如何降低D类音频应用中的电磁干扰

随着便携式电池供电设备的工作时间越来越长，D类放大器凭借先天的效率优势，受到重视的程度与日俱增。如今，大部分D类系统的工作效率都在80%以上，以往开发人员必须牺牲音频性能和增加电路板的空间和系统成本，才能提高效率。所幸，最新的D类技术已克服了这些架构的缺点，同时简化了系统设计，降低了解决方案的成本。

对于D类放大器来说，常见的问题包括：滤波器的大小、电磁干扰(EMI)、射频干扰(RFI)和不良的总谐波失真+噪声(THD+N)。新架构采用扬声器本身的电感特性，从PWM方波输出中抽取音频成份，从而省去了用于音频的输出滤波器，但移除滤波器后的拓扑又会导致更多的电磁干扰。最新开发出的器件在不牺牲效率的前提下，可将EMI降至最低并改善THD+N的性能。

EMI对于设计人员来说很重要，它可干扰系统内的IC器件和其他的电子设备。此外，工程人员还需面对一项艰巨的挑战，即要符合有关EMI限制标准，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽车系统专用标准等。第一个由半导体供应商推行的EMI抑制功能是扩展频谱调制。扩展频谱调制与传统的脉冲宽度调制(PWM)不同，其输出桥路的开关频率只会在中心频率附近的频带内变化。虽然每个器件有不同的中心频率、频率扩展和频率变化方法，但只要频率的变化是随机的，则峰值辐射能量便可被降低。这是由于电磁能量倾向散布在较宽阔的频带内，所以总高频能量会如同一个固定频率器件一样保持不变，但在频带内任何一点频率上的噪声均可被降低。图1比较了一个固定频率器件和一个扩展频谱器件的近场EMI测量结果。正如图中的红色线表示，峰值能量被减少。如果实现的方法正确，那扩展频谱可以作为一个非常有效的方案，因为它不会对效率和THD造成任何不良的影响。这种技术现已应用在例如LM4675、LM48410和LM48520之类的器件上。

图1. D类系统的 近场EMI测量结果。从红色的虚线可看出左边的固定频率时钟方案和右边的扩展频谱调制之间的分别。

为了进一步降低器件的EMI辐射，半导体制造商推行了边沿速率控制(ERC)。D类输出的高频能量被包含在方波输出的边沿。输出的上升和下降时间越快，则边沿所包含的高频能量就越多。因此，假如输出过渡时间可以被减少，那么便可继而削减由系统发出来的高频能量。

不过，减少过渡时间也可能对D类放大器的性能带来不好的影响。随着花在状态之间有效区域的时间越长，输出器件便会耗散更多的功率，从而使效率下降。此外，更短的上升和下降时间也会使PWM信号偏离完美的方波，导致在重生的音频信号中产生误差并增加THD+N。

图2. LM48310的EMI测试结果符合FCC B级限制水平。

虽然边沿速率控制有可能对D类放大器的性能构成威胁，但它在降低EMI上的表现却使设计人员欲罢不能，从而令ERC技术不断改进。只要实现的方法正确，那便可将效率损失和增加THD+N的不良作用减到最低。其中一个很好的例子是美国国家半导体(NSC, National semiconductor corporation)的LM48310(单声道)和LM48411(多声道)D类放大器。

以上两款器件均采用了美国国家半导体专利的增强型放射抑制(E2S)系统。该E2S系统可通过减缓部分边沿输出过渡时间来改善效率。通过此方法，不单EMI可被降至最低，甚至连功耗都可降低至非ERC的D类放大器水平。至于由ERC引致的PWM音频信号误差则可通过内部反馈环路进行修正，以减少THD+N并改善音频品质。

图3. 没有边沿速率控制的扩展频谱D类放大器。器件在EMI测试中，在没有使用任何滤波器的情况下驱动20英寸长的扬声器电缆，其结果符合FCC B级的EMI限制。