数字功放电磁骚扰抑制技术措施

刘爱国

摘 要：为了减少电磁骚扰，降低恶劣的电磁环境对数字功放的不利影响，文章介绍了数字功放的原理，提出了解决电磁骚扰的措施，在实际应用中，这些措施可以很好的解决大部分数字功放中的电磁骚扰问题。

关键词：数字功放；电磁骚扰；电路设计；PCB设计

引言

数字功放由于具有高效率、低功耗的优点，被越来越多地应用在诸如PDA、手机、MP3等便携式设备中。然而，数字功放的工作原理决定了它会产生较严重的电磁骚扰问题，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。

1.数字功放的原理

2.在电路设计中加入防止电磁骚扰的措施

2.1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：

公式1：

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电磁骚扰问题的主要因素，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。

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。

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，而元件值的选取原则是，在LC谐振频率处，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。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。

2.2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。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為一个电感，从而影响了滤波效果。

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。

3.在PCB设计中加入防止电磁骚扰的措施

3.1地线的处理

地线主要是为电流提供返回通路，在电磁骚扰中非常重要，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电磁骚扰的关键。首先，须提供一个完整的地平面，在数字功放中，对电磁骚扰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。

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：

公式2：

3.2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：

公式3：

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。

4.总结

总之，电磁骚扰抑制对于提高数字功放设备的使用性能具有重要的意义。本研究对抑制措施进行了研究，并根据实践经验并进行大量的测试，举例验证了抑制方案的可行性，可为从事电磁兼容性设计的技术人员提供了相关的抑制电磁骚扰的解决方案。

参考文献：

[1]明鑫. 低EMID类音频功放电路关键技术研究[D]. 电子科技大学， 2012.

[2]陈早. D类功放中EMI抑制技术的研究[D]. 电子科技大学， 2010.