无电感D类音频应用实现极低EMI的技术方案

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

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。

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。

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。

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

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

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。

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

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。[!--empirenews.page--]

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。

a. 滤波器PCB面积(无电感) b. 滤波器PCB空间(带电感)

图9 TPA3140 EVM板(左)节约了很多滤波器PCB空间

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。

铁氧体磁珠 设备接地引脚 铁氧体磁珠(上中下)

图10 滤波器布局

PVCC布局

顶层 底层

图11 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。