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
，加劇傳導性電磁幹擾，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，幫助客戶大幅節約係統設計成本，同時獲得出色的音頻性能。

 

 

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，為客戶實現係統層麵上的 低成本EBOM（工程材料賬單）目標。鐵氧體磁珠等同於多層片式電感。受當前鐵氧體磁環材料和製造技術的限製，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於1uH。行內另外一家的產品順絡鐵氧體磁珠係列（UPZ2012）也有類似表現：如果最大額定電流大於2.5A，鐵氧體磁環磁珠同等電感值小於0.6uH。

 

表1為UPZ2012係列鐵氧體磁珠在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。

 

表1 2012型貼片鐵氧體磁環的阻抗與最大電流

 

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於一個並聯諧振回路，如同電感在低頻域（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，導致過濾後產生瞬時振蕩。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

 

 

•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）範圍內傳導的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。對於小於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為鐵氧體磁珠對於傳導性EMI的效果

 

圖4 鐵氧體磁珠對於傳導性EMI的效果

 

圖5為鐵氧體磁珠對於輻射性EMI的效果

 

圖5 鐵氧體磁珠對於輻射性EMI的效果

 

 

圖6為我們設計的用於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 用於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後已經大幅減弱，並獲得更高邊緣增益。

 

表2 濾波器和佐貝爾網絡設置

 

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製能力。最終，設置3在減少振蕩方麵表現出最佳的調優效果，並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）

 

 

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。

 

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

 

 

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） 將緩衝電路盡可能靠近設備的輸出引腳。

 

圖11 濾波器布局

 

 

圖12 PVCC布局

 

 

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，音響係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，在客戶係統級測試中，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係統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麵取得最佳平衡。

 

本文來源於TI公司。