導讀：

　　功率電感和鐵氧體磁環的價格差異顯著，這推動了D類音頻放大器濾波設計步入無電感時代。但同時，在鐵氧體磁珠的作用下，濾波器的截止頻率會急劇飆升，從幾千赫茲增加到幾兆赫茲；從而削弱了濾波器的EMI抑制效果。因此，D類應用亟需降低EMI噪聲。在D類音頻無電感應用中，要取得良好的EMI結果取決于電路板電平調整與適當的PCB布局。鐵氧體磁環配備適當的電容可以降低D類輸出邊緣速率，但同時也會產生一些瞬時振蕩，加劇傳導性電磁干擾，因此，需要利用佐貝爾電路降低瞬時振蕩。

　　本文將介紹一些電路板電平調整技術，包括鐵氧體磁珠選擇原則——降低邊緣速率，佐貝爾網絡調整方法——減少瞬時振蕩，以及適當的PCB布局等。這些解決方案通過利用TI最新的EMI優化D類音頻放大器TPA3140D2，幫助客戶大幅節約系統設計成本，同時獲得出色的音頻性能。

　　無電感濾波器

　　無電感設計的目的是利用成本低廉的鐵氧體磁珠替代昂貴的電感，為客戶實現系統層面上的 低成本EBOM（工程材料賬單）目標。鐵氧體磁珠等同于多層片式電感。受當前鐵氧體磁環材料和制造技術的限制，此類電感很難同時承受大電流、高阻抗。以日本東光多層片式電感為例，如果工程師將額定直流電流值設定為>2.5A，則絕大多數電感值將低于1uH。行內另外一家的產品順絡鐵氧體磁珠系列（UPZ2012）也有類似表現：如果最大額定電流大于2.5A，鐵氧體磁環磁珠同等電感值小于0.6uH。

　　表1為UPZ2012系列鐵氧體磁珠在100MHz的阻抗、以及不同鐵氧體磁環的最大額定電流和最大直流電阻。

       如圖1所示，“120Ω@100MHz 鐵氧體磁珠”的同等電感值為0.39uH，而 600Ω@100MHz 鐵氧體磁珠，同等電感值為1.59uH。

　　圖1  鐵氧體磁珠同等電感值

　　鐵氧體磁珠工作時相當于一個并聯諧振回路，如同電感在低頻域（<100MHz）、電容在高頻域（>100MHz）工作一樣、也如同一個純電阻在自身的諧振頻率點一樣。在使用鐵氧體磁珠設定輸出濾波器時，其基礎就是利用它的電感特性。因為每個LC濾波器 （無源濾波器）均擁有自身的諧振頻率，在此頻率點，濾波器的增益很大，導致過濾后產生瞬時振蕩。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量，通常使用10Ω的電阻和330pF的電容。R2和C2將吸收由濾波器本身造成的振蕩能量。

　　圖2   鐵氧體磁珠濾波器設計

　　如何利用無電感濾波器實現低EMI目標？

　　·意見1：選擇鐵氧體磁珠降低邊緣速率

　　TI 設備中利用了一些技術，盡量降低5MHz頻帶（此頻率通常為鐵氧體磁珠濾波器的截止頻率）范圍內傳導的EMI噪聲。擴展頻譜、L和R聲道（D類立體聲音頻）的相移等也會有一定的幫助。對于小于5MHz的 EMI帶寬，尤其是當開關頻率約為300kHz（以獲得較佳效率），實驗結果顯示減少邊緣速率是降低EMI的有效方法。

　　圖3  不同阻抗鐵氧體磁環的邊緣速率

　　圖3中，較高的鐵氧體磁珠阻抗可以實現較低邊沿速率的D類輸出；使用600ohm@100MHz 的鐵氧體磁珠，可以獲得最低邊緣速率的D類輸出，最終在高頻段實現最佳EMI結果。然而，阻抗較高意味著額定電流較小。表1中，阻抗=600ohm@100MHz，最大額定電流為2A。以電視客戶為例：

