數字功放(D類)中的EMC設計

深圳三諾數字科技有限公司　鄒傳彬　唐　波

1　引言

進入21世紀以來，由于技術的飛速發展，數字功放依靠著超高的效率，應用越來越廣泛，另外，近年來數字功放的音質也可和模擬功放相媲美，首先，數字功放工作在開關狀態，所以它的過載能力與功率儲備遠高于模擬功放；其次，數字功放不存在著交越失真，對功放管的配對也沒有模擬功放嚴格，所以失配失直也小于模擬功放；最后，因為數字功放沒有任何放大反饋電路，也可避免瞬態互調失真。

但數字功放也帶來另外一個問題，因為它是工作在開關狀態，且基本是采用脈寬調制原理（PWM）的原理來設計的，在進行調制的時候，開關在快速進行切換，這些特性使數字功放具有寬的頻譜，且含有大量的高頻分量，導致高頻輻射及干擾，造成嚴重的EMC問題，從而會導致設備工作不正常或對人們的健康造成影響，所以必須加以控制。

2　數字功放的原理

圖1　數字功放基本電路及框圖

我們參考圖1來說明數字功放的工作原理，傳統的D類放大器采用PWM的工作方式，是脈寬調制型的放大器。脈沖調制型放大器中有一個三角波發生器，它產生一個固定頻率的三角波，然后此三角波與模擬信號輸入到一個比較器電路進行比較，當輸入的模擬信號大于三角波的幅度時，比較器電路輸出高電平，當輸入的模擬信號小于三角波的幅度時，比較器電路輸出低電平。由此可見，如果輸入信號的幅度越高，那么所對應的輸出脈沖寬度就越寬，如果輸入信號的幅度越低，那么所對應的輸出脈沖寬度就越窄。所以，模擬信號及三角波信號通過比較器電路后，輸出的就是一個經過調制的PWM信號。

調制過后PWM信號送入到門驅動電路，然后由門驅動電路控制開關功率管的導通與截止，開關功率管工作的實質就是將電源的功率轉換成PWM的功率，實際上也是一個PWM放大的過程，功率管工作在開關狀態，且導通內阻非常小，所以輸出的脈沖幅度基本上與電源電壓相接近，放大后的PWM再送到濾波電路，濾波電路普便采用LC低通濾波電路，把高頻分量濾除后，把脈沖信號還原成模擬信號。

由以上可知，數字功放是工作在一個高速開關狀態，為了達到更好的保真度及在高頻時有足夠的采樣點，要求很高的三角波載波頻率，所以三角波的頻率一般都會達到幾百KHZ，然而隨著開關頻率的升高，必然會帶來嚴重的EMC問題。

另外，在數字功放電路中，芯片退耦電容到芯片電源引腳之間的PCB走線，芯片電源引腳到內部硅片之間的邦定線可以等效成一個寄生電感。在功率MOSFET截止時，功率MOSFET電極之間的電容可等效成一個寄生電容。如圖2所示。這些寄生電感和寄生電容構成了LC諧振電路。圖1中的高端MOSFET導通，低端MOSFET截止時，可以等效成圖2所示的LC諧振電路。為了提高電路的效率，當今芯片內部集成的功率MOSFET的 都做得比較小，常常在幾十毫歐到幾百毫歐之間。這意味著諧振電路的阻尼系數可能很小。造成的結果是在PWM開關切換時，伴隨著比較大的振鈴，因為振鈴的存在，急劇的加大了EMC，所圖3所示。

圖2　MOS的寄生電容與電感

圖3　PWM電路中的振鈴

3　在電路設計中加入防止EMC的措施

3.1　加入Snubber電路

由以上分析可知，在數字功放中，PWM開關切換時，會伴隨著比較大的振鈴，而振鈴的出現，會使信號的上升時間變陡，信號的幅度變大，且它的諧振頻率往往是工作頻率的幾十倍甚至是上百倍。根據電場強度計算公式：

