车载音频EMI的产生及典型音频功放AW836XX的解决方案

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
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 滤波网络处理后的噪声

· 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

图17 AW836xxTSR PCB布局&布线

图18 完整的地参考平面

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