中心議題:
解決方案:
- 天線(xiàn)的EMI分析
- 常用的天線(xiàn)設(shè)計(jì)
- D類(lèi)音頻放大器
- 對(duì)抗EMI
電磁干擾(EMI)是指電路受到了來(lái)自外部的非預(yù)期性電磁輻射干擾。這種干擾可以中斷、阻礙或降低電路的性能表現(xiàn)。在現(xiàn)今的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備設(shè)計(jì)中,空間已躍升為第一要素。設(shè)計(jì)師經(jīng)常需要移除外殼或屏罩,并且通過(guò)更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐犯綦x來(lái)抑制EMI和噪聲。毫無(wú)疑問(wèn),較小的空間和更多的功能增加了電路板的密度,此外還需要考慮圓片級(jí)封裝和微型電路設(shè)計(jì)規(guī)范,因此EMI問(wèn)題更加值得關(guān)注。
天線(xiàn)的EMI分析
EMI包含有兩個(gè)方面:放射和電磁耐受性。放射是指哪些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲。電磁耐受性是指哪些設(shè)備會(huì)受到其它設(shè)備的電磁波影響。在稍候的篇幅中,我們將會(huì)多討論一些有關(guān)電磁耐受性的問(wèn)題。因?yàn)槿绻苡行У乜刂齐姶欧派?,那么處理后續(xù)的電磁耐受性就變得相對(duì)容易了。放射一般來(lái)說(shuō)大體分為輻射性放射和傳導(dǎo)性放射兩類(lèi)。輻射性放射來(lái)自電路板、走線(xiàn)或電線(xiàn),以電磁波的形態(tài)經(jīng)大氣傳播影響附近的接收器。需要注意的是“接收器”可泛指任何因外來(lái)電磁能量干擾而影響其運(yùn)行的電路。例如,PCB走線(xiàn)或IC的引線(xiàn)。傳導(dǎo)性放射是指能量經(jīng)電線(xiàn)或電纜逃脫或傳導(dǎo)出來(lái)。傳導(dǎo)性放射可以直接影響電路性能,或者轉(zhuǎn)化為輻射性放射。
圖1:波長(zhǎng)和頻率之間的物理關(guān)系
要了解兩種放射,我們必須對(duì)天線(xiàn)有一定的了解。圖1所示波長(zhǎng)和頻率之間的物理關(guān)系。一根天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度必須達(dá)到波長(zhǎng)的四份之一。如果在大氣中,其介電特性為1。那么在FR4或玻璃環(huán)氧電路板中,其介電特性便會(huì)降低至4.8。因此信號(hào)一旦到達(dá)FR4的電介質(zhì)梯度,其傳播走線(xiàn)就會(huì)變慢。于是會(huì)引起“波長(zhǎng)縮減”效應(yīng)。例如,一個(gè)200MHz的信號(hào)在大氣中的四分之一波長(zhǎng)為16.7cm,如果在內(nèi)層的電路板走線(xiàn),那么波長(zhǎng)就變?yōu)?6.7/4.8(1/2)=7.6cm。
常用的天線(xiàn)設(shè)計(jì)
即使PCB走線(xiàn)的長(zhǎng)度短于波長(zhǎng)的四分之一,仍可以是有效的天線(xiàn),能夠同時(shí)增強(qiáng)放射性和電磁耐受性。除了內(nèi)層外,表面的走線(xiàn)也可表現(xiàn)出波長(zhǎng)縮減效應(yīng)。因?yàn)殡娊橘|(zhì)的一面已足可改變傳遞的整個(gè)介電特性。
PCB走線(xiàn)等非意愿天線(xiàn)(unintended antenna),可以說(shuō)是數(shù)字系統(tǒng)中輻射噪聲背后的黑手。從輻射性放射的角度考慮,我們可發(fā)現(xiàn)D類(lèi)音頻放大器本質(zhì)上可被看作成一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。電磁學(xué)中一個(gè)關(guān)鍵原理是電磁互易(reciprocity),因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)可產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),并且電通量的變化可引發(fā)電流的流動(dòng)。按照這個(gè)原理,一條天線(xiàn)既可以用來(lái)接收電磁信號(hào)也可以用來(lái)發(fā)送電磁信號(hào)。假如非意愿天線(xiàn)受到噪聲電流的刺激,而其長(zhǎng)度接近波長(zhǎng)的四分一接近時(shí),此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生輻射性放射。
