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如何降低手機中D類放大器的EMI影響

發(fā)布時間:2011-08-16

中心議題:

  • 手機中D類放大器中EMI的產(chǎn)生
  • 手機中D類放大器中EMI的改善措施

解決方案:

  • EEE技術(shù)降低手機中D類放大器的EMI
  • 合理的PCB布局改善手機D類放大器的EMI

D類放大器開關(guān)輸出的拓撲結(jié)構(gòu)帶來了高頻的EMI,如何控制好D類放大器的EMI,是系統(tǒng)工程師必須要考慮的方面。本文介紹手機D類放大器中EMI的產(chǎn)生及D類放大器EMI的改善措施。

D類放大器中EMI的產(chǎn)生

變化的電壓和電流信號會產(chǎn)生電磁場輻射,形成電磁波干擾(EMI:Electro-Magnetic Interference),這些電磁波信號會影響收音機、電視和手機等產(chǎn)品的正常工作。為了防止電子設(shè)備的EMI問題,世界各國都制定了相關(guān)的標準規(guī)定,如美國的聯(lián)邦通信委員會(FCC:Federal Communication Commission)的認證,目的都是限制電子產(chǎn)品的電磁波輻射。

EMI測試是在特定的電波暗室中進行的,測量由產(chǎn)品中輻射出來的電磁波強度,與FCC等規(guī)范相比較,不得超過規(guī)定的最大能量。FCC規(guī)范中將產(chǎn)品按用途分為CLASS A 、CLASS B 兩大類,A 類為用于商務(wù)或工業(yè)用途的產(chǎn)品,B 類為用于家庭用途的產(chǎn)品, FCC 對 B 類產(chǎn)品法規(guī)要求更嚴格。下表顯示的是FCC 規(guī)范的CLASS A和CLASS B標準:

傳統(tǒng)D類放大器開關(guān)輸出的拓撲結(jié)構(gòu)是一個很好的EMI發(fā)射源:如調(diào)制的開關(guān)信號,開關(guān)信號的邊沿變化,電源線上變化的電流信號等都會產(chǎn)生大量的EMI,如下圖所示。

不同的發(fā)射源對應(yīng)了不同的EMI頻譜,由于D類放大器的調(diào)制頻率一般在250kHz到1.5MHz之間,因此調(diào)制的開關(guān)信號和電源線上變化的電流信號帶來的EMI主要集中在10MHz以下的頻段;而方波的邊沿變化一般是在納秒級別的,因此它們所帶來的EMI主要集中在幾十MHz到幾GHz的高頻段。

EMI主要通過PCB的走線、通孔和揚聲器的連線向外輻射,較大能量的EMI輻射需要一個“高效率”的天線,對不同的頻率,一個有效的天線長度是該頻率波長的四分之一(λ/4),小于這個長度,就不能形成有效的對外輻射。對30MHz的頻率,采用一般的FR4的PCB板,天線長度需要大于114.1cm才能形成有效的輻射。所以在手機上采用D類放大器時,在放大器輸出的PCB走線和揚聲器連線上的方波邊沿變化是EMI的最重要來源。特別是手機應(yīng)用中所關(guān)心的一些頻段,如下表所示:基本都在100MHz以上,因此我們需要特別地關(guān)注由方波邊沿變化所引起的EMI輻射。

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對前面?zhèn)鹘y(tǒng)D類放大器的輸出波形,由傅里葉分析可知,方波納秒級的邊沿變化和高頻的振鈴會引入非常大的高頻EMI,嚴重影響FM、手機模擬電視等的接收效果,容易出現(xiàn)收聽雜音或雪花臺的情況,讓系統(tǒng)工程師頗感頭痛。

EEE技術(shù)降低D類的EMI

艾為的音樂功放(Music-PA)AW8010、AW8110、AW8145采用獨特的、擁有專利的EEE(Enhanced-Emission-Elimination)技術(shù),針對D類放大器的EMI問題,優(yōu)化了輸出級的設(shè)計,極大地降低了EMI,簡化了設(shè)計。

方波的邊沿變化包含了大量的高頻能量,會對系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備造成很大的EMI干擾,EEE技術(shù)通過特有的邊沿速率控制優(yōu)化了輸出的方波信號,可以有效地控制高頻能量的EMI輻射,同時不影響D類放大器的其他性能。

