AW836XXD类音频功放的EMI产生问题分析

之前针对 eCall的文章中有提到D类音频功放需要关注EMI问题（点击文章回看《车载eCall系统音频应用解决方案》），在此展开此问题并寻求解决方案。

1. EMI定义与分类

电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源产生。电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)，分传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

2. 车载系统EMI需求

CISPR25《用于保护用在车辆、机动船和装置上车载接受机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》本标准是保护用在车上、船上和装置上的接受机免受无线电骚扰，规定了限值和测试方法。目前几乎所有车辆厂商均需求通过此相关标准。下图为CISPR25测试CEC相关测试标准与要求。

图1 CISPR25 CEC测试标准说明

3.D类音频功放EMI噪声源

① 典型应用电路

图2 AW836xxTSR-Q1典型应用图

② 噪声源分析

D类功放的EMI的干扰源主要是来自三个地方：

1）工作时开关调制频率导致的电源上的纹波抖动 2）开关调制过程中大电流随时间的变化di/dt 3）开关调制过程中电压随时间的变化dv/dt 除此之外，整个PCB板器件的布局以及布线对整个电路系统的EMI都会产生影响。下面将在原理图设计、芯片设计时自身EMI抑制功能、PCB设计分别介绍对EMI的影响分析。

图3 D类功放噪声源示意

4. EMI的解决方法

① 原理图设计

· 电源噪声滤波网络设计

电源网络噪声处理常用方式可主要分为以下三种： 1）带有共模电感的共模噪声抑制电路 2）Pi型滤波网络 3）由磁珠与电容构成的高频滤波电路具体电路设计可以依据噪声处理要求进行合理选择。主要电路结构如下图所示。

图4 常用的电源噪声滤波网络由于D类功放工作时调制产生的电流脉冲会导致PVCC引脚上较大的电压纹波，若不进行处理将会沿导线传导至整个电源网络，如图4所示AW836xxTSR-Q1电源网络做了PI型滤波设计，可有效降低电源上的噪声幅值及高频干扰，示波器实测波形如下。

图5 D类调制引入的

噪声

图6 滤波网络处理后

噪声

· 开关噪声整形电路设计

由于芯片引脚，PCB走线，器件杂散参数等寄生参数的存在，高频开关电路中在开关动作瞬间会产生开关振铃。振铃的存在，可能使得开关管承受的电压超过其耐压值而发生击穿；另一方面，开关振铃为远超开关频率的高频振铃,会伴随很高的dv/dt，进而带来传导和辐射的EMI问题，所以尽可能地抑制开关振铃是高频开关电路设计中一个重要环节。由电阻电容组成的RC-Snubber电路可以有效抑制振铃，进而有效抑制EMI。图7为不加RC-Snubber电路的开关波形，图8加RC-Snubber电路的开关波形，对比显示高频振荡得到明显改善。对EMI的影响如图9，图10。高频效果由不可通过CLASS5等级改善为可通过CLASS5，对EMI效果改善明显。

图7 开关振铃引起的

高频振荡

图8 RC-Snubber

电路高频吸收

图9 不加RC的EMI测试

图10 加RC的EMI测试

· LC滤波电路设计

中大功率音频设计时，考虑EMI指标往往需要加LC滤波器用于抑制调制信号与高频噪声，图2所示LC滤波电路的截止频率计算方式如下：

对于低通滤波电路而言，截止频率外高频信号将以40dB/Dec进行衰减。

图11 LC滤波电路对基频及谐波抑制

② 芯片EMI抑制功能

· 调制频率选择

基于图1所示CISPR25测试标准，300k~530k，1.8M~5.9M等频段并不在测试要求范围内，AW836xxTSR-Q1系列推出调制频率为400kHz/500kHz产品，后续将会推出2.1MHz产品（更小的输出电感与输出电容，更低的成本），可避免因基波能量落在测试范围，从而规避基波能量过大而超限的情况。 · 扩频功能

扩频（Spread Spectrum，SS）是将传输信号的频谱（spectrum）打散到较其原始带宽更宽的一种通信技术，从而将原始频带能量分摊在所扩展的频带已降低基频能量，是EMI抑制常用手段。图13，图14对比测试图展示了扩频功能对EMI的影响。

图12 扩频频谱

图13 不开扩频

EMI测试数据

图14 开启扩频

EMI测试数据

· 边沿调整功能

D类功放输出边沿的翻转带来大电流随时间的变化di/dt，电压随时间的变化dv/dt；这些都会影响引入高频噪声，调沿功能即可以调整边沿速率，进而降低Δt时间内电流/电压变化量。图15，图16对比测试图展示了调沿功能对EMI的影响，高频处的EMI被明显优化。

图15 默认边沿速率

EMI测试数据

图16 边沿调缓

EMI测试数据

③ PCB设计

合理的PCB的布局、布线以及器件选型等对EMI影响至关重要，AW836xxTSR主要从电源网络，输出功率信号做简要说明。

1）完整的地参考平面，以尽量减少发射、串扰和噪声 2）电源网络尽量缩短路径且与系统其他共享电压网络呈星形连接，尽量避免菊花链形式，避免环路的形成 3）电源网络与D类功放输出网络保持一定距离，避免敏感器件的干扰 4）避免90°弯角走线； 5）输出端的LC滤波网络及RC-Snubber吸收电路越靠近芯片越好，降低滤波前的网络长度 6）高频退耦滤波电容建议靠近PA的PVCC引脚摆放，在最小环路路径之内摆放，避免高频去耦失效 7）在L的选型上尽量使用全封闭电感，避免磁泄露导致的磁耦合产生干扰或不必要的损耗 8）电容选用低ESR&ESL型号，电容的地建议就近与主参考地连接，且过孔尽量多，减少过孔带来的寄生振荡