其中，E為電場強度，為伏特/米，其中f為電流的頻率MHz，A為電流的環路面積，為電流幅度mA。

由公式可知，對場強的影響有頻率、電流等，而振鈴，導致了頻率的上十上百倍的增加，而信號幅度的增加也引起電流的增加，所以振鈴的出現，會使電場強度急劇的增加，導致電磁環境急劇的惡化，造成輻射超標、干擾變大，所以振鈴是導致數字功放EMC問題的主要因素，所以我們必須對此加以抑制。而加入Snubber(緩沖)電路，可以非常有效的抑制開關電路中的振鈴。

如圖4所示，L1/C1/R1分別是放大電路功率管中的等效電感、電容與電阻，Snubber電路可直接加功率管的輸出端，Snubber電路由一個小阻值的電阻和一個電容Csnubber串聯構成。其中電阻Rsnubber用來調節LC諧振電路的阻尼系數。電容Csnubber在振鈴頻率（即LC諧振頻率）處呈現很低的容抗，近似于短路。在PWM開關頻率又呈現出較高的容抗。如果沒有電容Csnubber的存在，PWM信號一直加在電阻Rsnubber兩端，電阻Rsnubber會消耗過多的能量。

圖4　Snubber電路

Rsnubber須選取合適的電阻值，既能讓PWM開關信號能快速穩定到終值，而Csnubber又不產生振鈴（臨界阻尼），而元件值的選取原則是，在LC諧振頻率（振鈴頻率）處，容抗要遠小于Rsnubber的阻值，對PWM開關信號，又要呈現出足夠高的容抗。當然，引入Snubber電路，在每次開關時都要消耗更多的能量，降低了電源轉換效率。有些應用場合對電路的效率有很高的要求，可以適當調整Snubber電路的元件值，在PWM信號的振鈴和功率消耗之間取得平衡。圖5為加入Snubber電路后與沒有加的波形對比，其中，粗線條為加入后波形，細線條為沒有加的波形，從波形對比圖可以看出，振鈴得到了很好抑制，減緩了波形的上升時間，降低了頻率以及幅度，從而使輻射大降低。

圖5　加入Snubble電路后的波形對比

3.2　加入電容及磁珠

理想的電容是不存在的，因為電容其引腳引線的存在，電容可以等效為一個電阻、電感及電容串并聯電路，會有一個自諧振，所以說并不是說電容越大，其等效阻抗（ESR）就越低，而是電容等效電路在諧振時，它的電抗表現為一個純電阻，這時電容的ESR就最小，電容的濾波就最好，所以說對濾波電容的選擇不是越大越好，而是要根據電路的特性選擇合適的濾波電容，同時，也只有濾波越好，電路工作越穩定，電路的整體輻射也就越好。圖6是不同電容所對應的不同的自諧振頻率，從圖中看出，表面貼裝電容比插件電容的濾波效果好，因為插件電容的引腳可以等效為一個電感，從而影響了濾波效果，另外，電容越小，對高頻的濾波效果也越好。

圖6　不同電容所對應的諧振頻率

根據圖6所示，可以對數字功放的電源部分濾波分別選取三個不同容的電容來并聯，首先選一個大容量的電解電容濾除電源紋波，數字功放大部分工作在300KHZ-500KHZ，所以再增加一個4.7uF的貼片電容濾除PWM的基頻，最后選取一個1nF的貼片電容濾除PWM的諧波，這樣就可以很好的濾除電源上的輻射。同理，也可以在LC低通濾器上增加一個小電容來濾除喇叭線的PWM諧波。

以上增加電容濾波的方法是消除電源上及喇叭線上的輻射，另外，為防止高頻諧波從電源線及喇叭線上傳導出去，再在電源線及喇叭線上串聯大電流的磁珠，磁珠對低頻是呈現出非常低的阻抗，但對高頻則呈現出高阻抗，這樣就可阻止高頻從電源線及喇叭線上傳導出去。