下面是傳統(tǒng)D類放大器和帶有EEE技術(shù)的AW8010的EMI測試結(jié)果,測試使用60cm(24inch)的輸出線。上面的紅色實線是FCC CLASS B的標準線,紅色虛線是-6dB的裕量線,藍色的線是實際測試曲線,粉色的線是測試環(huán)境的EMI背景噪音。

從上圖的測試結(jié)果可以看出,帶有EEE技術(shù)的AW8010的實測結(jié)果與測試環(huán)境的EMI背景噪聲基本一樣。在高頻射頻段,傳統(tǒng)D類放大器的EMI輻射與背景噪聲差別也不大,但在80~500MHz的頻段內(nèi),有相當大的EMI輻射,因此系統(tǒng)工程師在使用D類放大器的時候會發(fā)現(xiàn)射頻模塊的靈敏度受到的影響較小,但對FM、手機模擬電視的靈敏度影響很大,甚至不能正常工作,采用EEE技術(shù)后,在該頻段有超過20dB的裕量,極大地改善了D類放大器對FM、手機模擬電視的影響。

下圖是傳統(tǒng)D類放大器和帶EEE技術(shù)的AW8010對FM接收信號的信噪比影響。傳統(tǒng)D類放大器對FM的影響很嚴重,信號變差甚至丟臺,而帶EEE技術(shù)的AW8010對FM影響很小,降低了系統(tǒng)工程師的調(diào)試難度。

合理的PCB布局改善EMI

EEE技術(shù)顯著地改善了D類放大器的EMI問題,簡化了PCB設(shè)計,使PCB的布線更加寬松,但任何手段都沒有辦法完全地消除這個問題。EMI設(shè)計就像“矛”和“盾”的關(guān)系,發(fā)射源是“矛”,發(fā)射源到敏感模塊的防護是“盾”,“矛”鈍“盾”堅,就不會有EMI的問題,如果“矛”很鈍,但“盾”也很脆弱,那還是會有EMI的問題。因此,在使用D類放大器的時候,在PCB的布局上需要仔細考慮。

首先是輸出線,要將放大器到揚聲器的連線盡量縮短,這是最有效地降低EMI的方法;而且輸出布線不要經(jīng)過或太靠近敏感的信號線和電路。
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還有電源、地線的布局也很重要。功放電源上電流波動很大,因此電源上的濾波電容要盡量靠近功放芯片放置;同時合適地進行布線以便可以預(yù)測電流走向,最好采用星形接法。

對翻蓋手機的布線可能會遇到一個問題,翻蓋手機的上部和下部通過柔性電纜連接,電纜中包含電源、地還有LCD顯示的數(shù)據(jù)線,如果在翻蓋手機的上部裝有揚聲器,那么輸出的音頻信號也需要通過這根電纜,當音頻信號線靠近顯示數(shù)據(jù)線時,就可能會破壞顯示的數(shù)據(jù),因此需要將這兩種信號線分開,同時加上地線隔離。不過對這種情況最好還是加上磁珠和電容來抑制高頻的EMI,并盡可能地將磁珠、電容靠近放大器放置。磁珠的選擇也很重要,采用高阻抗、低直流電阻、大額定電流的磁珠可以很好的起到高頻EMI的抑制作用,同時對放大器的其他性能影響很小。

如下圖所示,在進行D類放大器的PCB布局時,為了抑制高頻EMI,以下兩點很重要:
1:輸出布線盡量短而寬。
2:磁珠、電容緊靠芯片輸出管腳放置,盡量減短輸出管腳到磁珠的布線長度。

同時,功放的其他外圍器件也盡量緊靠芯片放置,還有電源、地線采用星形接法都對提高D類功放的性能有好處。


AW8010 PCB布局示意圖

高效率、低功耗使得D類放大器的應(yīng)用越來越廣泛,D類放大器EMI也越來越受到關(guān)注。采用艾為帶有EEE技術(shù)的AW8010、AW8110、AW8145,極大地降低了EMI的輻射,簡化了設(shè)計。其中音樂功放AW8110、AW8145同時還采用了獨特的、擁有專利保護的無破音(NCN:Non-Crack-Noise)技術(shù),提高音質(zhì)的同時有效地保護揚聲器,是音樂手機等便攜式設(shè)備的理想選擇。



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