【设计秘笈】无电感D类音频应用实现极低EMI的设计技巧

由 editor Chen 提交于周五, 15 七月 2016 - 10:45

导读：功率电感和铁氧体磁环的价格差异显著，这推动了D类音频放大器滤波设计步入无电感时代。但同时，在铁氧体磁珠的作用下，滤波器的截止频率会急剧飙升，从几千赫兹增加到几兆赫兹；从而削弱了滤波器的EMI抑制效果。因此，D类应用亟需降低EMI噪声。在D类音频无电感应用中，要取得良好的EMI结果取决于电路板电平调整与适当的PCB布局。

铁氧体磁环配备适当的电容可以降低D类输出边缘速率，但同时也会产生一些瞬时振荡，加剧传导性电磁干扰，因此，需要利用佐贝尔电路降低瞬时振荡。

本文将介绍一些电路板电平调整技术，包括铁氧体磁珠选择原则——降低边缘速率，佐贝尔网络调整方法——减少瞬时振荡，以及适当的PCB布局等。这些解决方案通过利用TI最新的EMI优化D类音频放大器TPA3140D2，帮助客户大幅节约系统设计成本，同时获得出色的音频性能。

无电感滤波器

无电感设计的目的是利用成本低廉的铁氧体磁珠替代昂贵的电感，为客户实现系统层面上的低成本EBOM（工程材料账单）目标。铁氧体磁珠等同于多层片式电感。受当前铁氧体磁环材料和制造技术的限制，此类电感很难同时承受大电流、高阻抗。以日本东光多层片式电感为例，如果工程师将额定直流电流值设定为>2.5A，则绝大多数电感值将低于1uH。行内另外一家的产品顺络铁氧体磁珠系列（UPZ2012）也有类似表现：如果最大额定电流大于2.5A，铁氧体磁环磁珠同等电感值小于0.6uH。

表1为UPZ2012系列铁氧体磁珠在100MHz的阻抗、以及不同铁氧体磁环的最大额定电流和最大直流电阻。

表1 2012型贴片铁氧体磁环的阻抗与最大电流
<body>
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tr>
<td width="56" valign="top">阻抗 
(Ω) 
120 </td>
<td width="122" valign="top">阻抗测试频率 
（MHz） 
100 </td>
<td width="91" valign="top">最大额定电流（mA） 
4000 </td>
<td width="94" valign="top">最大直流电阻 
(mΩ) 
20 </td>
<td width="58" valign="top">厚度（mm） </td>
</tr>
<tr>
<td width="56" valign="top">220 </td>
<td width="122" valign="top">100 </td>
<td width="91" valign="top">3000 </td>
<td width="94" valign="top">40 </td>
<td width="58" valign="top"> </td>
</tr>
<tr>
<td width="56" valign="top">330 </td>
<td width="122" valign="top">100 </td>
<td width="91" valign="top">2500 </td>
<td width="94" valign="top">50 </td>
<td width="58" valign="top">0.85±0.2</td>
</tr>
<tr>
<td width="56" valign="top">600 </td>
<td width="122" valign="top">100 </td>
<td width="91" valign="top">2000 </td>
<td width="94" valign="top">90 </td>
<td width="58" valign="top"> </td>
</tr>
<tr>
<td width="56" valign="top">1000 </td>
<td width="122" valign="top">100 </td>
<td width="91" valign="top">1500 </td>
<td width="94" valign="top">120 </td>
<td width="58" valign="top"> </td>
</tr>
</table>
</body>
如图1所示，“120Ω@100MHz 铁氧体磁珠”的同等电感值为0.39uH，而 600Ω@100MHz 铁氧体磁珠，同等电感值为1.59uH。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5896-1.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）" width="600"></center>
图1 铁氧体磁珠同等电感值

铁氧体磁珠工作时相当于一个并联谐振回路，如同电感在低频域（<100MHz）、电容在高频域（>100MHz）工作一样、也如同一个纯电阻在自身的谐振频率点一样。在使用铁氧体磁珠设定输出滤波器时，其基础就是利用它的电感特性。因为每个LC滤波器（无源滤波器）均拥有自身的谐振频率，在此频率点，滤波器的增益很大，导致过滤后产生瞬时振荡。R1和C1将吸收由IC本身造成的振荡能量，通常使用10Ω的电阻和330pF的电容。R2和C2将吸收由滤波器本身造成的振荡能量。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5897-2.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）" width="600"></center>
图2 铁氧体磁珠滤波器设计

如何利用无电感滤波器实现低EMI目标？

•意见1：选择铁氧体磁珠降低边缘速率

TI 设备中利用了一些技术，尽量降低5MHz频带（此频率通常为铁氧体磁珠滤波器的截止频率）范围内传导的EMI噪声。扩展频谱、L和R声道（D类立体声音频）的相移等也会有一定的帮助。对于小于5MHz的 EMI带宽，尤其是当开关频率约为300kHz（以获得较佳效率），实验结果显示减少边缘速率是降低EMI的有效方法。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5898-3.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）" width="600"></center>
图3 不同阻抗铁氧体磁环的边缘速率

