從內部電路設計下手　D類放大器EMI問題有解

2012-03-05

Bill Llewellyn

近來，採用電動揚聲器(Powered Speaker)的可攜式裝置之數目成長快速，這些裝置包括手機、MP3播放器、全球衛星定位系統(GPS)、筆記型電腦、平板電腦、遊戲機、玩具等等。在這些應用中，通常被選用來驅動揚聲器的音頻放大器類型稱為D類(或開關)放大器。

相較於傳統的AB類放大器設計，D類放大器的散熱較少(在輕巧型產品中非常重要)，且效率較高(可延長電池壽命)。但D類放大器開關拓撲一個可能的缺點是，容易發出電磁輻射，可能會干擾到周邊的其他電子設備。這種情形可以藉由在外部採用被動濾波的方式將干擾緩減到某種程度，可是卻會增加最終產品的成本、面積及複雜性。本文將探討某些可減輕電磁干擾(EMI)問題的內部電路設計方法。

邊緣速率控制減少EMI

為放大音頻訊號，D類放大器的輸出或不同配置情況下的各種輸出，在兩個電源軌(通常為正極和接地)間交替切換，其頻率是所需放大的最高音頻頻率之十倍或更高，可能為300kHz或更高。開關訊號經過調變，從而通過簡單的且有時是揚聲器本身包含的低通濾波器來恢復音頻訊號。

此開關轉換速度一般非常地快，也許是2奈秒(ns)或更短，因而包含顯著的高頻能量，這導致互連纜線產生EMI輻射，尤其是在訊號路徑中無低通濾波器以及放大器與揚聲器間纜線長度非常明顯的情形下(也許超過1公分)。

降低放大器輸出的轉動率(Slew Rate)是一種用來減緩EMI輻射的方法之一。圖1為時域中的一個例子，其上方跡線有2奈秒的上升和下降時間，而下方跡線有20奈秒的上升和下降時間。

圖1　具有2奈秒和20奈秒轉換時間的D類放大器輸出波形

圖2　在2奈秒(上方實線)和20奈秒(中間波狀線)上升和下降時間的D類輸出頻譜

以十倍數為例，轉動率的減少對於D類放大器產生的輻射能量有顯著的影響。圖2顯示兩種波形的頻譜，此時D類輸出正處於靜默(無音頻且工作週期等於50%)，開關頻率為333kHz。有此可以看出，30MHz至1GHz間大部分頻譜，其高頻(HF)內容減少約20dB。在包含有調頻(FM)廣播接收電子設備(88M～108MHz)、手機或無線互聯網電路(700M～2.7GHz)的系統中，這可大幅減少EMI，從而降低可能影響系統性能的風險。

圖2清楚地說明了邊緣速率控制(Edge Rate Control, ERC)技術減少EMI的優勢，不過代價是增加損耗。首先是D類放大器提供的效率優勢，主要來自於輸出元件始終完全開啟或完全關閉，因此輸出元件中的暫態耗散功率為P=VI，在所有時間裡基本上保持為零，因為不同於AB類放大器，其功率元件的VI乘積從不為零。在每次開關轉換時引入(或增加)時間跨度，其間V≠0，同時負載電流I≠0，導致片上功耗適度增加，因而使得效率降低。

其次，一個非ERC輸出級在本質上僅是一個大型逆變器，因為可能包括直通(Shoot-through)或短路衝擊電流的緩減，而一個ERC輸出級包含附加電路，能夠調節上拉和下拉元件的觸發電壓，以便在輸出端上產生所期望且受控制的轉動率。視所使用的方法，此舉增加晶片面積(成本)和電流消耗(降低效率)。整體而言，由於增添ERC而產生的效率代價可能為1～2%。

擴頻時鐘抑制奇次諧波

圖3　無擴頻時脈的D類輸出頻譜

上述討論的ERC是一個有效的方法，可降低在30MHz以上頻率範圍產生的EMI(在FCC法規的限制內)，而D類放大器開關輸出的基本載波頻率和其落在30MHz以下範圍的相關奇次諧波(方波)，則不太適合採用這項技術來處理。圖3所示為此頻帶出現的能量，它是由傳統且未修改的D類放大器輸出所產生。

為減小D類輸出頻譜中的基音和泛音尖峰高度，可在放大器的時鐘電路中加入少許的頻率調變(Frequency Modulation)，也許調變指數在±5%左右，不會影響所放大音頻訊號的品質。

圖4　帶有擴頻時脈的D類輸出頻譜

雖然針對調變訊號源的特性有許多選擇，一個常規作法是使用帶有重複頻率(全模式重複頻率)的偽隨機模式，其超出最高預期音頻訊號頻率(通常為20kHz)一個適當的餘量，這可防止產生可能落入音頻頻帶的音調。

圖4顯示與圖3所示相同的D類輸出，但其帶有±5%調變，在40kHz模式重複頻率下由偽隨機序列來實現。

圖5　帶有(上方線條)和未帶有(下方實色部分)擴頻時脈的D類輸出頻譜

圖5顯示圖3和圖4顏色疊加後的圖片，更清楚地指出由擴頻時脈帶來的差異。由此能夠看見在整個頻譜範圍內，基準時鐘頻率的奇次諧波被抑制了將近10dB。

單邊調變效果顯著

另一種可以降低EMI的方法是修改調變方案。當音頻基帶訊號振幅變得夠大時，這種修改可讓單邊差分(One Side of A Differential)或橋式D類輸出對(Bridged Class-D Output Pair)停止切換(圖6～7)。本質上，這允許反向輸出，一直持續到開關，以便進行全面調變，將輸出訊號保持在剩餘間隔，直至其最高峰值。