數字功放電磁騷擾抑制技術措施

劉愛國

摘 要：為了減少電磁騷擾，降低惡劣的電磁環境對數字功放的不利影響，文章介紹了數字功放的原理，提出了解決電磁騷擾的措施，在實際應用中，這些措施可以很好的解決大部分數字功放中的電磁騷擾問題。

關鍵詞：數字功放；電磁騷擾；電路設計；PCB設計

引言

數字功放由于具有高效率、低功耗的優點，被越來越多地應用在諸如PDA、手機、MP3等便攜式設備中。然而，數字功放的工作原理決定了它會產生較嚴重的電磁騷擾問題，會導致設備工作不正常或對人們的健康造成影響，所以必須加以控制。

1.數字功放的原理

2.在電路設計中加入防止電磁騷擾的措施

2.1加入Snubber電路

由以上分析可知，在數字功放中，PWM開關切換時，會伴隨著比較大的振鈴，而振鈴的出現，會使信號的上升時間變陡，信號的幅度變大，且它的諧振頻率往往是工作頻率的幾十倍甚至是上百倍。根據電場強度計算公式：

公式1：

其中，E為電場強度，為伏特/米，

其中f為電流的頻率MHz，A為電流的環路面積， 為電流幅度mA。由公式可知，對場強的影響有頻率、電流等，而振鈴，導致了頻率的上十上百倍的增加，而信號幅度的增加也引起電流的增加，所以振鈴的出現，會使電場強度急劇的增加，導致電磁環境急劇的惡化，造成輻射超標、干擾變大，所以振鈴是導致數字功放電磁騷擾問題的主要因素，所以我們必須對此加以抑制。而加入Snubber（緩沖）電路，可以非常有效的抑制開關電路中的振鈴。

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電路由一個小阻值的電阻和一個電容Csnubber串聯構成。其中電阻Rsnubber用來調節LC諧振電路的阻尼系數。電容Csnubber在振鈴頻率處呈現很低的容抗，近似于短路。在PWM開關頻率又呈現出較高的容抗。如果沒有電容Csnubber的存在，PWM信號一直加在電阻Rsnubber兩端，電阻Rsnubber會消耗過多的能量。

Rsnubber須選取合適的電阻值，既能讓PWM開關信號能快速穩定到終值，而Csnubber又不產生振鈴，而元件值的選取原則是，在LC諧振頻率處，容抗要遠小于Rsnubber的阻值，對PWM開關信號，又要呈現出足夠高的容抗。當然，引入Snubber電路，在每次開關時都要消耗更多的能量，降低了電源轉換效率。有些應用場合對電路的效率有很高的要求，可以適當調整Snubber電路的元件值，在PWM信號的振鈴和功率消耗之間取得平衡。加入Snubber電路后與沒有加的波形對比，其中，粗線條為加入后波形，細線條為沒有加的波形，從波形對比圖可以看出，振鈴得到了很好抑制，減緩了波形的上升時間，降低了頻率以及幅度，從而使輻射大降低。

2.2加入電容及磁珠

理想的電容是不存在的，因為電容其引腳引線的存在，電容可以等效為一個電阻、電感及電容串并聯電路，會有一個自諧振，所以說并不是說電容越大，其等效阻抗（ESR）就越低，而是電容等效電路在諧振時，它的電抗表現為一個純電阻，這時電容的ESR就最小，電容的濾波就最好，所以說對濾波電容的選擇不是越大越好，而是要根據電路的特性選擇合適的濾波電容，同時，也只有濾波越好，電路工作越穩定，電路的整體輻射也就越好。不同電容所對應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，因為插件電容的引腳可以等效為一個電感，從而影響了濾波效果。

可以對數字功放的電源部分濾波分別選取三個不同容的電容來并聯，首先選一個大容量的電解電容濾除電源紋波，數字功放大部分工作在300KHZ-500KHZ，所以再增加一個4.7uF的貼片電容濾除PWM的基頻，最后選取一個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小電容來濾除喇叭線的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。

3.在PCB設計中加入防止電磁騷擾的措施

3.1地線的處理

地線主要是為電流提供返回通路，在電磁騷擾中非常重要，屏蔽、阻抗匹配、阻抗的連續性、反射、地彈等都與地線有關，所以說地線的處理可以說是電磁騷擾的關鍵。首先，須提供一個完整的地平面，在數字功放中，對電磁騷擾的處理主要是高頻部分，所以在布線中應多點接地，如是雙面板，盡量單面放元件，單面走線，另一面完全鋪地，形成一個完整的地平面，讓整個地平面的電位都相等，這樣就可以給每個器件提供完全相等地電位，從而形完美的阻抗連續性以及消除地彈。

其次，濾波器件的接地應與功放的地在同一層相連接，如不在同一層相連接，必然通過過孔相連，從電流流出到返回，最少要通過兩個過孔，而過孔是有著寄生電感存在的，其計算公式為：

公式2：

3.2元件的布局及PCB走線的處理

一個良好的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，這樣可以縮短各個元件相互間的走線，減小電流回路的環路面積。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離供電腳，電容越小越要靠近供電腳，因為PCB走線同樣也存在電感，其計算公式為：

公式3：

其中，l為PCB走線長度，W為走線寬度，單位為cm。

如果走線長度為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，濾波效果就越差，導致輻射也變大。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，元件須按照信號的流向來布局，使信號保持一個方向，走線最短，不產生回流，且以功放為核心，所有元件圍繞它來放置，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，優先考慮地線，電源線須緊靠地線，減小差模輻射的環路面積，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。

4.總結

總之，電磁騷擾抑制對于提高數字功放設備的使用性能具有重要的意義。本研究對抑制措施進行了研究，并根據實踐經驗并進行大量的測試，舉例驗證了抑制方案的可行性，可為從事電磁兼容性設計的技術人員提供了相關的抑制電磁騷擾的解決方案。

參考文獻：

[1]明鑫. 低EMID類音頻功放電路關鍵技術研究[D]. 電子科技大學， 2012.

[2]陳早. D類功放中EMI抑制技術的研究[D]. 電子科技大學， 2010.