图3中，较高的铁氧体磁珠阻抗可以实现较低边沿速率的D类输出；使用600ohm@100MHz 的铁氧体磁珠，可以获得最低边缘速率的D类输出，最终在高频段实现最佳EMI结果。然而，阻抗较高意味着额定电流较小。表1中，阻抗=600ohm@100MHz，最大额定电流为2A。以电视客户为例：

电视应用示例：PVDD （功率电源）= 12V，扬声器负载=8Ω，BD模式，忽略PCB与铁氧体磁珠的导通电阻和直流电阻。最大电流 = 12/8 = 1.5A。

在PVDD = 12V /8Ω扬声器的情况下，工程师可以使用600ohm@100MHz的铁氧体磁珠来设计滤波器。

图4为铁氧体磁珠对于传导性EMI的效果

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5899-4.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）" width="600"></center>
图4 铁氧体磁珠对于传导性EMI的效果

图5为铁氧体磁珠对于辐射性EMI的效果

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5900-5.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）" width="600"></center>
图5 铁氧体磁珠对于辐射性EMI的效果

意见2：利用佐贝尔网络，尽量降低瞬时振荡。

图6为我们设计的用于降低输出滤波电路振荡效应的典型电路。R1和C1将吸收由IC本身造成的振荡能量。R2和C2 用于吸收由滤波器谐振频率造成的振荡。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5901-6.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）" width="600"></center>
图6 调谐，以减少振荡、降低边缘速率

图7.a中，在传导性EMI测试噪音频带，捕获到周期为350ns的振荡（约2.85MHz），其能量在佐贝尔网络之后已经大幅减弱，并获得更高边缘增益。

表2 滤波器和佐贝尔网络设置
<body>
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tr>
<td width="156" valign="top">滤波器和佐贝尔网络设置 </td>
<td width="56" valign="top">C3 </td>
<td width="68" valign="top">C2 </td>
<td width="53" valign="top">R2 </td>
<td width="110" valign="top">PVCC闲置电流 </td>
</tr>
<tr>
<td width="156" valign="top">设置1 
设置2（无佐贝尔） 
设置3 </td>
<td width="56" valign="top">1nF 1nF 
2.2nF 
nF </td>
<td width="68" valign="top">1000pF DNP 1000pF </td>
<td width="53" valign="top">68Ω 
DNP 
68Ω </td>
<td width="110" valign="top">65mA 
45mA 
80mA </td>
</tr>
<tr>
<td width="156" valign="top">设置4(无佐贝尔) </td>
<td width="56" valign="top">2.2nF </td>
<td width="68" valign="top">DNP </td>
<td width="53" valign="top">DNP </td>
<td width="110" valign="top">60mA </td>
</tr>
</table>
</body>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5902-7.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）" width="600"></center>
图7 调整佐贝尔网络和电容（减少振荡，获得较慢的边缘速率）

不过又出现了另外一个问题，图8显示振荡加剧了2MHz~4MHz的频带噪声（如果D类输出电流增加的话，振荡会更加严重）。从理论上讲，谐波分量越高，振幅应该越小，但是，滤波器的谐振频率点改变了这一情况。我们看一下图7.a，与设置4相比，设置3在2MHz~5MHz频带具有更好的噪声抑制能力。最终，设置3在减少振荡方面表现出最佳的调优效果，并且获得了较低的边缘速率，及良好的2MHz~5MHz的EMI裕量。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5904-8.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）"></center>
图8 振荡加剧2MHz~4MHz 频带噪声（设置4）

PCB布局

图9为TI无电感D类音频参考设计电路板(TPA3140D2)。图10是典型的输出应用电路原理图。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5905-9.jpg…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）"></center>
图9 TPA3140 EVM板（左）节约了很多滤波器PCB空间

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图10 TPA3140典型输出应用电路原理图

•滤波器PCB布局

为尽可能减少滤波器电流回路（电流回流至GND），确保电流环路小。

1）将铁氧体磁珠尽可能靠近输出引脚。
2）尽量减少滤波器接地的电流回路（C8至D类接地引脚）
3）尽量确保滤波器和D类设备的底层是一个完整的接地层。
4）如果要添加佐贝尔网络来减少振荡，将佐贝尔网络尽可能靠近滤波器。
5）将缓冲电路尽可能靠近设备的输出引脚。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5907-11.jp…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）">
图11 滤波器布局

•PVCC布局

</center> <center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001998-5908-12.jp…; alt="无电感D类音频应用实现极低EMI（电磁干扰）"></center>
图12 PVCC布局

结论

TI最新无电感D类立体声放大器（TPA3140）使无电感设计在中等功率D类应用中得以实现。根据不同的扬声器线长度和输出功率（电流）要求，音响系统工程师可以使用本文中讲到的一些电路板电平调谐技术，包括铁氧体磁珠选择原则（降低边缘速率）、佐贝尔网络调谐方法（减少振荡）以及适当的PCB布局等，最终，在客户系统级测试中，得以使TPA3140实现足够的EMI裕量。目前用户设计获得的反馈显示，TI TPA3140是一款真正的无电感中等功率D类音频放大器，可以帮助客户在降低系统BOM成本、更小的PCB尺寸、良好的EMC裕量及稳定良好的音频性能等方面取得最佳平衡。

来源：TI公司
作者： YuQing Yang, Peter Cao, Xiaolin Qin