摘要：本文僅對便攜式設備中現代D類(lèi)放大器應用反饋技術(shù)、擴譜調制技術(shù)以降低電磁干擾（EMI）方案及其新一代無(wú)濾波器D類(lèi)放大器作分析說(shuō)明。并在文章開(kāi)始對對便攜式設備內部和外部產(chǎn)生的EMI(電磁干擾)與影響作了說(shuō)明。

　　關(guān)鍵詞：電磁于擾  便攜式設備  擴譜調制   反饋網(wǎng)絡(luò )

　　Abstract：This portable device is only a modern Class D amplifiers use feedback techniques, spread spectrum modulation technique to reduce electromagnetic interference (EMI) program and its new generation of filterless Class D amplifiers for analysis description. and in the article began to portable devices produced by the internal and external EMI  and the effect is described.

　　Keywords：electromagnetic interference (EMI)    portable device　　Spread-spectrum modulation       feedback network

　　1  問(wèn)題的提出與方案的呈現

　　1.1  首先應對便攜式設備內部和外部產(chǎn)生的EMI(電磁干擾)與影響作分析。

　　眾所周知,當電信號處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生EMI，一旦電信號狀態(tài)發(fā)生變化，電流流動(dòng)要產(chǎn)生電磁場(chǎng)。所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可通過(guò)不同途徑與其它電磁信號相互作用。這些產(chǎn)生EMI叫互作用可能發(fā)生在設備內部或外部。其電磁干擾信號傳輸途徑圖見(jiàn)圖1(a)(b)所示。
 

　　* 外部EMI能夠擾亂許多設備的運行，其中包括音頻設備、電視接收機、內置醫療設備和無(wú)線(xiàn)控制系統。由于這些EMI可能產(chǎn)生嚴重的后果，如今國際上規定了相類(lèi)似的適用于全世界的要求。如果不能按照這些要求去阻止超過(guò)EMI限值的產(chǎn)品銷(xiāo)售，就可能會(huì )損壞其它產(chǎn)品。

　　* 內部EMI會(huì )產(chǎn)生更加錯綜復雜的后果，可能造成設備內部其它信號無(wú)法預測的特性改變。這種EMI會(huì )導致難以診斷和修復的間歇發(fā)生的可靠性問(wèn)題。如果設備包含可能被EMI嚴重破壞的無(wú)線(xiàn)整機電路，內部EMI將是一個(gè)更加嚴重的問(wèn)題。

　　1.2  解決方案的呈現

　　由上所知，對于如蜂窩電話(huà)和筆記本電腦等低功耗便攜式設備來(lái)說(shuō)，降低電磁于擾(EMl)與EMC特性及延長(cháng)電池壽命、減少電路板空間等問(wèn)題往往至關(guān)重要；而對于大功率設備(如車(chē)載音響系統或平板顯示器)來(lái)說(shuō)，則要求最大限度降低散熱需求和發(fā)熱量。在上述二大問(wèn)題中很重要的是與降低電磁于擾(EMl)密切相關(guān)，這是為什么吶？
 
　　其一、由于便攜式設備中開(kāi)關(guān)穩壓器能極大地節省空間并具有極低的功耗，則此穩壓器正逐步取代線(xiàn)性穩壓器，而進(jìn)入各種新型應用中。但開(kāi)關(guān)穩壓器有一個(gè)缺點(diǎn)，其內部開(kāi)關(guān)電流可能產(chǎn)生EMI。EMI的峰值能量集中在開(kāi)關(guān)頻率上，降低EMI的傳統方法是謹慎處理接地、屏蔽和濾波，以控制和抑制穩壓器內部開(kāi)關(guān)電流所產(chǎn)生的輻射為主。此外，降低開(kāi)關(guān)電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。但確切地說(shuō),多相同步和擴展頻譜頻率調制(SSEM)及反饋網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是降低EMI的兩種強有力的工具。

　　其二、在日新月異的多媒體時(shí)代新潮中關(guān)鍵的部件--現代D類(lèi)放大器己成為便攜式和大功率應用的理想選擇。從而要求現代D類(lèi)放大器應具有獨特的高效特性。為此當今許多現代D類(lèi)放大器采用先進(jìn)的擴譜調制技術(shù)，可以降低電磁于擾(EMl)并免去外部濾波器。而省掉外部濾波器器不僅降低了電路板空間要求，同時(shí)大幅降低了很多便攜式/緊湊型應用的成本。

　　由此推出抑制和降低EMI新技術(shù)的應用。對抑制和降低EMI的技術(shù)可有二種,其一是通過(guò)接地、屏蔽和濾波的方法,但對于高速與頻率高的電子系統或便攜式設備而言,就顯得很傳統了.其二就是改變NRZ測試碼型功率譜的頻率或者幅度與頻譜擴散新技術(shù)。值此作重點(diǎn)介紹：利用反饋網(wǎng)絡(luò )與頻率擴展技術(shù)以改善設備的EMI是便攜設備中的開(kāi)關(guān)穩壓器與現代D類(lèi)放大器中很有效的方案。