　　電視應用示例：PVDD （功率電源）= 12V，揚聲器負載=8Ω，BD模式，忽略PCB與鐵氧體磁珠的導通電阻和直流電阻。最大電流 = 12/8 = 1.5A。

　　在PVDD = 12V /8Ω揚聲器的情況下，工程師可以使用600ohm@100MHz的鐵氧體磁珠來設計濾波器。

　　圖4為鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果

　　圖4  鐵氧體磁珠對于傳導性EMI的效果

　　圖5為鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果

　　圖5    鐵氧體磁珠對于輻射性EMI的效果

　　意見2：利用佐貝爾網絡，盡量降低瞬時振蕩。

　　圖6為我們設計的用于降低輸出濾波電路振蕩效應的典型電路。R1和C1將吸收由IC本身造成的振蕩能量。R2和C2 用于吸收由濾波器諧振頻率造成的振蕩。

　　圖6   調諧，以減少振蕩、降低邊緣速率

　　圖7.a中，在傳導性EMI測試噪音頻帶，捕獲到周期為350ns的振蕩（約2.85MHz），其能量在佐貝爾網絡之后已經大幅減弱，并獲得更高邊緣增益。

圖7   調整佐貝爾網絡和電容（減少振蕩，獲得較慢的邊緣速率）

       不過又出現了另外一個問題，圖8顯示振蕩加劇了2MHz~4MHz的頻帶噪聲（如果D類輸出電流增加的話，振蕩會更加嚴重）。從理論上講，諧波分量越高，振幅應該越小，但是，濾波器的諧振頻率點改變了這一情況。我們看一下圖7.a，與設置4相比，設置3在2MHz~5MHz頻帶具有更好的噪聲抑制能力。最終，設置3在減少振蕩方面表現出最佳的調優效果，并且獲得了較低的邊緣速率，及良好的2MHz~5MHz的EMI裕量。

 圖8    振蕩加劇2MHz~4MHz 頻帶噪聲（設置4）

　　PCB布局

　　圖9為TI無電感D類音頻參考設計電路板(TPA3140D2)。圖10是典型的輸出應用電路原理圖。

　　                          a. 濾波器PCB面積（無電感）                              

     b. 濾波器PCB空間（帶電感） 

　　圖9   TPA3140 EVM板（左）節約了很多濾波器PCB空間

圖10    TPA3140典型輸出應用電路原理圖

　　l濾波器PCB布局

　　為盡可能減少濾波器電流回路（電流回流至GND），確保電流環路小。

　　1）將鐵氧體磁珠盡可能靠近輸出引腳。

　　2）盡量減少濾波器接地的電流回路（C8至D類接地引腳）

　　3）盡量確保濾波器和D類設備的底層是一個完整的接地層。

　　4）如果要添加佐貝爾網絡來減少振蕩，將佐貝爾網絡盡可能靠近濾波器。

　　5）將緩沖電路盡可能靠近設備的輸出引腳。

　　鐵氧體磁珠

　　設備接地引腳

　　鐵氧體磁珠

　　圖10   濾波器布局

　　·PVCC布局

　　頂層            底層

　　圖11   PVCC布局

　　結論

　　TI最新無電感D類立體聲放大器（TPA3140）使無電感設計在中等功率D類應用中得以實現。根據不同的揚聲器線長度和輸出功率（電流）要求，音響系統工程師可以使用本文中講到的一些電路板電平調諧技術，包括鐵氧體磁珠選擇原則（降低邊緣速率）、佐貝爾網絡調諧方法（減少振蕩）以及適當的PCB布局等，最終，在客戶系統級測試中，得以使TPA3140實現足夠的EMI裕量。目前用戶設計獲得的反饋顯示，TI TPA3140是一款真正的無電感中等功率D類音頻放大器，可以幫助客戶在降低系統BOM成本、更小的PCB尺寸、良好的EMC裕量及穩定良好的音頻性能等方面取得最佳平衡。