采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)降低D類放大器音頻應(yīng)用中的電磁干擾
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D類放大器在實(shí)際應(yīng)用中所受的限制是顯而易見的。高頻能量出現(xiàn)在開關(guān)頻率和它的諧波以及方波的頻譜成份上。直到不久以前，D類放大器還需要一個(gè)低通濾波器(通常為2極點(diǎn)的巴特沃思LC濾波器)，來濾除大電流的高頻方波，只留下音頻信號(hào)。在新型的D類放大器中，一種無濾波器的實(shí)現(xiàn)方法采用擴(kuò)音器本身作為低通濾波器元件。這些更新的“無濾波器型”D類放大器在便攜式設(shè)計(jì)中變得十分流行。不幸的是，由于這一方法所產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度超出了傳統(tǒng)的帶有濾波器的D類放大器所允許的要求，所以有可能不允許使用它們。
對(duì)D類放大器，曾有過這樣的論述：“在這一實(shí)現(xiàn)方法上，人們?cè)度脒^巨大的精力和才智，因?yàn)樵诶碚撋掀湫史浅８?，但?shí)際應(yīng)用中卻困難重重，尤其是在一個(gè)EMC法規(guī)十分嚴(yán)格的世界里，我們不清楚200kHz的高功率正弦波是否是一個(gè)好的切入點(diǎn)。”便攜式設(shè)計(jì)的趨勢(shì)加劇了電磁干擾問題。由于產(chǎn)品變得越來越小，元件、引線和電線離得越來越近，適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季肿兊迷絹碓嚼щy。由于面積的限制，幾乎不可能再使用濾波器。目前的發(fā)展趨勢(shì)要求器件的音量越來越高，因而需要更高的功率和電流，從而產(chǎn)生更大的輻射。此外，在單個(gè)平臺(tái)中融合多種無線通信功能，比如藍(lán)牙、Wi-Fi、無線局域網(wǎng)絡(luò)等，更使電磁干擾成為一個(gè)突出的難題。電磁干擾除了是產(chǎn)品內(nèi)部需要直接考慮的問題外，與其它外部系統(tǒng)的射頻輻射干擾也是一個(gè)需要被考慮的問題。大多數(shù)的消費(fèi)類系統(tǒng)需要通過一些FCC的檢測(cè)，這些檢測(cè)主要是針對(duì)產(chǎn)品的無意輻射對(duì)其它使用射頻頻譜器件的干擾問題。
有許多方法可被用來減少電磁干擾，其中之一是減緩方波的邊沿，但這樣會(huì)減弱對(duì)到來的模擬音頻信號(hào)精確采樣的能力并使效率降低，因此是以增大THD+N為代價(jià)的。使用LC(電感+電容)濾波器能極大降低電磁干擾，但LC濾波器體積很大并十分昂貴，其尺寸和成本隨輸出功率的增大而增大。一旦引線的長(zhǎng)度達(dá)到其所傳輸信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一，PCB引線和電線在本質(zhì)上將產(chǎn)生天線效應(yīng)，產(chǎn)生大量的輻射，因此通常引線的長(zhǎng)度要盡可能地短。
其它一些辦法包括讓傳輸高頻信號(hào)的PCB引線從地平面之間通過，并使用絕緣的元件和環(huán)形電感等。對(duì)于無濾波器的D類系統(tǒng)，連接放大器輸出和揚(yáng)聲器的引線和電纜長(zhǎng)度很可能是最大的射頻輻射源。例如，在靠近放大器的位置與擴(kuò)音器串聯(lián)放置一個(gè)鐵氧體磁珠等傳統(tǒng)方法都能有效地降低輻射。鐵氧體磁珠能起到射頻扼流器的作用，衰減高頻信號(hào)成份。但是鐵氧體磁珠僅在較窄的頻率范圍內(nèi)有效，可能難以在整個(gè)輸出噪聲的帶寬范圍內(nèi)提供足夠的衰減。如果PCB布局和濾波器不能將電磁干擾降低到一個(gè)可接受的水平，那么可以采用屏蔽措施。電源是另一個(gè)可能的電磁干擾源。D類放大器以與出現(xiàn)在電源線上輸出開關(guān)邊沿相關(guān)的大幅度窄脈沖的形式汲取電流。通過適當(dāng)?shù)牟季趾团月芳夹g(shù)能降低與電源相關(guān)的電磁干擾。
雖然“事后”降低電磁干擾的方法是有效的，但最好的方法還是一開始就使放大器產(chǎn)生較小干擾。與以前的D類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，擴(kuò)頻器件提供了這種可能。擴(kuò)頻技術(shù)不是最近才發(fā)展起來的，它的使用歷史已超過半個(gè)世紀(jì)，最早被用于通信系統(tǒng)和軍用雷達(dá)等應(yīng)用。在過去的十年中，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域，尤其是時(shí)鐘電路中，當(dāng)被用于D類放大器時(shí)，擴(kuò)頻技術(shù)也會(huì)帶來類似優(yōu)點(diǎn)。