　　值此本文僅對其反饋技術(shù)、擴譜調制技術(shù)在現代D類(lèi)放大器中降低電磁于擾(EMl)的應用及其新一代無(wú)濾波器D類(lèi)放大器作分析說(shuō)明。既然這是一個(gè)新技術(shù)趨勢，故本文從系統性的角度出發(fā)，首先介紹基于PWM方式的傳統D類(lèi)放大器存在的問(wèn)題。

2  傳統D類(lèi)放大器存在的問(wèn)題

　　* 傳統D類(lèi)放大器的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線(xiàn)性而引入額外失真。很多D類(lèi)放大器還會(huì )使用全橋輸出級。全橋電路使用兩個(gè)半橋輸出級，并以差分方式驅動(dòng)負載。這種負載連接方式通常稱(chēng)為橋接負載(BTL)。全橋結構是通過(guò)轉換負載的導通路徑來(lái)工作的。因此負載電流可以雙向流動(dòng)，無(wú)需負電源或隔直電容。傳統的、基于PWM的BTL型D類(lèi)放大器各輸出波形。各輸出波形彼此互補，從而在負載兩端產(chǎn)生一個(gè)差分PWM信號。與半橋式拓撲類(lèi)似，輸出端需要一個(gè)外部LC濾波器，用于提取低頻音頻信號并防止在負載上耗散高頻能量。

　　* 與所有傳統D類(lèi)放大器一樣,基于PWM方式的典型D類(lèi)放大器需要外部濾波元件，會(huì )產(chǎn)生EMI／EMC兼容性問(wèn)題，并且THD+N性能較差，因此與線(xiàn)性放大器相比，它的高效優(yōu)勢大為失色。然而，現代D類(lèi)放大器采用先進(jìn)的調制和反饋技術(shù)，可很好地緩解上述問(wèn)題。

　　3  利用反饋網(wǎng)絡(luò )改善性能

　　許多D類(lèi)放大器采用PWM輸出至器件輸入的負反饋環(huán)路。閉環(huán)方案不僅可以改善器件的線(xiàn)性，而且使器件具備電源抑制能力。開(kāi)環(huán)放大器卻正相反，它的電源抑制能力微乎其微。在閉環(huán)拓撲中，因為會(huì )檢測輸出波形并將其反饋至放大器的輸入端，所以能夠在輸出端檢測到電源的偏離情況，并通過(guò)控制環(huán)路對輸出進(jìn)行校正。閉環(huán)設計的優(yōu)勢是以可能出現的穩定性問(wèn)題為代價(jià)的，這也是所有反饋系統共同面臨的問(wèn)題。因此必須精心設計控制環(huán)路并進(jìn)行補償，確保在任何工作條件下都能保持穩定。

　　典型的D類(lèi)放大器采用具有噪聲整形功能的反饋環(huán)路，可極大地降低由脈寬調制器、輸出級以及電源電壓偏離的非線(xiàn)性所引入的帶內噪聲。這種拓撲與用在∑-△調制器中的噪聲整形類(lèi)似。為闡明噪聲整形功能，圖1給出了為現代D類(lèi)放大反饋補償回路以傳遞函數形式表達的示意圖,即一個(gè)1階噪聲整形器的簡(jiǎn)化框圖.反饋網(wǎng)絡(luò )通常包含一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò )，但為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，圖1的反饋比例為1.由于理想積分器的增益與頻率成反比，圖中積分器的傳遞函數也被簡(jiǎn)化為1／s.同時(shí)假定PWM模塊具有單位增益，并且在控制環(huán)路中具有零相位偏移。使用基本的控制模塊分析方法，可得到以下輸出表達式：
   

　　由等式1可知，噪聲項En(s)與一個(gè)高通濾波器函數(噪聲傳遞函數)相乘，而輸入項VIN(s)與一個(gè)低通濾波器函數(信號傳遞函數)相乘。噪聲傳遞函數的高通濾波器對D類(lèi)放大器的噪聲進(jìn)行整形。如果輸出濾波器的截止頻率選取得當，大部分噪聲會(huì )被推至帶外(見(jiàn)圖2右上角坐標糸統)。
 

圖2   現代D類(lèi)放大器反饋補償回路方框以傳遞函數形式表達的示意圖

　　上述例子使用的是1階噪聲整形器，而多數現代D類(lèi)放大器采用高階噪聲整形拓撲，以便進(jìn)一步優(yōu)化線(xiàn)性度和電源抑制特性。

　　4  新型無(wú)濾波器D類(lèi)放大器的導出

　　傳統D類(lèi)放大器的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線(xiàn)性而引入額外失真。幸好，很多現代D類(lèi)放大器采用了先進(jìn)的“免濾波器”調制方案，從而省掉或至少是最大限度降低了外部濾波器要求。圖3給出免濾波器調制器拓撲的簡(jiǎn)化功能框圖。
 

