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分享關于無電感D類音頻應用實現極低EMI的設計技巧和應用

貿澤電子 ? 來源:djl ? 2019-08-26 09:39 ? 次閱讀

導讀:功率電感和鐵氧體磁環的價格差異顯著,這推動了D類音頻放大器濾波設計步入無電感時代。但同時,在鐵氧體磁珠的作用下,濾波器的截止頻率會急劇飆升,從幾千赫茲增加到幾兆赫茲;從而削弱了濾波器的EMI抑制效果。因此,D類應用亟需降低EMI噪聲。在D類音頻無電感應用中,要取得良好的EMI結果取決于電路板電平調整與適當的PCB布局。

鐵氧體磁環配備適當的電容可以降低D類輸出邊緣速率,但同時也會產生一些瞬時振蕩,加劇傳導性電磁干擾,因此,需要利用佐貝爾電路降低瞬時振蕩。

本文將介紹一些電路板電平調整技術,包括鐵氧體磁珠選擇原則——降低邊緣速率,佐貝爾網絡調整方法——減少瞬時振蕩,以及適當的PCB布局等。這些解決方案通過利用TI最新的EMI優化D類音頻放大器TPA3140D2,幫助客戶大幅節約系統設計成本,同時獲得出色的音頻性能。

無電感濾波器

無電感設計的目的是利用成本低廉的鐵氧體磁珠替代昂貴的電感,為客戶實現系統層面上的 低成本EBOM(工程材料賬單)目標。鐵氧體磁珠等同于多層片式電感。受當前鐵氧體磁環材料和制造技術的限制,此類電感很難同時承受大電流、高阻抗。以日本東光多層片式電感為例,如果工程師將額定直流電流值設定為>2.5A,則絕大多數電感值將低于1uH。行內另外一家的產品順絡鐵氧體磁珠系列(UPZ2012)也有類似表現:如果最大額定電流大于2.5A,鐵氧體磁環磁珠同等電感值小于0.6uH。

表1為UPZ2012系列鐵氧體磁珠在100MHz的阻抗、以及不同鐵氧體磁環的最大額定電流和最大直流電阻

表1 2012型貼片鐵氧體磁環的阻抗與最大電流

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如圖1所示,“120Ω@100MHz 鐵氧體磁珠”的同等電感值為0.39uH,而 600Ω@100MHz 鐵氧體磁珠,同等電感值為1.59uH。

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圖1 鐵氧體磁珠同等電感值

鐵氧體磁珠工作時相當于一個并聯諧振回路,如同電感在低頻域(<100MHz)、電容在高頻域(>100MHz)工作一樣、也如同一個純電阻在自身的諧振頻率點一樣。在使用鐵氧體磁珠設定輸出濾波器時,其基礎就是利用它的電感特性。因為每個LC濾波器 (無源濾波器)均擁有自身的諧振頻率,在此頻率點,濾波器的增益很大,導致過濾后產生瞬時振蕩。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量,通常使用10Ω的電阻和330pF的電容。R2和C2將吸收由濾波器本身造成的振蕩能量。

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圖2 鐵氧體磁珠濾波器設計

如何利用無電感濾波器實現低EMI目標?

?意見1:選擇鐵氧體磁珠降低邊緣速率

TI 設備中利用了一些技術,盡量降低5MHz頻帶(此頻率通常為鐵氧體磁珠濾波器的截止頻率)范圍內傳導的EMI噪聲。擴展頻譜、L和R聲道(D類立體聲音頻)的相移等也會有一定的幫助。對于小于5MHz的 EMI帶寬,尤其是當開關頻率約為300kHz(以獲得較佳效率),實驗結果顯示減少邊緣速率是降低EMI的有效方法。

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圖3 不同阻抗鐵氧體磁環的邊緣速率

圖3中,較高的鐵氧體磁珠阻抗可以實現較低邊沿速率的D類輸出;使用600ohm@100MHz 的鐵氧體磁珠,可以獲得最低邊緣速率的D類輸出,最終在高頻段實現最佳EMI結果。然而,阻抗較高意味著額定電流較小。表1中,阻抗=600ohm@100MHz,最大額定電流為2A。以電視客戶為例:

電視應用示例:PVDD (功率電源)= 12V,揚聲器負載=8Ω,BD模式,忽略PCB與鐵氧體磁珠的導通電阻和直流電阻。最大電流 = 12/8 = 1.5A。

在PVDD = 12V /8Ω揚聲器的情況下,工程師可以使用600ohm@100MHz的鐵氧體磁珠來設計濾波器。

圖4為鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果

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圖4 鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果

圖5為鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果

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圖5 鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果

意見2:利用佐貝爾網絡,盡量降低瞬時振蕩。

圖6為我們設計的用于降低輸出濾波電路振蕩效應的典型電路。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量。R2和C2 用于吸收由濾波器諧振頻率造成的振蕩。

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圖6 調諧,以減少振蕩、降低邊緣速率

圖7.a中,在傳導性EMI測試噪音頻帶,捕獲到周期為350ns的振蕩(約2.85MHz),其能量在佐貝爾網絡之后已經大幅減弱,并獲得更高邊緣增益。

表2 濾波器和佐貝爾網絡設置

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圖7 調整佐貝爾網絡和電容(減少振蕩,獲得較慢的邊緣速率)

不過又出現了另外一個問題,圖8顯示振蕩加劇了2MHz~4MHz的頻帶噪聲(如果D類輸出電流增加的話,振蕩會更加嚴重)。從理論上講,諧波分量越高,振幅應該越小,但是,濾波器的諧振頻率點改變了這一情況。我們看一下圖7.a,與設置4相比,設置3在2MHz~5MHz頻帶具有更好的噪聲抑制能力。最終,設置3在減少振蕩方面表現出最佳的調優效果,并且獲得了較低的邊緣速率,及良好的2MHz~5MHz的EMI裕量。

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圖8 振蕩加劇2MHz~4MHz 頻帶噪聲(設置4)

PCB布局

圖9為TI無電感D類音頻參考設計電路板(TPA3140D2)。圖10是典型的輸出應用電路原理圖。

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圖9 TPA3140 EVM板(左)節約了很多濾波器PCB空間

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圖10 TPA3140典型輸出應用電路原理圖

?濾波器PCB布局

為盡可能減少濾波器電流回路(電流回流至GND),確保電流環路小。

1)將鐵氧體磁珠盡可能靠近輸出引腳。

2)盡量減少濾波器接地的電流回路(C8至D類接地引腳)

3)盡量確保濾波器和D類設備的底層是一個完整的接地層。

4)如果要添加佐貝爾網絡來減少振蕩,將佐貝爾網絡盡可能靠近濾波器。

5)將緩沖電路盡可能靠近設備的輸出引腳。

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圖11 濾波器布局

?PVCC布局

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圖12 PVCC布局

結論

TI最新無電感D類立體聲放大器(TPA3140)使無電感設計在中等功率D類應用中得以實現。根據不同的揚聲器線長度和輸出功率(電流)要求,音響系統工程師可以使用本文中講到的一些電路板電平調諧技術,包括鐵氧體磁珠選擇原則(降低邊緣速率)、佐貝爾網絡調諧方法(減少振蕩)以及適當的PCB布局等,最終,在客戶系統級測試中,得以使TPA3140實現足夠的EMI裕量。目前用戶設計獲得的反饋顯示,TI TPA3140是一款真正的無電感中等功率D類音頻放大器,可以幫助客戶在降低系統BOM成本、更小的PCB尺寸、良好的EMC裕量及穩定良好的音頻性能等方面取得最佳平衡。

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