如圖4所示，L1/C1/R1分別是放大電路功率管中的等效電感、電容與電阻，Snubber電路可直接加功率管的輸出端，Snubber電路由一個(gè)小阻值的電阻和一個(gè)電容Csnubber串聯(lián)構(gòu)成。其中電阻Rsnubber用來(lái)調(diào)節(jié)LC諧振電路的阻尼系數(shù)。電容Csnubber在振鈴頻率（即LC諧振頻率）處呈現(xiàn)很低的容抗，近似于短路。在PWM開(kāi)關(guān)頻率又呈現(xiàn)出較高的容抗。如果沒(méi)有電容Csnubber的存在，PWM信號(hào)一直加在電阻Rsnubber兩端，電阻Rsnubber會(huì)消耗過(guò)多的能量。

圖4　Snubber電路

Rsnubber須選取合適的電阻值，既能讓PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)能快速穩(wěn)定到終值，而Csnubber又不產(chǎn)生振鈴（臨界阻尼），而元件值的選取原則是，在LC諧振頻率（振鈴頻率）處，容抗要遠(yuǎn)小于Rsnubber的阻值，對(duì)PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，又要呈現(xiàn)出足夠高的容抗。當(dāng)然，引入Snubber電路，在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都要消耗更多的能量，降低了電源轉(zhuǎn)換效率。有些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電路的效率有很高的要求，可以適當(dāng)調(diào)整Snubber電路的元件值，在PWM信號(hào)的振鈴和功率消耗之間取得平衡。圖5為加入Snubber電路后與沒(méi)有加的波形對(duì)比，其中，粗線條為加入后波形，細(xì)線條為沒(méi)有加的波形，從波形對(duì)比圖可以看出，振鈴得到了很好抑制，減緩了波形的上升時(shí)間，降低了頻率以及幅度，從而使輻射大降低。

圖5　加入Snubble電路后的波形對(duì)比

3.2　加入電容及磁珠

理想的電容是不存在的，因?yàn)殡娙萜湟_引線的存在，電容可以等效為一個(gè)電阻、電感及電容串并聯(lián)電路，會(huì)有一個(gè)自諧振，所以說(shuō)并不是說(shuō)電容越大，其等效阻抗（ESR）就越低，而是電容等效電路在諧振時(shí)，它的電抗表現(xiàn)為一個(gè)純電阻，這時(shí)電容的ESR就最小，電容的濾波就最好，所以說(shuō)對(duì)濾波電容的選擇不是越大越好，而是要根據(jù)電路的特性選擇合適的濾波電容，同時(shí)，也只有濾波越好，電路工作越穩(wěn)定，電路的整體輻射也就越好。圖6是不同電容所對(duì)應(yīng)的不同的自諧振頻率，從圖中看出，表面貼裝電容比插件電容的濾波效果好，因?yàn)椴寮娙莸囊_可以等效為一個(gè)電感，從而影響了濾波效果，另外，電容越小，對(duì)高頻的濾波效果也越好。

圖6　不同電容所對(duì)應(yīng)的諧振頻率

根據(jù)圖6所示，可以對(duì)數(shù)字功放的電源部分濾波分別選取三個(gè)不同容的電容來(lái)并聯(lián)，首先選一個(gè)大容量的電解電容濾除電源紋波，數(shù)字功放大部分工作在300KHZ-500KHZ，所以再增加一個(gè)4.7uF的貼片電容濾除PWM的基頻，最后選取一個(gè)1nF的貼片電容濾除PWM的諧波，這樣就可以很好的濾除電源上的輻射。同理，也可以在LC低通濾器上增加一個(gè)小電容來(lái)濾除喇叭線的PWM諧波。

以上增加電容濾波的方法是消除電源上及喇叭線上的輻射，另外，為防止高頻諧波從電源線及喇叭線上傳導(dǎo)出去，再在電源線及喇叭線上串聯(lián)大電流的磁珠，磁珠對(duì)低頻是呈現(xiàn)出非常低的阻抗，但對(duì)高頻則呈現(xiàn)出高阻抗，這樣就可阻止高頻從電源線及喇叭線上傳導(dǎo)出去。

4　在PCB設(shè)計(jì)中加入防止EMC的措施

4.1　地線的處理

地線主要是為電流提供返回通路，在EMC中非常重要，屏蔽、阻抗匹配、阻抗的連續(xù)性、反射、地彈等都與地線有關(guān)，所以說(shuō)地線的處理可以說(shuō)是EMC的關(guān)鍵。