圖2:常用的天線(xiàn)設(shè)計(jì)
圖3:PCB中的非意愿天線(xiàn)
PCB上一些沒(méi)有端接的表面走線(xiàn)或埋在下面的走線(xiàn)可以變成非意愿鞭形天線(xiàn)。在不同電位勢(shì)下的走線(xiàn)片段可以因不良布局而變成振子天線(xiàn)。同時(shí),PCB的導(dǎo)電層可作為雙極天線(xiàn)的另一條腿,而板子本身會(huì)被耦合到電場(chǎng)中。
D類(lèi)音頻放大器
由于自身的效率很高,D類(lèi)音頻放大器很快就在消費(fèi)電子設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。D類(lèi)音頻放大器通過(guò)輸入的模擬信號(hào)來(lái)調(diào)制一個(gè)高頻方波,該方波的頻率可以是固定的也可以是可變的,甚至可以是隨機(jī)脈沖。低通濾波器用來(lái)過(guò)濾信號(hào)中的高頻內(nèi)容以及恢復(fù)原始音頻信號(hào)。在沒(méi)有濾波器的拓樸中,揚(yáng)聲器本身的電感會(huì)被合并成濾波器的一部份。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種普遍的D類(lèi)拓樸技術(shù),它采用固定頻率的波形,并通過(guò)改變工作周期在低通濾波器后面產(chǎn)生出一個(gè)移動(dòng)平均信號(hào)(圖4)。
圖4:PWM是一種普遍的D類(lèi)拓樸技術(shù)
采用開(kāi)關(guān)拓樸的好處很明顯,例如:高效率、低功耗和易散熱。不過(guò),增加效率并不是沒(méi)有代價(jià)的。為了提升效率,需要采用一個(gè)銳利且變換迅速的方波。但由于光譜能量高度集中在方波的邊沿,這會(huì)導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)中的問(wèn)題再現(xiàn)。同時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)一些過(guò)激,使波形在短時(shí)間超越最高和最低的電壓。過(guò)激使在輸出光譜產(chǎn)生出額外的高頻量,并對(duì)EMI和音頻性能造成不良影響。
對(duì)抗EMI
要消除EMI,需要在電路設(shè)計(jì)時(shí)整合電氣工程師、電路板布局工程師和制造工程師的力量,合力研發(fā)出一個(gè)最佳的PCB設(shè)計(jì)。要處理好EMI的問(wèn)題,通常應(yīng)在PCB設(shè)計(jì)時(shí)注意:
1. 在會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)的電源和接地間放置去耦電容器。如果隨便放置電容器會(huì)惡化EMI問(wèn)題;
2. 電源層應(yīng)與電路板的邊沿保持一定距離;
3. 避免在接地或電源層內(nèi)切斷走線(xiàn),否則可能會(huì)造成非意愿******;
4. 對(duì)所有的高頻時(shí)鐘線(xiàn)路提供足夠的端接;
5. 為電路板連接器提供適當(dāng)濾波;
6. 良好的PCB設(shè)計(jì)可避免出現(xiàn)環(huán)路天線(xiàn)。環(huán)路天線(xiàn)可以使正向和反向的電流都在定義好的路徑上傳導(dǎo)。
另外,還可以通過(guò)抑制天線(xiàn)的電流來(lái)制止輻射。
對(duì)于音頻設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),必須考慮下列兩點(diǎn):
1. 把由音頻放大器到揚(yáng)聲器的走線(xiàn)長(zhǎng)度縮到最短。因?yàn)橐坏┳呔€(xiàn)達(dá)到波長(zhǎng)的四分之一,就會(huì)出現(xiàn)明顯的輻射,走線(xiàn)或電線(xiàn)便會(huì)變成天線(xiàn)。