擴(kuò)頻調(diào)制器能在中心開關(guān)頻率附近的一個(gè)頻段(例如在300kHz中心頻率附近進(jìn)行具有±30%的頻率擴(kuò)展)內(nèi)調(diào)輸出橋的開關(guān)頻率。只要頻率變化一直是隨機(jī)的，從簡(jiǎn)單的掃描到載頻的不相關(guān)跳變等各種方法都能作為實(shí)際的變頻方法。擴(kuò)頻調(diào)制方案有一些關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)：在維持高效率和低THD+N的同時(shí)，可降低輻射噪聲和電磁干擾，而總能量并沒有減少。如圖1所示，擴(kuò)頻后的峰值能量降低了，但總能量保持不變，而是分布到一個(gè)更寬的頻帶內(nèi)。噪聲的帶寬變得更大，但在任何一個(gè)頻點(diǎn)上的噪聲峰值都比由固定頻率器件產(chǎn)生的噪聲要小。
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| 圖1：擴(kuò)頻前后的噪聲和噪聲基底對(duì)比。 |
通過在某一頻譜范圍內(nèi)隨機(jī)地改變開關(guān)波形的頻率，寬帶的頻譜成份被壓平。圖2通過快速傅立葉變換(FFT)來顯示擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)噪聲能量的影響，右圖中固定頻率放大器的FFT顯示出集中在諧波上的峰值能量更高，左圖中擴(kuò)頻調(diào)制放大器的FFT顯示出所有的峰值能量都較低，并且諧波較少，從而使噪聲基底更高。
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| 圖2：通過快速傅立葉變換(FFT)顯示的擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)噪聲能量的影響。 |
擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)主要有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：更低的輻射噪聲峰值帶來電磁干擾性能的改善，并能縮小甚至不再需要D類應(yīng)用中常見的電磁干擾濾波器，例如圖3所示的一款引入擴(kuò)頻技術(shù)的D類音頻放大器。
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| 圖3：帶有擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的D類音頻放大器(LM4675)。 |
表中給出了FCC和CE標(biāo)準(zhǔn)中的D類放大器輻射標(biāo)準(zhǔn)，它們適用于任何不做發(fā)射用途的數(shù)字消費(fèi)類器件。所有消費(fèi)類電子產(chǎn)品在美國(guó)和歐洲上市前必須先通過這兩種認(rèn)證。
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| 表：FCC和歐洲工程標(biāo)準(zhǔn)(CE)的D類放大器輻射標(biāo)準(zhǔn)。 |
如圖4所示，對(duì)帶有2英寸揚(yáng)聲器電纜，且沒有濾波器元件的產(chǎn)品進(jìn)行初步電磁干擾測(cè)試，結(jié)果顯示該產(chǎn)品在FCC B級(jí)限制測(cè)試過程中具有出色的電磁干擾性能。紅線表示FCC B級(jí)的限制，噪聲頻譜必須一直低于這條線才符合FCC的發(fā)射要求。
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| 圖4：輻射發(fā)射30~1,000MHz，對(duì)帶有2英寸揚(yáng)聲器電纜，且沒有濾波器元件的產(chǎn)品進(jìn)行初步電磁干擾測(cè)試的結(jié)果。 |
擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)為D類音頻放大器的應(yīng)用帶來了顯著優(yōu)點(diǎn)
它降低了射頻輻射，并簡(jiǎn)化了諸如使用LC濾波器等高成本的降低電磁干擾的策略，極大減小了傳統(tǒng)D類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在便攜設(shè)計(jì)領(lǐng)域中曾面臨的障礙。能從中獲益的相關(guān)應(yīng)用包括任何需要遵從FCC/EC規(guī)則或其它諸如Mil-Std-461等與電磁干擾相關(guān)規(guī)則的便攜式器件。此外，任何需要降低系統(tǒng)噪聲的便攜式設(shè)備，如通信設(shè)備、音樂播放器、廣播設(shè)備以及麥克風(fēng)等，都能從擴(kuò)頻技術(shù)中獲益。
電磁干擾是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要從設(shè)計(jì)中所使用的單元模塊和元件入手，利用所有可以支配的工具來創(chuàng)建一個(gè)高性能的產(chǎn)品，采用具有擴(kuò)頻調(diào)制特性的器件能有效地降低便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電磁干擾。
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