系统工程师该如何处理D类放大器的EMI问题

由于在效率上相对于AB类放大器的巨大优势，D类放大器的应用越来越广泛。根据市场调研机构 Gartner的报告，D类放大器在2006年至2011年之间的复合年成长率将达15.6%，从3.34亿美元成长至6.88亿美元，主要的成长动力来自于功耗敏感及空间受限的消费类电子产品。但D类放大器开关输出的拓扑结构带来了高频的EMI，如何控制好D类放大器的EMI，是系统工程师必须要考虑的方面。

　　D类放大器中EMI的产生

　　变化的电压和电流信号会产生电磁场辐射，形成电磁波干扰（EMI：Electro-Magnetic Interference），这些电磁波信号会影响收音机、电视和手机等产品的正常工作。为了防止电子设备的EMI问题，世界各国都制定了相关的标准规定，如美国的联邦通信委员会（FCC：Federal Communication Commission）的认证，目的都是限制电子产品的电磁波辐射。

　　EMI测试是在特定的电波暗室中进行的，测量由产品中辐射出来的电磁波强度，与FCC等规范相比较，不得超过规定的最大能量。FCC规范中将产品按用途分为 CLASS A 、 CLASS B 两大类， A 类为用于商务或工业用途的产品， B 类为用于家庭用途的产品， FCC 对 B 类产品法规要求更严格。

　　图1：FCC 规范的CLASS A和CLASS B标准

　　传统D类放大器开关输出的拓扑结构是一个很好的EMI发射源：如调制的开关信号，开关信号的边沿变化，电源线上变化的电流信号等都会产生大量的EMI，如下图所示。

　　图2：D类放大器开关输出的拓扑结构

不同的发射源对应了不同的EMI频谱，由于D类放大器的调制频率一般在250kHz到1.5MHz之间，因此调制的开关信号和电源线上变化的电流信号带来的EMI主要集中在10MHz以下的频段；而方波的边沿变化一般是在纳秒级别的，因此它们所带来的EMI主要集中在几十MHz到几GHz的高频段。

　　EMI主要通过PCB的走线、通孔和扬声器的连线向外辐射，较大能量的EMI辐射需要一个“高效率”的天线，对不同的频率，一个有效的天线长度是该频率波长的四分之一（λ/4），小于这个长度，就不能形成有效的对外辐射。对30MHz的频率，采用一般的FR4的PCB板，天线长度需要大于114.1cm才能形成有效的辐射。所以在手机上采用D类放大器时，在放大器输出的PCB走线和扬声器连线上的方波边沿变化是EMI的最重要来源。特别是手机应用中所关心的一些频段，如下表所示：基本都在100MHz以上，因此我们需要特别地关注由方波边沿变化所引起的EMI辐射。

　　图3：手机应用中的一些频段

　　对前面传统D类放大器的输出波形，由傅里叶分析可知，方波纳秒级的边沿变化和高频的振铃会引入非常大的高频EMI，严重影响FM、手机模拟电视等的接收效果，容易出现收听杂音或雪花台的情况，让系统工程师颇感头痛。