本章深入讨论Class-D放大器的电磁干扰(EMI)问题及其抑制方法。Class-D的高频高速开关特性使其天然成为EMI源,效率与EMI之间的矛盾需要通过精心的电路设计、布局和滤波来解决。

15.1 Class-D产生EMI的原因

Class-D放大器在高开关频率(>250kHz)下以快速上升/下降时间切换高电压和大电流,天然具有EMI倾向。

效率与EMI的矛盾:

  • 提高效率 → 加快开关速度 → 减少过渡时间
  • 加快开关速度 → 更高的 和 → 更多EMI

15.2 电流环路(磁场,B-Field)

15.2.1 开关电流环路作为发射天线

开关电流在电路环路中构成发射天线。减小EMI的关键是减小电流环路面积。

反向恢复电流路径分析:

  • 是极高频脉冲,走线电感阻止远距离供电电容提供电流
  • 优先流经最低电感的陶瓷电容(),而非高ESL铝电解电容
  • 完整环路:+48V → 上管 → 下管体二极管 → 陶瓷电容 → 地连接 → → 回到+48V

15.2.2 缩短环路的方法

  • 在上管漏极和下管源极之间添加电容 ,提供更短更低电感的 路径
  • 电流环路既可作为发射天线也可作为接收天线

15.2.3 天线效率

最短有效天线长度 =

其中 ,FR4介电常数

PCB波长缩短效应:FR4上的波长约为空气中的一半。

15.3 电压节点(电场,E-Field)

高 开关节点产生电场辐射:

  • MOSFET封装的源/漏端已有不可缩小的铜面积
  • 散热需求要求更大铜面积 → 与EMI最小面积矛盾

一般布局原则:

  1. 电流环路走线平行于(或覆盖)返回路径,减小电感
  2. 在潜在EMI源下方使用完整地平面
  3. 尽可能隔离辐射源和敏感电路
  4. 尽可能采用EMI滤波

15.4 电缆EMI

电缆是Class-D设计中最主要的RF发射源:

  • 最有效的辐射天线
  • 传导EMI的通道

需考虑的电缆类型:

  1. 信号输入
  2. 接口和控制
  3. 电源输入
  4. 输出(扬声器)

15.5 共模(CM)与差模(DM)

  • CM信号:所有导体上相对于参考地的信号——EMI的主要来源
  • DM信号:导体之间的信号——正常工作信号

15.5.1 AD vs BD调制对EMI的影响

调制方式CM电压EMI影响
AD调制接近零较低EMI
BD调制(开关频率处)较高EMI,需额外滤波

BD调制可通过添加铁氧体和更复杂的开关方案来缓解EMI。

15.5.2 尖峰噪声

LC滤波器将方波衰减为低幅值残余正弦波,但开关转换处产生尖峰噪声(10–60MHz),受以下因素影响:

  1. 功率管开关速度(、)
  2. MOSFET体二极管反向恢复特性
  3. Class-D电感并联电容
  4. 滤波电容ESL
  5. PCB寄生参数激励

15.6 EMI抑制方法

15.6.1 控制开关速度

  • 最简单方法:调整栅极电阻值
  • 需与效率权衡

15.6.2 外部肖特基二极管 + 本地电容

  • 肖特基二极管旁路体二极管(无反向恢复)
  • 低ESL陶瓷/薄膜电容从上管漏极到下管源极,本地循环

15.6.3 电感优化

  • 单层绕制,起始/终止匝不重叠 → 降低并联电容,提高自谐振频率
  • 注意匝对磁芯的电容
  • 磁芯涂覆或包带可减少匝-芯电容

15.6.4 滤波电容

  • 使用低ESL陶瓷或金属化薄膜电容
  • SMD类型ESL低于引线类型

15.6.5 减少PCB寄生

15.6.6 R-C缓冲器

从开关节点到地的串联R-C网络:

  • 可调谐阻尼高频振铃
  • 效果与功耗成正比
  • 功耗由电容值决定,但由电阻耗散
  • 优先通过优化布局解决振铃,而非依赖耗散性R-C网络

15.7 扩频技术

固定频率 + 抖动

在固定开关频率上添加少量抖动(<10%载波频率):

  • 总发射能量不变,但展宽到更宽频带
  • 峰值、准峰值和平均值降低
  • 更容易通过EMI测试

可变频率拓扑

自振荡设计天然具有EMI优势——发射能量分布在更宽频率范围。但非合规时更难以调试(特定条件下才出现EMI)。

15.8 抗扰度测试

除发射外,电缆还需考虑传导/辐射抗扰度:

  • 传导抗扰度:RF钳注入电缆
  • 辐射抗扰度:强RF场照射整个系统
  • 用于减少发射的”修复措施”通常也有助于提高抗扰度

15.9 噪声旁路到机箱

15.9.1 旁路电容

  • 低ESL陶瓷电容尽可能靠近信号出口点
  • 馈通电容是最佳方案(延续屏蔽),但成本高
  • 双电容结构(Johanson X2Y®):两个电容共中心端,电流抵消效应实现极低电感

15.9.2 铁氧体磁珠

  • 添加串联铁氧体可增强旁路效果
  • 必须了解EMI噪声频率和工作信号频率
  • 滤波元件不应劣化音频响应或THD

DM铁氧体问题:某些铁氧体虽在音频频率阻抗可忽略,但会因饱和效应劣化THD。

CM扼流圈方案:

  • CM噪声是电缆EMI的主要问题模式
  • CM扼流圈不”看到”DM信号电流 → 不导致饱和
  • 允许在小磁芯上实现高CM电感
  • 四绕组CM扼流圈可用于双通道立体声或BTL配置

15.9.3 CM扼流圈电流抵消原理

关键规则:所有通过扼流圈的导线电流必须抵消。

立体声配置(4绕组):

  • CH1输出 + CH1返回:互相抵消
  • CH2输出 + CH2返回:互相抵消
  • 净DM电流=0A → 无磁芯磁通 → 无串扰

BTL配置:

  • CH1输出 被CH2返回 抵消
  • W2和W4无音频电流
  • 净DM电流仍为零

CM噪声电流在所有导线上同向流动,看到完整的CM电感,与旁路电容 构成低通滤波被衰减。

15.10 静电放电(ESD)

  • 低ESL陶瓷旁路电容同样是ESD最佳实践
  • ESD电流被限制在小局部环路中
  • 在音频信号输入处添加ESD抑制器件

ESD器件选型考虑:

  1. 击穿电压:不在正常工作范围内导通,钳位电压足够低以保护电路
  2. 电容:低电容品种,不导致音频信号滚降
  3. 漏电流:不在输入电阻网络中产生不希望的电压偏移

机箱地设计:

  • PCB边缘设置CHASSIS-GND铜条
  • 通过安装孔以最短机械连接(低电感)连接到金属外壳
  • 若无金属外壳,使用电路板地作为旁路地

参考文献

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  • Johanson Dielectrics. X2Y® filter & decoupling capacitors.
  • Karaca, T.D. & Deutschmann, B. (2015). Electromagnetic evaluation of Class-D switching scheme.
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  • Nielsen, D. et al. (2009). Investigation of switching frequency variations and EMI properties. AES 127th.
  • TI (2013). Managing EMI in Class-D audio applications. SNAA050A.
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