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？

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

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）