数字功放(D类)中的EMC设计

2018-04-03深圳三诺数字科技有限公司邹传彬

电子世界 2018年5期

深圳三诺数字科技有限公司　邹传彬　唐　波

1　引言

进入21世纪以来，由于技术的飞速发展，数字功放依靠着超高的效率，应用越来越广泛，另外，近年来数字功放的音质也可和模拟功放相媲美，首先，数字功放工作在开关状态，所以它的过载能力与功率储备远高于模拟功放；其次，数字功放不存在着交越失真，对功放管的配对也没有模拟功放严格，所以失配失直也小于模拟功放；最后，因为数字功放没有任何放大反馈电路，也可避免瞬态互调失真。

但数字功放也带来另外一个问题，因为它是工作在开关状态，且基本是采用脉宽调制原理（PWM）的原理来设计的，在进行调制的时候，开关在快速进行切换，这些特性使数字功放具有宽的频谱，且含有大量的高频分量，导致高频辐射及干扰，造成严重的EMC问题，从而会导致设备工作不正常或对人们的健康造成影响，所以必须加以控制。

2　数字功放的原理

图1　数字功放基本电路及框图

我们参考图1来说明数字功放的工作原理，传统的D类放大器采用PWM的工作方式，是脉宽调制型的放大器。脉冲调制型放大器中有一个三角波发生器，它产生一个固定频率的三角波，然后此三角波与模拟信号输入到一个比较器电路进行比较，当输入的模拟信号大于三角波的幅度时，比较器电路输出高电平，当输入的模拟信号小于三角波的幅度时，比较器电路输出低电平。由此可见，如果输入信号的幅度越高，那么所对应的输出脉冲宽度就越宽，如果输入信号的幅度越低，那么所对应的输出脉冲宽度就越窄。所以，模拟信号及三角波信号通过比较器电路后，输出的就是一个经过调制的PWM信号。

调制过后PWM信号送入到门驱动电路，然后由门驱动电路控制开关功率管的导通与截止，开关功率管工作的实质就是将电源的功率转换成PWM的功率，实际上也是一个PWM放大的过程，功率管工作在开关状态，且导通内阻非常小，所以输出的脉冲幅度基本上与电源电压相接近，放大后的PWM再送到滤波电路，滤波电路普便采用LC低通滤波电路，把高频分量滤除后，把脉冲信号还原成模拟信号。

由以上可知，数字功放是工作在一个高速开关状态，为了达到更好的保真度及在高频时有足够的采样点，要求很高的三角波载波频率，所以三角波的频率一般都会达到几百KHZ，然而随着开关频率的升高，必然会带来严重的EMC问题。

另外，在数字功放电路中，芯片退耦电容到芯片电源引脚之间的PCB走线，芯片电源引脚到内部硅片之间的邦定线可以等效成一个寄生电感。在功率MOSFET截止时，功率MOSFET电极之间的电容可等效成一个寄生电容。如图2所示。这些寄生电感和寄生电容构成了LC谐振电路。图1中的高端MOSFET导通，低端MOSFET截止时，可以等效成图2所示的LC谐振电路。为了提高电路的效率，当今芯片内部集成的功率MOSFET的都做得比较小，常常在几十毫欧到几百毫欧之间。这意味着谐振电路的阻尼系数可能很小。造成的结果是在PWM开关切换时，伴随着比较大的振铃，因为振铃的存在，急剧的加大了EMC，所图3所示。

图2　MOS的寄生电容与电感

图3　PWM电路中的振铃

3　在电路设计中加入防止EMC的措施

3.1　加入Snubber电路

由以上分析可知，在数字功放中，PWM开关切换时，会伴随着比较大的振铃，而振铃的出现，会使信号的上升时间变陡，信号的幅度变大，且它的谐振频率往往是工作频率的几十倍甚至是上百倍。根据电场强度计算公式：

其中，E为电场强度，为伏特/米，其中f为电流的频率MHz，A为电流的环路面积，为电流幅度mA。

由公式可知，对场强的影响有频率、电流等，而振铃，导致了频率的上十上百倍的增加，而信号幅度的增加也引起电流的增加，所以振铃的出现，会使电场强度急剧的增加，导致电磁环境急剧的恶化，造成辐射超标、干扰变大，所以振铃是导致数字功放EMC问题的主要因素，所以我们必须对此加以抑制。而加入Snubber(缓冲)电路，可以非常有效的抑制开关电路中的振铃。

如图4所示，L1/C1/R1分别是放大电路功率管中的等效电感、电容与电阻，Snubber电路可直接加功率管的输出端，Snubber电路由一个小阻值的电阻和一个电容Csnubber串联构成。其中电阻Rsnubber用来调节LC谐振电路的阻尼系数。电容Csnubber在振铃频率（即LC谐振频率）处呈现很低的容抗，近似于短路。在PWM开关频率又呈现出较高的容抗。如果没有电容Csnubber的存在，PWM信号一直加在电阻Rsnubber两端，电阻Rsnubber会消耗过多的能量。

