Causes of EMI in class D audio power amplifier IC and PCB layout design reduce the impact of class D amplifier on FM radio / analog TV

简介

由于在效率上相对于AB类放大器的巨大优势，D类放大器的应用越来越广泛。根据市场调研机构 Gartner的报告，D类放大器在2006年至2011年之间的复合年成长率将达15.6%，从3.34亿美元成长至6.88亿美元，主要的成长动力来自于功耗敏感及空间受限的消费类电子产品。但D类放大器开关输出的拓扑结构带来了高频的EMI，如何控制好D类放大器的EMI，是系统工程师必须要考虑的方面。

D类放大器中EMI的产生

变化的电压和电流信号会产生电磁场辐射，形成电磁波干扰（EMI：Electro-Magnetic Interference），这些电磁波信号会影响收音机、电视和手机等产品的正常工作。为了防止电子设备的EMI问题，世界各国都制定了相关的标准规定，如美国的联邦通信委员会（FCC：Federal Communication Commission）的认证，目的都是限制电子产品的电磁波辐射。

       EMI测试是在特定的电波暗室中进行的，测量由产品中辐射出来的电磁波强度，与FCC等规范相比较，不得超过规定的最大能量。FCC规范中将产品按用途分为 CLASS A 、 CLASS B 两大类， A 类为用于商务或工业用途的产品， B 类为用于家庭用途的产品， FCC 对 B 类产品法规要求更严格。下表显示的是FCC 规范的CLASS A和CLASS B标准：

 

    传统D类放大器开关输出的拓扑结构是一个很好的EMI发射源：如调制的开关信号，开关信号的边沿变化，电源线上变化的电流信号等都会产生大量的EMI，如下图所示。

不同的发射源对应了不同的EMI频谱，由于D类放大器的调制频率一般在250kHz到1.5MHz之间，因此调制的开关信号和电源线上变化的电流信号带来的EMI主要集中在10MHz以下的频段；而方波的边沿变化一般是在纳秒级别的，因此它们所带来的EMI主要集中在几十MHz到几GHz的高频段。

EMI主要通过PCB的走线、通孔和扬声器的连线向外辐射，较大能量的EMI辐射需要一个“高效率”的天线，对不同的频率，一个有效的天线长度是该频率波长的四分之一（λ/4），小于这个长度，就不能形成有效的对外辐射。对30MHz的频率，采用一般的FR4的PCB板，天线长度需要大于114.1cm才能形成有效的辐射。所以在手机上采用D类放大器时，在放大器输出的PCB走线和扬声器连线上的方波边沿变化是EMI的最重要来源。特别是手机应用中所关心的一些频段，如下表所示：基本都在100MHz以上，因此我们需要特别地关注由方波边沿变化所引起的EMI辐射。

对前面传统D类放大器的输出波形，由傅里叶分析可知，方波纳秒级的边沿变化和高频的振铃会引入非常大的高频EMI，严重影响FM、手机模拟电视等的接收效果，容易出现收听杂音或雪花台的情况，让系统工程师颇感头痛。

合理的PCB布局改善EMI

   EMI设计就像“矛”和“盾”的关系，发射源是“矛”，发射源到敏感模块的防护是“盾”，“矛”钝“盾”坚，就不会有EMI的问题，如果“矛”很钝，但“盾”也很脆弱，那还是会有EMI的问题。因此，在使用D类放大器的时候，在PCB的布局上需要仔细考虑。

    首先是输出线，要将放大器到扬声器的连线尽量缩短，这是最有效地降低EMI的方法；而且输出布线不要经过或太靠近敏感的信号线和电路。

还有电源、地线的布局也很重要。功放电源上电流波动很大，因此电源上的滤波电容要尽量靠近功放芯片放置；同时合适地进行布线以便可以预测电流走向，最好采用星形接法。

对翻盖手机的布线可能会遇到一个问题，翻盖手机的上部和下部通过柔性电缆连接，电缆中包含电源、地还有LCD显示的数据线，如果在翻盖手机的上部装有扬声器，那么输出的音频信号也需要通过这根电缆，当音频信号线靠近显示数据线时，就可能会破坏显示的数据，因此需要将这两种信号线分开，同时加上地线隔离。不过对这种情况最好还是加上磁珠和电容来抑制高频的EMI，并尽可能地将磁珠、电容靠近放大器放置。磁珠的选择也很重要，采用高阻抗、低直流电阻、大额定电流的磁珠可以很好的起到高频EMI的抑制作用，同时对放大器的其他性能影响很小。

在进行D类放大器的PCB布局时，为了抑制高频EMI，以下两点很重要：

1：输出布线尽量短而宽。

2：磁珠、电容紧靠芯片输出管脚放置，尽量减短输出管脚到磁珠的布线长度。

同时，功放的其他外围器件也尽量紧靠芯片放置，还有电源、地线采用星形接法都对提高D类功放的性能有好处。 

在研发人员的努力下，已经成功解决了这一问题，在不加电感磁珠的基础上，D类音频功放IC达到同类型CLASS-AB音频放大IC的播放效果。详细的产品目录请阅：



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