圖3  免濾波器調制器拓撲的簡(jiǎn)化功能框圖

　　與傳統的PWM型BTL放大器不同，每個(gè)半橋都有自己專(zhuān)用的比較器，從而可獨立控制每個(gè)輸出。調制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅動(dòng)。當兩個(gè)比較器輸出均為低電平時(shí)，D類(lèi)放大器的每個(gè)輸出均為高。與此同時(shí)，或非門(mén)的輸出變?yōu)楦唠娖�，但�?huì )因為RON和CON組成的RC電路而產(chǎn)生一定延時(shí)。一旦或非門(mén)延時(shí)輸出超過(guò)特定門(mén)限，開(kāi)關(guān)SWl和SW2隨即閉合。這將使OUT+和OUT-變?yōu)榈�，并保持到下個(gè)采樣周期的開(kāi)始。這種設計使得兩個(gè)輸出同時(shí)開(kāi)通一段最短時(shí)間t0N(MIN)，這個(gè)時(shí)間由RON和CON的值決定。如圖4所示，輸人為零時(shí)，兩個(gè)輸出同相并具有t0N(MIN)的脈沖寬度。

圖4  免濾波器調制器拓撲的輸入與輸出波形示意圖

　　隨著(zhù)音頻輸入信號的增加或減小，其中一個(gè)比較器會(huì )在另一個(gè)之前先翻轉。這種工作特性外加最短時(shí)間導通電路的作用，將促使一個(gè)輸出改變其脈沖寬度，另一個(gè)輸出的脈沖寬度保持為t0N(MIN)，見(jiàn)圖4所示。這意味著(zhù)每個(gè)輸出的平均值都包含輸出音頻信號的半波整流結果。對兩路輸出的平均值進(jìn)行差值運算，便可得到完整的輸出音頻波形。

　　由于MAX9700的輸出端在空閑時(shí)為同相信號，所以負載兩端沒(méi)有差分電壓，從而最大限度降低了靜態(tài)功耗，并且無(wú)需外部濾波器。免濾波器D類(lèi)放大器從輸出中提取音頻信號時(shí)并不依靠外部LC濾波器，而是依靠揚聲器負載固有的電感以及人耳的聽(tīng)覺(jué)特性來(lái)恢復音頻信號。揚聲器電阻(RE)和電感(LE)形成一個(gè)1階低通濾波器，其截止頻率為：
 

　　對大多數揚聲器而言，這個(gè)l階低通濾波器足以恢復音頻信號，并可防止在揚聲器電阻上耗散過(guò)多高頻開(kāi)關(guān)能量。即使依然存在殘余開(kāi)關(guān)能量使揚聲器組件產(chǎn)生運動(dòng)，這些頻率也無(wú)法被入耳聽(tīng)到或影響聽(tīng)覺(jué)感受。使用免濾波器D類(lèi)放大器時(shí)，為獲得最大輸出功率，揚聲器負載應保證在放大器開(kāi)關(guān)頻率下仍為感性負載。

　　5  利用D類(lèi)放大器延長(cháng)電池使用壽命

　　高效D類(lèi)音頻功率放大器使電池使用壽命延長(cháng)為傳統線(xiàn)性放大器的兩倍，從而使音樂(lè )播放時(shí)間更長(cháng)。DC音量控制等特性不僅降低了系統成本，實(shí)現了板級空間的最小化，同時(shí)其低噪聲底限能擴大動(dòng)態(tài)范圍，并優(yōu)化音頻質(zhì)量。D類(lèi)音頻放大器可為你的便攜式揚聲器系統提供靈活的低成本設計解決方案，見(jiàn)圖5示意圖。圖5中D類(lèi)放大器可采用TPA2008D2型2×3W D類(lèi)放大器。
 

圖5  利用D類(lèi)放大器延長(cháng)電池使用壽命示意圖

　　該解決方案應用范圍為：音頻基座、迷你揚聲器與輕便型收錄機。其特性為：8Ω揚聲器提供的88％的 D類(lèi)放大效率；集成DC音量控制范田為-38dB至20dB，而步長(cháng)為2dB；低噪聲，電源紋波抑制比(PSRR)為70dB；TPA2008D2型為24引腳HTSSOP封裝。

　　6  擴譜調制的應用是降低EMI有效技術(shù)