4　在PCB設計中加入防止EMC的措施

4.1　地線的處理

地線主要是為電流提供返回通路，在EMC中非常重要，屏蔽、阻抗匹配、阻抗的連續性、反射、地彈等都與地線有關，所以說地線的處理可以說是EMC的關鍵。

首先，須提供一個完整的地平面，在數字功放中，對EMC的處理主要是高頻部分，所以在布線中應多點接地，如是雙面板，盡量單面放元件，單面走線，另一面完全鋪地，形成一個完整的地平面，讓整個地平面的電位都相等，這樣就可以給每個器件提供完全相等地電位，從而形完美的阻抗連續性以及消除地彈。另外，完整的地平面也給每個器件提供最短電流返回路徑，從而縮短了電流的環路面積，從公式1可以知道，場強是與電流的環路面積成正比的，減小的環路面積，也就減小了EMC輻射。

其次，濾波器件的接地應與功放的地在同一層相連接，如不在同一層相連接，必然通過過孔相連，從電流流出到返回，最少要通過兩個過孔，而過孔是有著寄生電感存在的，其計算公式為：

其中，h為過孔深度，單位為mm；d為過孔直徑，單位為mm。

如果PCB的厚度為1.6mm，過孔直徑為0.3mm，那么其電感約為1.3nH，如果通過的頻率是100MHz，那么其等效阻抗為，約為0.82Ω，兩個過孔就為1.64Ω，所以如果通過過孔，電容對高頻的濾波效果就會被大大消弱，從而導致輻射。同樣的原理，接地元件或包地線也應該可能多的打過孔到地平面，這樣可以降低寄生電感，從而減小接地阻抗。

4.2　元件的布局及PCB走線的處理

一個良好的PCB布局可以有效的減小電磁輻射，首先，所有的元件在散熱及工藝允許的情況下盡量緊湊排放，這樣可以縮短各個元件相互間的走線，減小電流回路的環路面積。特別是電源的濾波電容一定要緊靠供電腳，電容的排列按照容值從小到大逐漸遠離供電腳，電容越小越要靠近供電腳，因為PCB走線同樣也存在電感，其計算公式為：

其中，l為PCB走線長度，W為走線寬度，單位為cm。

如果走線長度為1cm，寬度為0.3cm，那么其電感約為3.9nH?？梢钥闯觯绻麨V波電容離供電引腳越遠，濾波效果就越差，導致輻射也變大。同樣，Snubber電路也必須靠近功放輸出腳，提高濾波效果；低通濾波器電感也要靠近功放輸出腳，低通濾波器電容也須緊靠電感放置；總而言之，元件須按照信號的流向來布局，使信號保持一個方向，走線最短，不產生回流，且以功放為核心，所有元件圍繞它來放置，緊湊的布放在一起，盡量減小和縮短元件之間的連線。

在PCB走線時，優先考慮地線，電源線須緊靠地線，減小差模輻射的環路面積，電源線與功放輸出也盡量在同一層走，不要換層，且要保證走線的連續性，寬度不要突然變化，不要走直角或銳角。另外，功放的下面無論是PCB頂層或底層，都不要有其它走線，全部為地線或地平面，功放輸出線也要包地，特別是功放輸出到濾波電感這一段，這樣可以有效的抑制輻射。

5　總結

綜上所述， 本文從原理設計及PCB設計上闡述了數字功放EMC的輻射原理以及所對應的解決方案，可以解決大部分數字功放的EMC問題。當然，在實際應用中，這些方案須要靈活的運用，而且也要根據不同的功放采用不同的措施，如有些I2S輸入的功放，就必須對這些輸入線進行處理，以防止輸入線產生電磁干擾。

[1]張亮.電磁兼容（EMC）技術及應用實例詳解[M].北京:電子工業出版社,2014.

[2]董芳針,周克,霍俊海.D類功率放大器的設計與實現[J].工業控制計算機,2015,28(3):159-160.