如何应对D类音频应用中的EMI问题
EMI包含有两个方面：放射和电磁耐受性。放射是指哪些设备会产生辐射噪声。电磁耐受性是指哪些设备会受到其它设备的电磁波影响。在稍候的篇幅中，我们将会多讨论一些有关电磁耐受性的问题。因为如果能有效地控制电磁放射，那么处理后续的电磁耐受性就变得相对容易了。放射一般来说大体分为辐射性放射和传导性放射两类。辐射性放射来自电路板、走线或电线，以电磁波的形态经大气传播影响附近的接收器。需要注意的是“接收器”可泛指任何因外来电磁能量干扰而影响其运行的电路。例如，PCB走线或IC的引线。传导性放射是指能量经电线或电缆逃脱或传导出来。传导性放射可以直接影响电路性能，或者转化为辐射性放射。
图1：波长和频率之间的物理关系
要了解两种放射，我们必须对天线有一定的了解。图1所示波长和频率之间的物理关系。一根天线的有效长度必须达到波长的四份之一。如果在大气中，其介电特性为1。那么在FR4或玻璃环氧电路板中，其介电特性便会降低至4.8。因此信号一旦到达FR4的电介质梯度，其传播走线就会变慢。于是会引起“波长缩减”效应。例如，一个200MHz的信号在大气中的四分之一波长为16.7cm，如果在内层的电路板走线，那么波长就变为16.7/4.8(1/2)=7.6cm。
即使PCB走线的长度短于波长的四分之一，仍可以是有效的天线，能够同时增强放射性和电磁耐受性。除了内层外，表面的走线也可表现出波长缩减效应。因为电介质的一面已足可改变传递的整个介电特性。
PCB走线等非意愿天线(unintended antenna)，可以说是数字系统中辐射噪声背后的黑手。从辐射性放射的角度考虑，我们可发现D类音频放大器本质上可被看作成一个数字系统。电磁学中一个关键原理是电磁互易(reciprocity)，因为电流的流动可产生一个电场，并且电通量的变化可引发电流的流动。按照这个原理，一条天线既可以用来接收电磁信号也可以用来发送电磁信号。假如非意愿天线受到噪声电流的刺激，而其长度接近波长的四分一接近时，此时便会产生辐射性放射。
图2：常用的天线设计
如图2所示，常用的天线设计有两种：偶极天线和鞭形天线。一个有趣的事实是鞭形天线本身就是半条偶极天线，水平接地经感应后，鞭形天线可成为另外的半条偶极天线。众所周知，天线的作用是通过电气能量的辐射来发送和接收信号。不过，如图3所示，PCB中的非意愿天线可包括：长走线；通路；元件的引线和接脚；无载电路板的连接器和插座。
图3：PCB中的非意愿天线
PCB上一些没有端接的表面走线或埋在下面的走线可以变成非意愿鞭形天线。在不同电位势下的走线片段可以因不良布局而变成振子天线。同时，PCB的导电层可作为双极天线的另一条腿，而板子本身会被耦合到电场中。
D类音频放大器
由于自身的效率很高，D类音频放大器很快就在消费电子设备中获得了广泛的应用。D类音频放大器通过输入的模拟信号来调制一个高频方波，该方波的频率可以是固定的也可以是可变的，甚至可以是随机脉冲。低通滤波器用来过滤信号中的高频内容以及恢复原始音频信号。在没有滤波器的拓朴中，扬声器本身的电感会被合并成滤波器的一部份。脉冲宽度调制(PWM)是一种普遍的D类拓朴技术，它采用固定频率的波形，并通过改变工作周期在低通滤波器后面产生出一个移动平均信号(图4)。
图4：PWM是一种普遍的D类拓朴技术
采用开关拓朴的好处很明显，例如：高效率、低功耗和易散热。不过，增加效率并不是没有代价的。为了提升效率，需要采用一个锐利且变换迅速的方波。但由于光谱能量高度集中在方波的边沿，这会导致数字系统中的问题再现。同时，可能会出现一些过激，使波形在短时间超越最高和最低的电压。过激使在输出光谱产生出额外的高频量，并对EMI和音频性能造成不良影响。
对抗EMI
要消除EMI，需要在电路设计时整合电气工程师、电路板布局工程师和制造工程师的力量，合力研发出一个最佳的PCB设计。要处理好EMI的问题，通常应在PCB设计时注意：
1. 在会出现电压波动的电源和接地间放置去耦电容器。如果随便放置电容器会恶化EMI问题；
2. 电源层应与电路板的边沿保持一定距离；
3. 避免在接地或电源层内切断走线，否则可能会造成非意愿针孔；
4. 对所有的高频时钟线路提供足够的端接；
5. 为电路板连接器提供适当滤波；
6. 良好的PCB设计可避免出现环路天线。环路天线可以使正向和反向的电流都在定义好的路径上传导。
另外，还可以通过抑制天线的电流来制止辐射。
对于音频设计人员来说，必须考虑下列两点：
1. 把由音频放大器到扬声器的走线长度缩到最短。因为一旦走线达到波长的四分之一，就会出现明显的辐射，走线或电线便会变成天线。
2. 对于无滤波器的D类系统，连接着放大器输出和扬声器的走线或电缆将会是RF放射的最大来源。
评论