　　有必要先介紹何謂擴譜調制技術(shù)。通過(guò)展寬信號頻譜來(lái)減少EMI的需求，根據這個(gè)基本概念加以拓展的主要優(yōu)化技術(shù)被稱(chēng)為優(yōu)化擴譜調制或稱(chēng)頻譜擴散(OSD)。它極大地減少了EMI，而沒(méi)有受頻譜展寬時(shí)鐘(SSC)抖動(dòng)問(wèn)題的困擾。

　　應該說(shuō)，免濾波器工作方式的一個(gè)缺點(diǎn)就是可能通過(guò)揚聲器電纜輻射EMI。由于D類(lèi)放大器的輸出波形為高頻方波，并具有陡峭的過(guò)渡邊沿，因此輸出頻譜會(huì )在開(kāi)關(guān)頻率及開(kāi)關(guān)頻率倍頻處包含大量頻譜能量。在緊靠器件的位置沒(méi)有安裝外部輸出濾波器的話(huà)，這些高頻能量就會(huì )通過(guò)揚聲器電纜輻射出去。免濾波器D類(lèi)放大器采用“擴譜調制“方案，可幫助緩解可能的EMI問(wèn)題。

　　擴展頻譜模式下，采樣時(shí)鐘頻率在規定的范圍內逐周期變化，使輸出頻譜的分布比較平坦，從而改善了經(jīng)過(guò)喇叭或音頻線(xiàn)纜的EMI輻射，見(jiàn)圖6所示。采樣頻率的變化不會(huì )破壞音頻信號的恢復，也不會(huì )降低整體效率。
    

圖6  擴展頻譜模式下改善了經(jīng)過(guò)喇叭或音頻線(xiàn)纜的EMI輻射

　　一些D類(lèi)放大器也可允許接受外部的系統頻率同步，來(lái)降低或避開(kāi)敏感的頻帶。另外，現代D類(lèi)放大器具有主動(dòng)幅射限制電路(AEL)，AEL電路會(huì )在輸出瞬變時(shí)主動(dòng)控制輸出FET的柵極，避免傳統D類(lèi)放大器中因感性負載的續流所引起的高頻幅射，進(jìn)而降低EMI。

　　例如 MAX9705、MX9773兩款現代D類(lèi)放大器除了具有普通的固定頻率模式(FFM)、擴展頻譜模式(SSM)、外部同步模式及SSM+AEL模式，用戶(hù)可利用其SYNC引腳設定取樣頻率�，F代D類(lèi)放大器，加上仿真程序的計算，可計算出各個(gè)模式下的EMI特性.擴展頻譜模式+主動(dòng)幅射限制模式下，提供最佳的EMI抑制。

通過(guò)抖動(dòng)或隨機化D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現擴譜調制。實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率相對于標稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率的變化范圍可達到土10％。盡管開(kāi)關(guān)波形的各個(gè)周期會(huì )隨機變化，但占空比不受影響，因此輸出波形可以保留音頻信息。圖7顯示以MAX9700為例的擴譜調制的效果，是在OUT+或OUT-與地之間寬帶(為10KHz)的輸出頻譜測量效果，即擴譜調制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內。
               

圖7  以MAX9700為例的擴譜調制的效果，擴譜調制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內。

　　擴譜調制有效展寬了輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開(kāi)關(guān)頻率及其各次諧波上。換句話(huà)說(shuō)，輸出頻譜的總能量沒(méi)有變，只是重新分布在更寬的頻帶內。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，因而將揚聲器電纜輻射EMI的機會(huì )降至最少。雖然一些頻譜噪聲可能由擴譜調制引入音頻帶寬內，這些噪聲可以被反饋環(huán)路的噪聲整形功能抑制掉。

　　很多現代免濾波器D類(lèi)放大器還允許開(kāi)關(guān)頻率同步至一個(gè)外部時(shí)鐘信號。因此用戶(hù)可以將放大器開(kāi)關(guān)頻率設置到相對不敏感的頻率范圍內。

　　盡管擴譜調制極大地改善了免濾波器D類(lèi)放大器的EMI性能，為了滿(mǎn)足FCC或CE輻射標準，實(shí)際上還是需要對揚聲器電纜長(cháng)度加以限制。如果設備因揚聲器電纜過(guò)長(cháng)而沒(méi)能通過(guò)輻射測試，則需要一個(gè)外部輸出濾波器來(lái)衰減輸出波形的高頻分量。對于許多具有適度揚聲器電纜長(cháng)度的應用來(lái)說(shuō)，在輸出端安裝磁珠／濾波電容即可滿(mǎn)足要求,見(jiàn)圖8(a)所示。
 

圖8(a)  輸出端安裝磁珠/濾波電容示意圖

　　而圖8(b)為省掉價(jià)格昂貴的電感而用磁珠／濾波電容使EMI受限的特性曲線(xiàn)。

圖8(b)  省掉價(jià)格昂貴的電感而用磁珠/濾波電容使EMI受限的特性曲線(xiàn)

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