减小D类放大器的EMI

研究方向：

* D类放大器应用难点

* PWM型D类放大器

* 新一代调制技术

* 欠阻尼共模响应问题

近年来D类放大器的技术迅猛发展，最常见的莫过于应用于每个通道低于50W的低功耗产品中。在这些低功耗应用中，D类放大器相比传统AB类放大器而言有效率上的先天优势，因为D类放大器的输出级通常只处于导通或关断，没有中间偏压级。然而，长久以来，这一效率上的优势并未使其获得设计人员的广泛青睐，因为 D类放大器也有明显的缺点：器件成本高、较差的音频性能(与AB类放大器相比)，并且需要输出滤波。

近年来，受以下两个主要因素的影响，这样的局面正逐渐扭转，使D类放大器在很多应用领域引起了人们的广泛关注。

首先，是市场需要。D类放大器的某些优点推动了手机和LCD平板显示器这两个终端设备市场的迅速发展。对于手机来说，扬声器和PTT(Push-to- Talk，一键通)模式需要D类放大器的高效率，以延长电池寿命。LCD平板显示器的发展对电子器件提出了“低温运行(coolrunning)”的需求，这是由于工作温度的升高将影响显示颜色对比度。而D类放大器的高效率意味着驱动电子设备时功耗更低，使LCD平板显示器工作时发热更少，图像显示效果更好。

影响D类放大器应用的第二个因素便是自身技术的发展。根据市场需要，一些制造商改进了D类放大技术，使D类放大器具有更理想价格的同时，也具备了与AB类放大器相近的音频性能。此外，一些新型的D类放大器输出调制方案还可以降低实际应用的EMI。

某些新型D类放大设计方案虽然是基于老式的PWM型结构，但采用了更复杂的调制技术，实现低功耗系统中的无滤波工作。效率指标可以通过测试验证，但某些设计人员仍然怀疑基于这些新技术的产品将存在普遍的EMC/RFI兼容性问题。实际上，良好的PCB布局和较短的扬声器连线可以保证大大降低EMI幅射，使之满足FCC或CE标准。

应用难点

有些应用中的物理布局需要长的扬声器连线，这样的扬声器连线便具有天线效应，必须严格控制RF幅射。实际上，扬声器连线越长，它作为天线产生幅射的频率就越低。同时，某些应用要求EMI幅射低于CE/FCC标准，以符合汽车电子规范，或者避免干扰其他低频电路。面对如此纷繁各异的需求，这些应用往往成为一些难点无法克服。

最有代表性的应用难点便是平板电视。由于扬声器通常排列在设备的外侧边缘，往往不可避免的要使用长的扬声器连线。如果还存在模拟视频信号，则仅仅满足FCC或CE的RF幅射要求还不够(这些标准只针对30MHz以上的频率)；往往还需要抑制开关基频以避免干扰视频信号。如果采用早期PWM放大器所用的传统LC滤波器，则需要对其进行分析，以保证他们能有效抑制新型放大器所产生的高频开关瞬态。

PWM型D类放大器

传统D类放大器通常基于脉宽调制(PWM)原理设计。其输出可以配置为单端或全差分桥接负载(BTL)。图1为PWM型D类放大器的典型BTL输出波形。快速的切换时间和接近轨至轨的摆幅使此类放大器具有非常高的效率。然而，这些特性使放大器具有宽的输出频谱，可能导致高频RF幅射和干扰。因此，采用此类方案通常需要使用输出滤波器来抑制有害的RF幅射。

图1.传统脉宽调制(PWM)方案的波形

如图1所示，如果器件的反相和同相输出回路具有较高的匹配度，则两个对称输出信号波形在扬声器或连线上将具有很小的共模(CM)信号(底部的迹线)。注意：50%占空比代表零输入信号(空闲状态)。因此，可以设计一个差分低通滤波器，用于衰减信号波形中高频分量(快速切换所产生的)，同时保留有用的低频分量以输出到扬声器。

新一代调制技术

随着市场对D类放大器需求的不断增长，一些制造商最近推出了可独立控制H桥的两个半桥的新一代调制方案。这一调制方案具有两个主要优点：

音频信号较弱或空闲状态时，负载上几乎没有差分开关信号。较传统PWM设计改进了静态电流损耗。

最小脉冲，共模(CM)开关信号有助于降低导通和关断瞬态。BTL输出引脚的空闲状态直流电平(滤波后)接近于GND。因此，滤波元件的不匹配或杂散电容(可能导致放大器导通或关断时出现音频杂音)可减到最小。

显然，这一新技术虽具有一些优点，但放大器输出将不再对称。图2所示的信号波形(以MAX9704立体声D类放大器为例)具有较高的共模分量。

图2.Maxim的MAX9704立体声D类放大器的调制方案

此类D类放大器对输出滤波器的要求，不同于具有传统差分输入和互补PWM输出的放大器。与PWM相比，MAX9704调制方案的输出往往含有较高的共模信号，设计输出滤波器时需要考虑这点。正如后面的实例所示，传统差分滤波器拓扑结构的效果往往不太理想。

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