图4　Snubber电路

Rsnubber须选取合适的电阻值，既能让PWM开关信号能快速稳定到终值，而Csnubber又不产生振铃（临界阻尼），而元件值的选取原则是，在LC谐振频率（振铃频率）处，容抗要远小于Rsnubber的阻值，对PWM开关信号，又要呈现出足够高的容抗。当然，引入Snubber电路，在每次开关时都要消耗更多的能量，降低了电源转换效率。有些应用场合对电路的效率有很高的要求，可以适当调整Snubber电路的元件值，在PWM信号的振铃和功率消耗之间取得平衡。图5为加入Snubber电路后与没有加的波形对比，其中，粗线条为加入后波形，细线条为没有加的波形，从波形对比图可以看出，振铃得到了很好抑制，减缓了波形的上升时间，降低了频率以及幅度，从而使辐射大降低。

图5　加入Snubble电路后的波形对比

3.2　加入电容及磁珠

理想的电容是不存在的，因为电容其引脚引线的存在，电容可以等效为一个电阻、电感及电容串并联电路，会有一个自谐振，所以说并不是说电容越大，其等效阻抗（ESR）就越低，而是电容等效电路在谐振时，它的电抗表现为一个纯电阻，这时电容的ESR就最小，电容的滤波就最好，所以说对滤波电容的选择不是越大越好，而是要根据电路的特性选择合适的滤波电容，同时，也只有滤波越好，电路工作越稳定，电路的整体辐射也就越好。图6是不同电容所对应的不同的自谐振频率，从图中看出，表面贴装电容比插件电容的滤波效果好，因为插件电容的引脚可以等效为一个电感，从而影响了滤波效果，另外，电容越小，对高频的滤波效果也越好。

图6　不同电容所对应的谐振频率

根据图6所示，可以对数字功放的电源部分滤波分别选取三个不同容的电容来并联，首先选一个大容量的电解电容滤除电源纹波，数字功放大部分工作在300KHZ-500KHZ，所以再增加一个4.7uF的贴片电容滤除PWM的基频，最后选取一个1nF的贴片电容滤除PWM的谐波，这样就可以很好的滤除电源上的辐射。同理，也可以在LC低通滤器上增加一个小电容来滤除喇叭线的PWM谐波。

以上增加电容滤波的方法是消除电源上及喇叭线上的辐射，另外，为防止高频谐波从电源线及喇叭线上传导出去，再在电源线及喇叭线上串联大电流的磁珠，磁珠对低频是呈现出非常低的阻抗，但对高频则呈现出高阻抗，这样就可阻止高频从电源线及喇叭线上传导出去。

4　在PCB设计中加入防止EMC的措施

4.1　地线的处理

地线主要是为电流提供返回通路，在EMC中非常重要，屏蔽、阻抗匹配、阻抗的连续性、反射、地弹等都与地线有关，所以说地线的处理可以说是EMC的关键。

首先，须提供一个完整的地平面，在数字功放中，对EMC的处理主要是高频部分，所以在布线中应多点接地，如是双面板，尽量单面放元件，单面走线，另一面完全铺地，形成一个完整的地平面，让整个地平面的电位都相等，这样就可以给每个器件提供完全相等地电位，从而形完美的阻抗连续性以及消除地弹。另外，完整的地平面也给每个器件提供最短电流返回路径，从而缩短了电流的环路面积，从公式1可以知道，场强是与电流的环路面积成正比的，减小的环路面积，也就减小了EMC辐射。

其次，滤波器件的接地应与功放的地在同一层相连接，如不在同一层相连接，必然通过过孔相连，从电流流出到返回，最少要通过两个过孔，而过孔是有着寄生电感存在的，其计算公式为：

其中，h为过孔深度，单位为mm；d为过孔直径，单位为mm。

如果PCB的厚度为1.6mm，过孔直径为0.3mm，那么其电感约为1.3nH，如果通过的频率是100MHz，那么其等效阻抗为，约为0.82Ω，两个过孔就为1.64Ω，所以如果通过过孔，电容对高频的滤波效果就会被大大消弱，从而导致辐射。同样的原理，接地元件或包地线也应该可能多的打过孔到地平面，这样可以降低寄生电感，从而减小接地阻抗。

4.2　元件的布局及PCB走线的处理

一个良好的PCB布局可以有效的减小电磁辐射，首先，所有的元件在散热及工艺允许的情况下尽量紧凑排放，这样可以缩短各个元件相互间的走线，减小电流回路的环路面积。特别是电源的滤波电容一定要紧靠供电脚，电容的排列按照容值从小到大逐渐远离供电脚，电容越小越要靠近供电脚，因为PCB走线同样也存在电感，其计算公式为：

其中，l为PCB走线长度，W为走线宽度，单位为cm。

如果走线长度为1cm，宽度为0.3cm，那么其电感约为3.9nH。可以看出，如果滤波电容离供电引脚越远，滤波效果就越差，导致辐射也变大。同样，Snubber电路也必须靠近功放输出脚，提高滤波效果；低通滤波器电感也要靠近功放输出脚，低通滤波器电容也须紧靠电感放置；总而言之，元件须按照信号的流向来布局，使信号保持一个方向，走线最短，不产生回流，且以功放为核心，所有元件围绕它来放置，紧凑的布放在一起，尽量减小和缩短元件之间的连线。

在PCB走线时，优先考虑地线，电源线须紧靠地线，减小差模辐射的环路面积，电源线与功放输出也尽量在同一层走，不要换层，且要保证走线的连续性，宽度不要突然变化，不要走直角或锐角。另外，功放的下面无论是PCB顶层或底层，都不要有其它走线，全部为地线或地平面，功放输出线也要包地，特别是功放输出到滤波电感这一段，这样可以有效的抑制辐射。