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使用扩频调制技能下降便携式体系规划中的电磁搅扰

利用扩频调制技术降低便携式系统设计中的电磁干扰-对D类放大器拓扑结构进行简单的回顾有助于更好地理解电磁干扰(EMI)的根源。D类放大器采用参考的三角波或锯齿波对音频信号进行调制,并产生一个被放大的通常具有脉冲宽度调制(PWM)开关输出形式的信号。虽然调制方式可能有所不同,但所有的D类放大器都以由调制频率所决定的频率(通常远高于音频范围,一般公认在20Hz~20kHz范围内),连续地进行开关操作,输出满摆幅信号,因此必须控制方波载波的占空比,使其平均值与输入信号的瞬时值成正比。典型的开关频率大于输入信号中感兴趣的最高频率的10倍。在大多数D类放大器中,还会使用一条带有误差信号的反馈路径,来提高总谐波失真和噪声(THD+N)性能、电源抑制比(PSRR)和其它一些性能特性。

对D类扩大器拓扑结构进行简略的回忆有助于更好地了解电磁搅扰(EMI)的本源。D类扩大器选用参阅的三角波或锯齿波对音频信号进行调制,并发生一个被扩大的一般具有脉冲宽度调制(PWM)开关输出办法的信号。尽管调制办法或许有所不同,但一切的D类扩大器都以由调制频率所决议的频率(一般远高于音频规模,一般公认在20Hz~20kHz规模内),接连地进行开关操作,输出满摆幅信号,因而有必要操控方波载波的占空比,使其平均值与输入信号的瞬时值成正比。典型的开关频率大于输入信号中感兴趣的最高频率的10倍。在大多数D类扩大器中,还会运用一条带有差错信号的反应途径,来进步总谐波失真和噪声(THD+N)功用、电源按捺比(PSRR)和其它一些功用特性。

D类扩大器在实践运用中所受的约束是清楚明了的。高频能量出现在开关频率和它的谐波以及方波的频谱成份上。直到不久曾经,D类扩大器还需求一个低通滤波器(一般为2极点的巴特沃思LC滤波器),来滤除大电流的高频方波,只留下音频信号。在新式的D类扩大器中,一种无滤波器的完成办法选用扩音器自身作为低通滤波器元件。这些更新的“无滤波器型”D类扩大器在便携式规划中变得非常盛行。不幸的是,因为这一办法所发生的电磁搅扰强度超出了传统的带有滤波器的D类扩大器所答应的要求,所以有或许不答应运用它们。

对D类扩大器,曾有过这样的论说:“在这一完成办法上,人们曾投入过巨大的精力和智慧,因为在理论上其功率非常高,但实践运用中却困难重重,尤其是在一个EMC法规非常严厉的国际里,咱们不清楚200kHz的高功率正弦波是否是一个好的切入点。”便携式规划的趋势加重了电磁搅扰问题。因为产品变得越来越小,元件、引线和电线离得越来越近,恰当的印刷电路板布局变得越来越困难。因为面积的约束,几乎不或许再运用滤波器。现在的发展趋势要求器材的音量越来越高,因而需求更高的功率和电流,然后发生更大的辐射。此外,在单个平台中交融多种无线通讯功用,比方蓝牙Wi-Fi、无线局域网络等,更使电磁搅扰成为一个杰出的难题。电磁搅扰除了是产品内部需求直接考虑的问题外,与其它外部体系的射频辐射搅扰也是一个需求被考虑的问题。大多数的消费类体系需求经过一些FCC的检测,这些检测主要是针对产品的无意辐射对其它运用射频频谱器材的搅扰问题。

有许多办法可被用来削减电磁搅扰,其中之一是减缓方波的边缘,但这样会削弱对到来的模仿音频信号准确采样的才能并使功率下降,因而是以增大THD+N为价值的。运用LC(电感+电容)滤波器能极大下降电磁搅扰,但LC滤波器体积很大并非常贵重,其尺度和本钱随输出功率的增大而增大。一旦引线的长度到达其所传输信号波长的四分之一,PCB引线和电线在实质大将发生天线效应,发生很多的辐射,因而一般引线的长度要尽或许地短。

