车载终端音频辐射骚扰性能的优化方法

常君　徐建军

摘 要：针对车载终端在电磁兼容测试过程中音频辐射骚扰超标问题，从设计和测试两个方面进行了分析，通过优化滤波器参数、改善PCB布局等方法，并将其对策到实际音频电路中。整改后的测试结果表明，车载终端音频辐射骚扰测试符合实际要求。

关键词：电磁兼容;车载终端;辐射骚扰;滤波器

1 引言

车载终端是车联网系统中重要的组成部分，集成了数据采集、通信、应急通话等多项功能，可以实现汽车的远程状态监测、紧急事故报警等。受整机体积限制，车载终端音频电路选用效率高、体积小的D类音频放大器，但是由于D类音频放大器采用的PWM调制技术，这种调制技术在驱动后级功率管高速切换时，会带来一些高频谐波噪声，这些高频谐波噪声人耳无法识别，但会对周边车载电子系统造成一定的影响，即EMI问题，因此必须将谐波噪声辐射的影响降至允许限值以内，才可以使用。

本文主要分析了车载终端音频辐射骚扰产生的原因，并提出了优化及改善措施。

2 车载终端音频测试分析

车载终端在做EMC实验时，音频电路需要正常工作，实验室需要参照一些参考标准来判定是否合格。该类产品参考标准有汽车厂家的企业标准、国家标准、国际IEC标准等。测试方法及布局依据CISPR 25-2008要求规定进行，测试结果应满足标准限值要求，由于本实例汽车厂家自制标准严于其他任何标准，因此以汽车厂家自制标准为判定依据。其中辐射测试电波暗室法规定频率在0.5-1.8MHz区间，限值要求平均值<12dBuV/m，峰值<30dBuV/m。实际试验布置见图1，辐射测试天线选用长度为1m杆状垂直单极天线。首次摸底测试结果见图2。

由图2及表1可知，在0.4 MHz处，即标号2位置，辐射能量最大，但此处频率不在规定范围内，而在1.2MHz处，即标号4位置，测得的辐射波形能量平均值超出限值6.15dB（限值为12dBuV/m），而峰值未超标（限值为30dBuV/m）。判定为不合格，需要整改。

3 车载终端音频辐射骚扰分析

车载终端音频电路采用的是TI公司的TAS5411型号芯片，该芯片是一款汽车级单路模拟输入的D类音频放大器，芯片内部采用PWM调制技术，将输入的差分信号经过调制器调制后，再驱动后级H-桥功率管切换开关工作，经过外部LC滤波网络滤波后推动扬声器工作。后级推动电路等效为图3所示，内部H–桥是由四个MOS功率管构成，可以等效成开关，PMOS在上，NMOS在下，每个MOS管旁并联寄生体二极管（也叫体二极管）。

以图3为例，当PWM控制H–桥从1状态逐渐切换到3状态过程中，在状态1 时，NMOS导通，电流由下往上流过NMOS管到负载;在2状态，由于NMOS关断，由于负载（电感）电流的不能突变的特性，NMOS 的体二极管被迫导通，到了3状态，PMOS 开启，由于体二极管上电压突然翻转，使得其快速关断，最终电感电流由PMOS提供。而在从2到3的转换过程当中，会伴随有较大的反向恢复电流，正是由于大的反向恢复电流出现在体二极管上，会导致很大的di/dt，这也正是电磁干扰的主要来源。该PWM切换频率在0.4MHz，因此在输出信号线和电源线上变化的电流信号带来的EMI噪声辐射，主要集中在10MHz以下的频段;而方波的边沿变化一般是在纳秒级别的，如图4所示，测试为8.2ns，根据EMI发射带宽的公式F=0.35/Tr，其中：F 是频率，单位是GHz;Tr 是单位为ns（纳秒）的信号上升时间或者下降时间。 从公式中不难看出，当上升沿时间是8.2ns，那么该电路的最高EMI发射频率将达到42MHz，远远大于该电路的测试时超标频率1.2MHz，因此排除了方波可能性。

根据傅里叶级数变换，任何周期性重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量，同样对于方波也适用。现场通过实验也证实了：当对音频放大器实施静音控制，此1.2MHz辐射超标点也立刻消失，即此辐射超标频点是伴随音频功放大器的内部驱动后级桥式功率管切换开关工作而出现的。该芯片驱动切换开关的工作频率是0.4MHz，因此1.2 MHz辐射超标点是基波0.4MHz的3倍奇次谐波。

当电磁干扰波的频率小于30MHz时，电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中传导噪声的，而本辐射超标频点是1.2 MHz<30MHz，应该是以传导方式传播的，通过对实际测试布局图分析发现，负载喇叭距离车载终端线长2米，设备供电电源属于远端接地方式，而测试天线位于线束布局中间处，只能接收来自空间的辐射干扰。因此说明该谐波噪声通过线束沿线束传播，在传播过程中，形成了空间辐射。

4 车载终端整改分析

抑制辐射骚扰从切断辐射路径和改善器件周边设计两个方面解决。

（1）针对传导辐射整改：该D类音频放大器后级输出连接有LC 滤波网络，如图5所示，通过LC滤波网络，把高频分量滤除后，将脉冲信号还原成模拟信号。通过试验确认调整外部滤波网络参数的办法，降低滤波网络的截止频率，阻止基频能量向外辐射，从而有效解决谐波辐射能量超标问题。该实例中滤波参数调整前L=10uH，C=1uF，截止频率约为50.3KHz;调整后L=33uH，C=3.2uF，截止频率约为15.5KHz，。车载终端对音频频率高值要求8KHz，符合要求。

（2）其他方面整改：

A. 加强铺地：扩大地平面，在布线中应多点接地，保证最短电流返回路径，从而缩短了电流的环路面积，减少辐射;

B. 加强包地：对模拟音频输入、I2C时钟线+数据线、功放输出到滤波电感这一段，都要包地，并且包地要有过孔连接到整个地平面上。

C.元件布局：电源入口处滤波电容应按照容值从大到小顺序依次向芯片供电引脚紧凑靠近，这样可以减小差模辐射的环路面积。對于功放输出脚外接的低通滤波器，元件尽可能须按照信号的流向来布局，使信号保持一个方向，并且对称、布局紧凑。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，过孔尽可能多。

D.PCB布线：所有的走线要最短，保证连续性，宽度不要突然变化，不要走直角或锐角。在滤波电感底层不要走其他线，应该是全部为地线或地平面。

通过以上多项措施改善，经过实际测试测得在1.2MHz数值为6.25dB，低于限值要求，满足了需求。图6为复测测试结果，如图中标号4，表2为复测测试数据。

5 结语

综上所述，本文从设计和测试两个方面分析了车载终端在电磁兼容测试过程中音频辐射骚扰超标的原因，通过优化滤波器参数、改善PCB布局等措施解决了音频辐射骚扰超标问题，取得了一定的效果，同时降低了EMC风险。在实际应用中，这些对策方案也可以应用到相关的车载终端设备中，但需要针对实际设计电路灵活掌握。

参考文献：

[1]CISPR 25：2008 Radio disturbance characteristics for the protection of receivers used on board vehicles，boats and on devices-limits and methods of measurements[S]. 2008.

[2]邹传彬，唐波.数字功放（D类）中的EMC设计.电子世界，2018（5）.

[3]陈立辉等.电磁兼容（EMC）设计与测试之汽车电子产品.北京： 电子工业出版社，2014：153.

[4]王云，蒋莉，张旭，吴在园，陈希琛.车载终端传导骚扰性能的优化.安全与电磁兼容，2018（3）.