D類放大器中EMI的產生

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

EMI測試是在特定的電波暗室中進行的，測量由產品中輻射出來的電磁波強度，與FCC等規范相比較，不得超過規定的最大能量。FCC規范中將產品按用途分為 CLASS A 、 CLASS B 兩大類， A 類為用于商務或工業用途的產品， B 類為用于家庭用途的產品， FCC 對 B 類產品法規要求更嚴格。

圖1：FCC 規范的CLASS A和CLASS B標準

傳統D類放大器開關輸出的拓撲結構是一個很好的EMI發射源：如調制的開關信號，開關信號的邊沿變化，電源線上變化的電流信號等都會產生大量的EMI，如下圖所示。

圖2：D類放大器開關輸出的拓撲結構

不同的發射源對應了不同的EMI頻譜，由于D類放大器的調制頻率一般在250kHz到1.5MHz之間，因此調制的開關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。特別是手機應用中所關心的一些頻段，如下表所示：基本都在100MHz以上，因此我們需要特別地關注由方波邊沿變化所引起的EMI輻射。

圖3：手機應用中的一些頻段

對前面傳統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，容易出現收聽雜音或雪花臺的情況，讓系統工程師頗感頭痛。
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EEE技術降低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，針對D類放大器的EMI問題，優化了輸出級的設計，極大地降低了EMI，簡化了設計。

方波的邊沿變化包含了大量的高頻能量，會對系統內的電子設備造成很大的EMI干擾，EEE技術通過特有的邊沿速率控制優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D類放大器和帶有EEE技術的AW8010的EMI測試結果，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，粉色的線是測試環境的EMI背景噪音。

圖4：傳統D類放大器和帶有EEE技術的AW8010的EMI測試結果

從上圖的測試結果可以看出，帶有EEE技術的AW8010的實測結果與測試環境的EMI背景噪聲基本一樣。在高頻射頻段，傳統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，有相當大的EMI輻射，因此系統工程師在使用D類放大器的時候會發現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D類放大器和帶EEE技術的AW8010對FM接收信號的信噪比影響。傳統D類放大器對FM的影響很嚴重，信號變差甚至丟臺，而帶EEE技術的AW8010對FM影響很小，降低了系統工程師的調試難度。

圖5：傳統D類放大器和帶EEE技術的AW8010對FM接收信號的信噪比影響

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合理的PCB布局改善EMI

EEE技術顯著地改善了D類放大器的EMI問題，簡化了PCB設計，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設計就像“矛”和“盾”的關系，發射源是“矛”，發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過或太靠近敏感的信號線和電路。

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顯示的數據線，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據線時，就可能會破壞顯示的數據，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。

圖6：AW8010 PCB布局示意圖

高效率、低功耗使得D類放大器的應用越來越廣泛，D類放大器EMI也越來越受到關注。采用艾為帶有EEE技術的AW8010、AW8110、AW8145，極大地降低了EMI的輻射，簡化了設計。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，提高音質的同時有效地保護揚聲器，是音樂手機等便攜式設備的理想選擇。

圖7：AW8010 典型應用圖

圖8：艾為音樂功放產品列表