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无电感D类音频应用实现极低EMI的技术方案
发布时间:2021-08-03 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]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。
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。
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