首先，須提供一個(gè)完整的地平面，在數(shù)字功放中，對(duì)EMC的處理主要是高頻部分，所以在布線中應(yīng)多點(diǎn)接地，如是雙面板，盡量單面放元件，單面走線，另一面完全鋪地，形成一個(gè)完整的地平面，讓整個(gè)地平面的電位都相等，這樣就可以給每個(gè)器件提供完全相等地電位，從而形完美的阻抗連續(xù)性以及消除地彈。另外，完整的地平面也給每個(gè)器件提供最短電流返回路徑，從而縮短了電流的環(huán)路面積，從公式1可以知道，場(chǎng)強(qiáng)是與電流的環(huán)路面積成正比的，減小的環(huán)路面積，也就減小了EMC輻射。

其次，濾波器件的接地應(yīng)與功放的地在同一層相連接，如不在同一層相連接，必然通過(guò)過(guò)孔相連，從電流流出到返回，最少要通過(guò)兩個(gè)過(guò)孔，而過(guò)孔是有著寄生電感存在的，其計(jì)算公式為：

其中，h為過(guò)孔深度，單位為mm；d為過(guò)孔直徑，單位為mm。

如果PCB的厚度為1.6mm，過(guò)孔直徑為0.3mm，那么其電感約為1.3nH，如果通過(guò)的頻率是100MHz，那么其等效阻抗為，約為0.82Ω，兩個(gè)過(guò)孔就為1.64Ω，所以如果通過(guò)過(guò)孔，電容對(duì)高頻的濾波效果就會(huì)被大大消弱，從而導(dǎo)致輻射。同樣的原理，接地元件或包地線也應(yīng)該可能多的打過(guò)孔到地平面，這樣可以降低寄生電感，從而減小接地阻抗。

4.2　元件的布局及PCB走線的處理

一個(gè)良好的PCB布局可以有效的減小電磁輻射，首先，所有的元件在散熱及工藝允許的情況下盡量緊湊排放，這樣可以縮短各個(gè)元件相互間的走線，減小電流回路的環(huán)路面積。特別是電源的濾波電容一定要緊靠供電腳，電容的排列按照容值從小到大逐漸遠(yuǎn)離供電腳，電容越小越要靠近供電腳，因?yàn)镻CB走線同樣也存在電感，其計(jì)算公式為：

其中，l為PCB走線長(zhǎng)度，W為走線寬度，單位為cm。

如果走線長(zhǎng)度為1cm，寬度為0.3cm，那么其電感約為3.9nH。可以看出，如果濾波電容離供電引腳越遠(yuǎn)，濾波效果就越差，導(dǎo)致輻射也變大。同樣，Snubber電路也必須靠近功放輸出腳，提高濾波效果；低通濾波器電感也要靠近功放輸出腳，低通濾波器電容也須緊靠電感放置；總而言之，元件須按照信號(hào)的流向來(lái)布局，使信號(hào)保持一個(gè)方向，走線最短，不產(chǎn)生回流，且以功放為核心，所有元件圍繞它來(lái)放置，緊湊的布放在一起，盡量減小和縮短元件之間的連線。

在PCB走線時(shí)，優(yōu)先考慮地線，電源線須緊靠地線，減小差模輻射的環(huán)路面積，電源線與功放輸出也盡量在同一層走，不要換層，且要保證走線的連續(xù)性，寬度不要突然變化，不要走直角或銳角。另外，功放的下面無(wú)論是PCB頂層或底層，都不要有其它走線，全部為地線或地平面，功放輸出線也要包地，特別是功放輸出到濾波電感這一段，這樣可以有效的抑制輻射。

5　總結(jié)

綜上所述， 本文從原理設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)上闡述了數(shù)字功放EMC的輻射原理以及所對(duì)應(yīng)的解決方案，可以解決大部分?jǐn)?shù)字功放的EMC問(wèn)題。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，這些方案須要靈活的運(yùn)用，而且也要根據(jù)不同的功放采用不同的措施，如有些I2S輸入的功放，就必須對(duì)這些輸入線進(jìn)行處理，以防止輸入線產(chǎn)生電磁干擾。

[1]張亮.電磁兼容（EMC）技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[2]董芳針,周克,霍俊海.D類功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2015,28(3):159-160.