多种技术破解电磁干扰难题 D类放大器市场前景看好

　　系统需求决定集成程度

　　●便携式应用促进器件集成度提高

　　●系统设计应兼顾灵活性

　　王新成　　功能整合是降低IC成本、增强产品竞争力的必然做法。目前Δ-Σ方式的D 类放大器集成在蓝牙耳机、MP3播放器、音频编解码器和USB（通用串行总线）音频等线宽小于0.25μm的混合型芯片中，输出功率都不大，以驱动耳机和线路输出为主。模拟自振荡和三角波比较方式的D类放大器多集成在PMU（电源管理单元）、LED（发光二极管）驱动、音乐门铃等线宽 0.5μm～1.2μm的芯片中，输出功率不超过2.5W.这些产品对0.5W～2W输出功率的D类放大器市场有冲击，但对大功率D类放大器市场没有影响。

　　一些D类放大器内置了PWM调制器和功率MOS（金属-氧化物-半导体）管，这使得器件的外围电路较为简单，在PCB板上所占的面积较小，使用比较方便，其缺点是不易实现个性化设计，输出功率也不能随意改变。调制器和功率MOS管分立的 D类放大器由于应用比较灵活，系统工程师可以发挥自己的创造力，通过变通外围电路和选择不同的器件，设计出与众不同的产品。

　　林欣欣　　移动基带芯片组一直有一个或多个音频放大器，但这些集成音频放大器的使用仅局限于那些音频输出功率和声音质量并非至关重要的移动设备。由于MP3音乐的流行，声音质量成为移动设备的重要卖点，高输出功率能力、低失真、无“噼啪 -滴答”噪声等性能优异的独立式音频放大器将在中档音乐手机中维持相当大的市场份额。但对于拥有多个音频源和多路音频输出的较高档多媒体手机而言，情况则大不相同，因为这些手机需要高质量的音频处理和放大。由于这类便携设备的空间极为有限，诸如音频管理子系统的集成解决方案正在赢得更大的市场份额。

　　罗姆专家　　以手机为代表的便携式产品对于小型、轻量化的要求很高，D类放大器和 LED驱动器、LDO（低压差线性稳压器）等单片化的要求的确存在。但小型、轻量化的方向未必一定要单片化。比如，罗姆的CSP（芯片级封装）技术可使实装面积大幅缩小，基板布线也非常方便，另外，由于工作特性影响引起的噪音问题也得以解决。

　　罗姆的D类放大器系列中，PWM调制器、栅极驱动、功率输出三极管、保护电路等必要电路全部集成于一个芯片中。对整机来说，具有进行简单设计即可实现动作的优点。通常认为扬声器输出在100W以下时，单片电路可以有效工作，如果扬声器输出功率超过100W，从输出三极管的耐压和特性方面考虑，需要多个栅极驱动器和输出三极管共同构成。

　　郭俊杰　　实际应用时，输出功率较低的放大器必须将输出级内置于芯片之中，以便缩小器件体积。部分输出功率较高的D类放大器必须加设另一输出级，以提高电流/电压输出，因此这类放大器必须采用分立的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），才可提高电流/电压输出。

　　张 扬　　为了节省电路板空间，一些D类放大器在芯片上内置MOSFET，这对便携式应用非常重要；其缺点是输出功率被固定，而且会受到允许功耗的限制。更大型的设备，通常采用外部MOSFET，因为这样可以增加灵活性。

　　弥补电磁干扰“短板”

　　●多种技术缓解电磁干扰

　　●根据器件需求选择滤波方式

　　张扬　　所有的D类调制技术都是将音频信号编码至脉冲流。最常见的技术是PWM.PWM技术之所以受到青睐，是因为它在数百千赫兹的载频下具有100dB或以上的音频带信噪比（SNR）——这么低的噪声足以限制输出级的开关损耗。此外，调制器能实现几乎100%的调制稳定度，允许高输出功率。

　　罗姆专家　　D类放大器由高电压输出PWM调制的信号，开关频率虽只有数百千赫兹，但其高频成分可以延伸至数百兆赫兹。这些噪音会通过电源线、扬声器线传播，引起整机产生电磁辐射干扰噪音。

