减少D类放大器中的电磁干扰

最近这些年，许多包含电动扬声器（Powered speaker）的便携设备得到了快速发展——包括手机、MP3播放器、GPS系统、膝上型电脑和笔记本电脑、平板电脑、游戏机、玩具等等。在这些应用中，通常选用的驱动扬声器的音频放大器类型被称为D类（或开关）放大器，因为相比传统的AB类放大器设计，这类放大器的散热较少（在紧凑型产品中非常重要），且效率较高（延长电池寿命）。D类放大器开关拓扑的一个可能存在的缺点，就是其容易发出电磁辐射，可能会干扰周边其它电子设备。可以通过外部无源滤波方法将这种干扰缓减到某种程度，但这会增加最终产品的成本、占位面积以及复杂性。本文将探讨某些用于减轻EMI问题的内部电路设计方法。

边缘速率控制

为了放大音频信号，D类放大器的输出（或各种输出，以不同的配置） 在两个电源轨（通常为正极和接地）之间交替切换，其频率是所需放大的最高音频频率的10倍或更高（可能为300kHz或更高）。开关信号是经过调制的，从而通过简单的、有时是扬声器本身包含的低通滤波器来恢复音频信号。此开关转换一般速度非常快——也许是2ns或更短——因而包含显着的高频能量。这会导致互连导线缆产生EMI辐射，尤其是在信号路径中无低通滤波器，且放大器和扬声器之间的导线长度非常明显的情形下（也许超过1cm）。

用于缓减EMI辐射的一个方法是减低放大器输出的转换速率（slew rate）。图1所示为时域中的一个例子，其上方迹线有2ns的上升和下降时间，而下方迹线有20ns的上升和下降时间。

转换速率的减小（这里的因数为10） 对于D类放大器产生的辐射能量有着显着的影响。图2 显示了两种波形的频谱，此时D类输出正处于静默（无音频，占空比=50%），开关频率为333kHz。可以看到贯穿于30MHz~1GHz之间的大部分频谱，其高频（HF）内容减少约20dB。在包含有FM广播接收电子设备（88MHz ~ 108MHz）手机或无线互联网电路（700MHz ~ 2.7GHz）的系统中，这可大幅减少EMI，从而降低了可能影响系统性能的风险。

最近这些年，许多包含电动扬声器（Powered speaker）的便携设备得到了快速发展——包括手机、MP3播放器、GPS系统、膝上型电脑和笔记本电脑、平板电脑、游戏机、玩具等等。在这些应用中，通常选用的驱动扬声器的音频放大器类型被称为D类（或开关）放大器，因为相比传统的AB类放大器设计，这类放大器的散热较少（在紧凑型产品中非常重要），且效率较高（延长电池寿命）。D类放大器开关拓扑的一个可能存在的缺点，就是其容易发出电磁辐射，可能会干扰周边其它电子设备。可以通过外部无源滤波方法将这种干扰缓减到某种程度，但这会增加最终产品的成本、占位面积以及复杂性。本文将探讨某些用于减轻EMI问题的内部电路设计方法。

边缘速率控制

为了放大音频信号，D类放大器的输出（或各种输出，以不同的配置） 在两个电源轨（通常为正极和接地）之间交替切换，其频率是所需放大的最高音频频率的10倍或更高（可能为300kHz或更高）。开关信号是经过调制的，从而通过简单的、有时是扬声器本身包含的低通滤波器来恢复音频信号。此开关转换一般速度非常快——也许是2ns或更短——因而包含显着的高频能量。这会导致互连导线缆产生EMI辐射，尤其是在信号路径中无低通滤波器，且放大器和扬声器之间的导线长度非常明显的情形下（也许超过1cm）。

用于缓减EMI辐射的一个方法是减低放大器输出的转换速率（slew rate）。图1所示为时域中的一个例子，其上方迹线有2ns的上升和下降时间，而下方迹线有20ns的上升和下降时间。

转换速率的减小（这里的因数为10） 对于D类放大器产生的辐射能量有着显着的影响。图2 显示了两种波形的频谱，此时D类输出正处于静默（无音频，占空比=50%），开关频率为333kHz。可以看到贯穿于30MHz~1GHz之间的大部分频谱，其高频（HF）内容减少约20dB。在包含有FM广播接收电子设备（88MHz ~ 108MHz）手机或无线互联网电路（700MHz ~ 2.7GHz）的系统中，这可大幅减少EMI，从而降低了可能影响系统性能的风险。

图2清楚地显示了边缘速率控制（edge rate control，ERC）技术减少EMI的优势，不过代价是增加了损耗。首先是D类放大器提供的效率优势，主要来自于输出器件始终完全开启或完全关闭，因此输出器件中的瞬时耗散功率P= VI，在所有时间里基本上保持为零 （不同于AB类放大器，其功率器件的VI乘积从不为零）。在每