其它一些办法包含让传输高频信号的PCB引线从地平面之间经过,并运用绝缘的元件和环形电感等。关于无滤波器的D类体系,衔接扩大器输出和扬声器的引线和电缆长度很或许是最大的射频辐射源。例如,在接近扩大器的方位与扩音器串联放置一个铁氧体磁珠等传统办法都能有用地下降辐射。铁氧体磁珠能起到射频扼流器的效果,衰减高频信号成份。可是铁氧体磁珠仅在较窄的频率规模内有用,或许难以在整个输出噪声的带宽规模内供给满足的衰减。假如PCB布局和滤波器不能将电磁搅扰下降到一个可接受的水平,那么能够选用屏蔽办法。电源是另一个或许的电磁搅扰源。D类扩大器以与出现在电源线上输出开关边缘相关的大幅度窄脉冲的办法罗致电流。经过恰当的布局和旁路技能能下降与电源相关的电磁搅扰。

尽管“过后”下降电磁搅扰的办法是有用的,但最好的办法仍是一开始就使扩大器发生较小搅扰。与曾经的D类拓扑结构比较,扩频器材供给了这种或许。扩频技能不是最近才发展起来的,它的运用前史已超越半个世纪,最早被用于通讯体系和军用雷达等运用。在曩昔的十年中,扩频调制技能被广泛运用于其它范畴,尤其是时钟电路中,当被用于D类扩大器时,扩频技能也会带来相似长处。

扩频调制器能在中心开关频率邻近的一个频段(例如在300kHz中心频率邻近进行具有±30%的频率扩展)内调输出桥的开关频率。只需频率改动一向是随机的,从简略的扫描到载频的不相关跳变等各种办法都能作为实践的变频办法。扩频调制计划有一些要害的优势:在坚持高功率和低THD+N的一起,可下降辐射噪声和电磁搅扰,而总能量并没有削减。如图1所示,扩频后的峰值能量下降了,但总能量坚持不变,而是散布到一个更宽的频带内。噪声的带宽变得更大,但在任何一个频点上的噪声峰值都比由固定频率器材发生的噪声要小。

运用扩频调制技能下降便携式体系规划中的电磁搅扰

图1:扩频前后的噪声和噪声基底比照。

经过在某一频谱规模内随机地改动开关波形的频率,宽带的频谱成份被压平。图2经过快速傅立叶改换(FFT)来显现扩频技能对噪声能量的影响,右图中固定频率扩大器的FFT显现出会集在谐波上的峰值能量更高,左图中扩频调制扩大器的FFT显现出一切的峰值能量都较低,而且谐波较少,然后使噪声基底更高。

图2:经过快速傅立叶改换(FFT)显现的扩频技能对噪声能量的影响。

扩频调制技能主要有两方面的长处:更低的辐射噪声峰值带来电磁搅扰功用的改进,并能缩小乃至不再需求D类运用中常见的电磁搅扰滤波器,例如图3所示的一款引进扩频技能的D类音频扩大器。

图3:带有扩频调制技能的D类音频扩大器(LM4675)。

表中给出了FCC和CE规范中的D类扩大器辐射规范,它们适用于任何不做发射用处的数字消费类器材。一切消费类电子产品在美国和欧洲上市前有必要先经过这两种认证。

表:FCC和欧洲工程规范(CE)的D类扩大器辐射规范。

如图4所示,对带有2英寸扬声器电缆,且没有滤波器元件的产品进行开始电磁搅扰测验,成果显现该产品在FCC B级约束测验过程中具有超卓的电磁搅扰功用。红线表明FCC B级的约束,噪声频谱有必要一向低于这条线才契合FCC的发射要求。

图4:辐射发射30~1,000MHz,对带有2英寸扬声器电缆,

且没有滤波器元件的产品进行开始电磁搅扰测验的成果。

扩频调制技能为D类音频扩大器的运用带来了明显长处,它下降了射频辐射,并简化了比如运用LC滤波器等高本钱的下降电磁搅扰的战略,极大减小了传统D类拓扑结构在便携规划范畴中曾面对的妨碍。能从中获益的相关运用包含任何需求遵照FCC/EC规矩或其它比如Mil-Std-461等与电磁搅扰相关规矩的便携式器材。此外,任何需求下降体系噪声的便携式设备,如通讯设备、音乐播放器、播送设备以及麦克风等,都能从扩频技能中获益。

电磁搅扰是体系级规划中需求考虑的重要问题,体系规划人员需求从规划中所运用的单元模块和元件下手,运用一切能够分配的东西来创立一个高功用的产品,选用具有扩频调制特性的器材能有用地下降便携式体系规划的电磁搅扰。

责任编辑:gt

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