2. 對(duì)于無(wú)濾波器的D類(lèi)系統(tǒng),連接著放大器輸出和揚(yáng)聲器的走線(xiàn)或電纜將會(huì)是RF放射的最大來(lái)源。
圖5:在放大器附近放置鐵氧體磁珠是有效抑制EMI的方法
在放大器附近放置鐵氧體磁珠并與揚(yáng)聲器串列,可以是很有效的抑制EMI的方法。為了進(jìn)一步理解鐵氧體磁珠的抑制方法,我們將鐵氧體磁珠分成頻變電阻和電感元件,如圖5所示。要抑制EMI,鐵氧體磁珠需要作為電阻器,但因?yàn)镽dc=0,該處沒(méi)有直流電壓降。對(duì)于頻率低于1 MHz的應(yīng)用,采用這種方法很有效。此外,如圖所示,還需要考慮二元分壓器。Z1和Z2都是頻率相關(guān)的,為了達(dá)到所需的低通濾波器功能,以下的關(guān)系必須成立:在要求的頻率下Z2>>Z1,在噪聲頻率下Z1>>Z2。
鐵氧體通常會(huì)用來(lái)作為串聯(lián)元素,電容便作為分流元素。 這里的電容可以是物理電容,也可以是集中電容。傳遞函數(shù)表示Z1和Z2將會(huì)分別隨著頻率(1/jωC)增加和減少。而系統(tǒng)將會(huì)有某程度的阻尼明顯地消減共振效應(yīng)。
從圖中可見(jiàn),在處理D類(lèi)固有的周期性方波時(shí),最基本的難題是諧振間隔時(shí)出現(xiàn)的集中能量。為了設(shè)計(jì)一個(gè)“安靜”的低EMI D類(lèi)放大器,一個(gè)方法是將頻率來(lái)回抖動(dòng),或擴(kuò)展開(kāi)關(guān)的頻譜,降低頻譜內(nèi)所有點(diǎn)上的能量。與傳統(tǒng)的D類(lèi)放大器相比,擴(kuò)頻調(diào)制方案有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn):除了可保持高效效率和低THD+N外,更重要的是大幅削減了輻射噪聲和EMI,如圖6中所示。
圖6:擴(kuò)頻調(diào)制方案除了可保持高效效率和低THD+N外,還能大幅削減了輻射噪聲和EMI
LM48511是一個(gè)擴(kuò)頻調(diào)制式D類(lèi)音頻放大器,內(nèi)部集成了一個(gè)內(nèi)置式升壓穩(wěn)壓器,可把電壓提升至7V,從而增強(qiáng)放大器的輸出功率和音頻聲壓級(jí)。此外,該升壓穩(wěn)壓器即使在電池衰減的情況下也可使放大器維持一個(gè)固定的輸出水平。
LM48511特設(shè)有一個(gè)邏輯可選擴(kuò)頻調(diào)制器,可削減EMI并且可免除使用輸出濾波器或扼流圈。如圖7所示,擴(kuò)頻調(diào)制器會(huì)供給一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H-橋,該H-橋負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)橋接式負(fù)載揚(yáng)聲器。在擴(kuò)頻模式中,開(kāi)關(guān)頻率會(huì)在約330kHz頻率處隨機(jī)發(fā)生10%的變化,從而減少由揚(yáng)聲器、相關(guān)的電線(xiàn)和走線(xiàn)所產(chǎn)生的輻射性EMI放射。在這個(gè)模式下,一個(gè)固定頻率的D類(lèi)放大器會(huì)展現(xiàn)出比開(kāi)關(guān)頻率高幾倍的頻譜能量,而LM48511的擴(kuò)頻體系結(jié)構(gòu)將會(huì)把這些能量擴(kuò)展到一個(gè)較大的頻寬,從而減少電路中的峰值噪聲功率。
圖7:擴(kuò)頻調(diào)制器供給一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H-橋,該H-橋負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)橋接式負(fù)載揚(yáng)聲器
電磁性干擾是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題。對(duì)于音頻設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),在進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃以及選擇器件、材料時(shí)都必須考慮到EMI問(wèn)題。