　　罗姆的D类放大器对高电压的开关输出电路采用最优化控制，强化对输出信号波形的过冲、下冲及伴随而来的振铃波形的抑制，从而实现辐射噪声的降低。另外，通常情况下D类放大器的开关输出之后，由PWM调制的信号需要恢复成模拟信号，需要设置低通滤波器。罗姆的D类放大器，在手机及其他扬声器线材较短的机器中，上述的低通滤波器可以省略，能够使外围元件数量得以减少。魏智　　美信通过对D类放大器的开关频率加抖实现扩谱调制，实际开关频率相对于标称开关频率的变化范围可达到±10%.尽管开关波形的各个周期会随机变化，但占空比不受影响，因此输出波形可以保留音频信息。扩谱调制有效拓宽了输出信号的频谱能量，而不是使频谱能量集中在开关频率及其各次谐波上。换句话说，输出频谱的总能量没有变，只是重新分布在更宽的频带内。这样就降低了输出端的高频能量峰，因而将扬声器电缆的EMI辐射降至最低。虽然一些频谱噪声可能由扩谱调制引入音频带宽内，但这些噪声可以被反馈环路的噪声整形功能抑制掉。美信的很多免滤波器D类放大器还允许开关频率同步至一个外部时钟信号，因此用户可以将放大器开关频率设置到相对不敏感的频率范围内。

　　美信的新一代D类音频功率放大器采用了相同的扩谱调制技术，并在这项技术的基础上增加了一项新的、正在申请专利的有源辐射抑制电路（AEL），在不降低音频性能的情况下进一步降低窄带频谱分量。

　　郭俊杰　　美国国家半导体有一系列无需滤波器的D类放大器，以扩展频谱及增强版电波辐射抑制（E2S）技术为例，利用创新的技术，可将电磁干扰的影响减至最少。设计工程师只要采用已引进这些新技术的D类放大器，便不用担心电磁波干扰器件的运作。

　　此外，放大器若内置扩展频谱调制电路，便无需加设输出滤波器、磁珠或扼流圈。开关频率会在中心频率的上下波动，波幅约为±30%.这样可减少争用宽带频谱，确保扬声器、相关电缆及电路板走线所产生的电波辐射进一步减少。相对来说，固定开关频率D类放大器会有较大量的电波辐射，若电磁波的频率刚好是开关频率的倍数，创新的扩展频谱技术可将电磁波辐射扩散至一个较大的频带范围内。开关频率的周期性波幅不会影响音频信号的复制及转换效率。

　　E2S技术可以减少电磁干扰，确保复制的音频信号准确无误，而且还可进一步提高转换效率。由于E2S技术能够有效抑制输出噪声，因此输出方波的高频成分大致上可以全部滤除，而另一方面又可大量减少“THD+N”，并且大幅提高转换效率。由于D类放大器采用E2S技术，可确保“THD+N”低至只有0.03%，转换效率也可高达88%.

　　张洪为　　目前，有一些其他的调制技术如PFM（脉冲频率调制）或类似Δ-Σ调制类型的非定频PWM技术在D类放大器中采用，但是PFM的宽范围变频给滤波器设计带来困难，类似Δ-Σ调制类型的非定频PWM只能实现1阶Δ-Σ环，好处有限，对时钟抖动和电源噪声却很敏感，使用并不广泛。

　　由于D类放大器使用的频率一般在250kHz～500kHz之间，远低于30MHz，对喇叭的输出还可以采用双绞线，EMI的影响远低于一般想象。因此，我们建议小功率D类功放不加滤波器。

　　王新成　　PWM技术在D类放大器中起着决定性的作用，目前几乎所用的集成D类放大器都是基于PWM技术的，包括全数字Δ-Σ过采样方式的D类放大器，它的核心技术是PCM（脉冲编码调制）-PWM的转换算法。PDM（脉冲密度调制）是另一个很有前途的方法，因为它具有更优良的EMI性能和更好的音质，但要求载波频率必须高于2MHz以上，用目前的工艺难以解决开关损耗问题。

　　华润矽威设计的PT5305、PT5306、PT5326全部采用了无LC（电感-电容）滤波器技术，EMI传导噪声比传统方式低12dB，可以替代AB类放大器。这些器件除效率是AB类放大器的2.3倍之外，还具有比AB类放大器更好的音质。

　　林欣欣　　由于D类放大器利用动态扬声器的寄生电感和电容作为低通滤波器，市场上的产品大多都是“无滤波器”设计。但是，这没有免除在放大器输出上进行EMI滤波的需要。无论D类放大器采用的是何种调制技术，它始终会在输出端产生开关信号。这开关信号如果未被滤除，将沿着输出和接地迹线传播至系统的其他部分。安森美半导体建议音频设计须留心EMI滤波和PCB布线设计两方面的问题。 EMI滤波器应能消除可能与高于700 MHz RF频率产生干扰的信号。常见的EMI滤波器解决方案是在D类放大器的每路输出增加铁氧体片式磁珠，其中磁珠的位置应该越接近放大器的输出引脚越好。