導(dǎo)讀：
功率電感和鐵氧體磁環(huán)的價(jià)格差異顯著,，這推動(dòng)了D類音頻放大器濾波設(shè)計(jì)步入無(wú)電感時(shí)代。但同時(shí),，在鐵氧體磁珠的作用下,，濾波器的截止頻率會(huì)急劇飆升，從幾千赫茲增加到幾兆赫茲,；從而削弱了濾波器的EMI抑制效果,。因此，D類應(yīng)用亟需降低EMI噪聲,。在D類音頻無(wú)電感應(yīng)用中,，要取得良好的EMI結(jié)果取決于電路板電平調(diào)整與適當(dāng)?shù)腜CB布局。鐵氧體磁環(huán)配備適當(dāng)?shù)碾娙菘梢越档虳類輸出邊緣速率，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些瞬時(shí)振蕩,，加劇傳導(dǎo)性電磁干擾,，因此，需要利用佐貝爾電路降低瞬時(shí)振蕩,。
本文將介紹一些電路板電平調(diào)整技術(shù),，包括鐵氧體磁珠選擇原則——降低邊緣速率，佐貝爾網(wǎng)絡(luò)調(diào)整方法——減少瞬時(shí)振蕩,，以及適當(dāng)?shù)腜CB布局等,。這些解決方案通過(guò)利用TI最新的EMI優(yōu)化D類音頻放大器TPA3140D2，幫助客戶大幅節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本,，同時(shí)獲得出色的音頻性能,。
無(wú)電感濾波器
無(wú)電感設(shè)計(jì)的目的是利用成本低廉的鐵氧體磁珠替代昂貴的電感，為客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面上的 低成本EBOM（工程材料賬單）目標(biāo),。鐵氧體磁珠等同于多層片式電感,。受當(dāng)前鐵氧體磁環(huán)材料和制造技術(shù)的限制，此類電感很難同時(shí)承受大電流,、高阻抗,。以日本東光多層片式電感為例，如果工程師將額定直流電流值設(shè)定為>2.5A,，則絕大多數(shù)電感值將低于1uH,。行內(nèi)另外一家的產(chǎn)品順絡(luò)鐵氧體磁珠系列（UPZ2012）也有類似表現(xiàn)：如果最大額定電流大于2.5A，鐵氧體磁環(huán)磁珠同等電感值小于0.6uH,。
表1為UPZ2012系列鐵氧體磁珠在100MHz的阻抗,、以及不同鐵氧體磁環(huán)的最大額定電流和最大直流電阻。
如圖1所示,，“120Ω@100MHz 鐵氧體磁珠”的同等電感值為0.39uH,，而 600Ω@100MHz 鐵氧體磁珠，同等電感值為1.59uH,。
圖1 鐵氧體磁珠同等電感值
鐵氧體磁珠工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)諧振回路,，如同電感在低頻域（<100MHz）、電容在高頻域（>100MHz）工作一樣,、也如同一個(gè)純電阻在自身的諧振頻率點(diǎn)一樣,。在使用鐵氧體磁珠設(shè)定輸出濾波器時(shí)，其基礎(chǔ)就是利用它的電感特性,。因?yàn)槊總€(gè)LC濾波器 （無(wú)源濾波器）均擁有自身的諧振頻率,，在此頻率點(diǎn)，濾波器的增益很大,，導(dǎo)致過(guò)濾后產(chǎn)生瞬時(shí)振蕩,。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量,，通常使用10Ω的電阻和330pF的電容。R2和C2將吸收由濾波器本身造成的振蕩能量,。
圖2 鐵氧體磁珠濾波器設(shè)計(jì)
如何利用無(wú)電感濾波器實(shí)現(xiàn)低EMI目標(biāo),？
·意見(jiàn)1：選擇鐵氧體磁珠降低邊緣速率
TI 設(shè)備中利用了一些技術(shù)，盡量降低5MHz頻帶（此頻率通常為鐵氧體磁珠濾波器的截止頻率）范圍內(nèi)傳導(dǎo)的EMI噪聲,。擴(kuò)展頻譜,、L和R聲道（D類立體聲音頻）的相移等也會(huì)有一定的幫助。對(duì)于小于5MHz的 EMI帶寬,，尤其是當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率約為300kHz（以獲得較佳效率）,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示減少邊緣速率是降低EMI的有效方法。
圖3 不同阻抗鐵氧體磁環(huán)的邊緣速率
圖3中,，較高的鐵氧體磁珠阻抗可以實(shí)現(xiàn)較低邊沿速率的D類輸出,；使用600ohm@100MHz 的鐵氧體磁珠，可以獲得最低邊緣速率的D類輸出,，最終在高頻段實(shí)現(xiàn)最佳EMI結(jié)果,。然而，阻抗較高意味著額定電流較小,。表1中,，阻抗=600ohm@100MHz，最大額定電流為2A,。以電視客戶為例：
