導讀：
功率電感和鐵氧體磁環的價格差異顯著，這推動了D類音頻放大器濾波設計步入無電感時代。但同時，在鐵氧體磁珠的作用下，濾波器的截止頻率會急劇飆升，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類應用亟需降低EMI噪聲。在D類音頻無電感應用中，要取得良好的EMI結果取決于電路板電平調整與適當的PCB布局。鐵氧體磁環配備適當的電容可以降低D類輸出邊緣速率，但同時也會產生一些瞬時振蕩，加劇傳導性電磁干擾，因此，需要利用佐貝爾電路降低瞬時振蕩。
本文將介紹一些電路板電平調整技術，包括鐵氧體磁珠選擇原則——降低邊緣速率，佐貝爾網絡調整方法——減少瞬時振蕩，以及適當的PCB布局等。這些解決方案通過利用TI最新的EMI優化D類音頻放大器TPA3140D2，幫助客戶大幅節約系統設計成本，同時獲得出色的音頻性能。
無電感濾波器
無電感設計的目的是利用成本低廉的鐵氧體磁珠替代昂貴的電感，為客戶實現系統層面上的 低成本EBOM（工程材料賬單）目標。鐵氧體磁珠等同于多層片式電感。受當前鐵氧體磁環材料和制造技術的限制，此類電感很難同時承受大電流、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定為》2.5A，則絕大多數電感值將低于1uH。行內另外一家的產品順絡鐵氧體磁珠系列（UPZ2012）也有類似表現：如果最大額定電流大于2.5A，鐵氧體磁環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
鐵氧體磁珠工作時相當于一個并聯諧振回路，如同電感在低頻域（《100MHz）、電容在高頻域（》100MHz）工作一樣、也如同一個純電阻在自身的諧振頻率點一樣。在使用鐵氧體磁珠設定輸出濾波器時，其基礎就是利用它的電感特性。因為每個LC濾波器 （無源濾波器）均擁有自身的諧振頻率，在此頻率點，濾波器的增益很大，導致過濾后產生瞬時振蕩。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計
如何利用無電感濾波器實現低EMI目標？
· 意見1：選擇鐵氧體磁珠降低邊緣速率
TI 設備中利用了一些技術，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）范圍內傳導的EMI噪聲。擴展頻譜、L和R聲道（D類立體聲音頻）的相移等也會有一定的幫助。對于小于5MHz的 EMI帶寬，尤其是當開關頻率約為300kHz（以獲得較佳效率），實驗結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的邊緣速率
圖3中，較高的鐵氧體磁珠阻抗可以實現較低邊沿速率的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，最終在高頻段實現最佳EMI結果。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：
電視應用示例：PVDD （功率電源）= 12V，揚聲器負載=8Ω，BD模式，忽略PCB與鐵氧體磁珠的導通電阻和直流電阻。最大電流 = 12/8 = 1.5A。
在PVDD = 12V /8Ω揚聲器的情況下，工程師可以使用600ohm@100MHz的鐵氧體磁珠來設計濾波器。
圖4為鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果
圖4 鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果
圖5為鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果
圖5 鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果
意見2：利用佐貝爾網絡，盡量降低瞬時振蕩。
圖6為我們設計的用于降低輸出濾波電路振蕩效應的典型電路。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 調諧，以減少振蕩、降低邊緣速率
圖7.a中，在傳導性EMI測試噪音頻帶，捕獲到周期為350ns的振蕩（約2.85MHz），其能量在佐貝爾網絡之后已經大幅減弱，并獲得更高邊緣增益。
表2 濾波器和佐貝爾網絡設置
圖7 調整佐貝爾網絡和電容（減少振蕩，獲得較慢的邊緣速率）
不過又出現了另外一個問題，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，振蕩會更加嚴重）。從理論上講，諧波分量越高，振幅應該越小，但是，濾波器的諧振頻率點改變了這一情況。我們看一下圖7.a，與設置4相比，設置3在2MHz~5MHz頻帶具有更好的噪聲抑制能力。最終，設置3在減少振蕩方面表現出最佳的調優效果，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（設置4）
PCB布局
圖9為TI無電感D類音頻參考設計電路板（TPA3140D2）。圖10是典型的輸出應用電路原理圖。
圖9 TPA3140 EVM板（左）節約了很多濾波器PCB空間
圖10 TPA3140典型輸出應用電路原理圖
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類設備的底層是一個完整的接地層。
4） 如果要添加佐貝爾網絡來減少振蕩，將佐貝爾網絡盡可能靠近濾波器。
5） 將緩沖電路盡可能靠近設備的輸出引腳。
圖10 濾波器布局
圖11 PVCC布局
結論
TI最新無電感D類立體聲放大器（TPA3140）使無電感設計在中等功率D類應用中得以實現。根據不同的揚聲器線長度和輸出功率（電流）要求，音響系統工程師可以使用本文中講到的一些電路板電平調諧技術，包括鐵氧體磁珠選擇原則（降低邊緣速率）、佐貝爾網絡調諧方法（減少振蕩）以及適當的PCB布局等，最終，在客戶系統級測試中，得以使TPA3140實現足夠的EMI裕量。目前用戶設計獲得的反饋顯示，TI TPA3140是一款真正的無電感中等功率D類音頻放大器，可以幫助客戶在降低系統BOM成本、更小的PCB尺寸、良好的EMC裕量及穩定良好的音頻性能等方面取得最佳平衡。 |