電視應(yīng)用示例：PVDD （功率電源）= 12V,，揚(yáng)聲器負(fù)載=8Ω，BD模式,，忽略PCB與鐵氧體磁珠的導(dǎo)通電阻和直流電阻,。最大電流 = 12/8 = 1.5A。
在PVDD = 12V /8Ω揚(yáng)聲器的情況下,，工程師可以使用600ohm@100MHz的鐵氧體磁珠來(lái)設(shè)計(jì)濾波器,。
圖4為鐵氧體磁珠對(duì)于傳導(dǎo)性EMI的效果
圖4 鐵氧體磁珠對(duì)于傳導(dǎo)性EMI的效果
圖5為鐵氧體磁珠對(duì)于輻射性EMI的效果
圖5 鐵氧體磁珠對(duì)于輻射性EMI的效果
意見(jiàn)2：利用佐貝爾網(wǎng)絡(luò)，盡量降低瞬時(shí)振蕩,。
圖6為我們?cè)O(shè)計(jì)的用于降低輸出濾波電路振蕩效應(yīng)的典型電路,。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量。R2和C2 用于吸收由濾波器諧振頻率造成的振蕩,。
圖6 調(diào)諧,，以減少振蕩、降低邊緣速率
圖7.a中,，在傳導(dǎo)性EMI測(cè)試噪音頻帶，捕獲到周期為350ns的振蕩（約2.85MHz）,，其能量在佐貝爾網(wǎng)絡(luò)之后已經(jīng)大幅減弱,，并獲得更高邊緣增益,。
圖7 調(diào)整佐貝爾網(wǎng)絡(luò)和電容（減少振蕩，獲得較慢的邊緣速率）
不過(guò)又出現(xiàn)了另外一個(gè)問(wèn)題,，圖8顯示振蕩加劇了2MHz~4MHz的頻帶噪聲（如果D類輸出電流增加的話,，振蕩會(huì)更加嚴(yán)重）。從理論上講,，諧波分量越高,，振幅應(yīng)該越小，但是,，濾波器的諧振頻率點(diǎn)改變了這一情況,。我們看一下圖7.a，與設(shè)置4相比,，設(shè)置3在2MHz~5MHz頻帶具有更好的噪聲抑制能力,。最終，設(shè)置3在減少振蕩方面表現(xiàn)出最佳的調(diào)優(yōu)效果,，并且獲得了較低的邊緣速率,，及良好的2MHz~5MHz的EMI裕量。
圖8 振蕩加劇2MHz~4MHz 頻帶噪聲（設(shè)置4）
PCB布局
圖9為TI無(wú)電感D類音頻參考設(shè)計(jì)電路板(TPA3140D2),。圖10是典型的輸出應(yīng)用電路原理圖,。
a. 濾波器PCB面積（無(wú)電感）
b. 濾波器PCB空間（帶電感）
圖9 TPA3140 EVM板（左）節(jié)約了很多濾波器PCB空間
圖10 TPA3140典型輸出應(yīng)用電路原理圖
l濾波器PCB布局
為盡可能減少濾波器電流回路（電流回流至GND），確保電流環(huán)路小,。
1）將鐵氧體磁珠盡可能靠近輸出引腳,。
2）盡量減少濾波器接地的電流回路（C8至D類接地引腳）
3）盡量確保濾波器和D類設(shè)備的底層是一個(gè)完整的接地層。
4）如果要添加佐貝爾網(wǎng)絡(luò)來(lái)減少振蕩,，將佐貝爾網(wǎng)絡(luò)盡可能靠近濾波器,。
5）將緩沖電路盡可能靠近設(shè)備的輸出引腳。
鐵氧體磁珠
設(shè)備接地引腳
鐵氧體磁珠
圖10 濾波器布局
·PVCC布局
頂層 底層
圖11 PVCC布局
結(jié)論
TI最新無(wú)電感D類立體聲放大器（TPA3140）使無(wú)電感設(shè)計(jì)在中等功率D類應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn),。根據(jù)不同的揚(yáng)聲器線長(zhǎng)度和輸出功率（電流）要求,，音響系統(tǒng)工程師可以使用本文中講到的一些電路板電平調(diào)諧技術(shù)，包括鐵氧體磁珠選擇原則（降低邊緣速率）,、佐貝爾網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧方法（減少振蕩）以及適當(dāng)?shù)腜CB布局等,，最終，在客戶系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中,，得以使TPA3140實(shí)現(xiàn)足夠的EMI裕量,。目前用戶設(shè)計(jì)獲得的反饋顯示，TI TPA3140是一款真正的無(wú)電感中等功率D類音頻放大器,，可以幫助客戶在降低系統(tǒng)BOM成本,、更小的PCB尺寸、良好的EMC裕量及穩(wěn)定良好的音頻性能等方面取得最佳平衡,。