車載音頻EMI的產生及典型音頻功放AW836XX的解決方案

之前針對 eCall的文章中有提到D類音頻功放需要關注EMI問題（點擊文章回看《車載eCall系統音頻應用解決方案》），在此展開此問題並尋求解決方案。

1. EMI定義與分類

電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）是干擾電纜信號並降低信號完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發生源產生。

電磁干擾EMI(Electromagnetic Interference)，分傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網絡。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發射電磁波並影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。

2. 車載系統EMI需求

CISPR25《用於保護用在車輛、機動船和裝置上車載接受機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》本標準是保護用在車上、船上和裝置上的接受機免受無線電騷擾，規定了限值和測試方法。目前幾乎所有車輛廠商均需求通過此相關標準。下圖為CISPR25測試CEC相關測試標準與要求。

圖1 CISPR25 CEC測試標準說明

3.D類音頻功放EMI噪聲源

① 典型應用電路

圖2 AW836xxTSR-Q1典型應用圖

② 噪聲源分
D類功放的EMI的干擾源主要是來自三個地方：
1）工作時開關調製頻率導致的電源上的紋波抖動
2）開關調製過程中大電流隨時間的變化di/dt
3）開關調製過程中電壓隨時間的變化dv/dt

除此之外，整個PCB板器件的布局以及布線對整個電路系統的EMI都會產生影響。下面將在原理圖設計、晶片設計時自身EMI抑制功能、PCB設計分別介紹對EMI的影響分析。

圖3 D類功放噪聲源示意

4. EMI的解決方法
① 原理圖設計
· 電源噪聲濾波網絡設計

電源網絡噪聲處理常用方式可主要分為以下三種：
1）帶有共模電感的共模噪聲抑制電路
2）Pi型濾波網絡
3）由磁珠與電容構成的高頻濾波電路

具體電路設計可以依據噪聲處理要求進行合理選擇。主要電路結構如下圖所示。

圖4 常用的電源噪聲濾波網絡

由於D類功放工作時調製產生的電流脈衝會導致PVCC引腳上較大的電壓紋波，若不進行處理將會沿導線傳導至整個電源網絡，如圖4所示AW836xxTSR-Q1電源網絡做了PI型濾波設計，可有效降低電源上的噪聲幅值及高頻干擾，示波器實測波形如下。

圖5 D類調製引入的噪聲

圖6 濾波網絡處理後的噪聲

· 開關噪聲整形電路設計

由於晶片引腳，PCB走線，器件雜散參數等寄生參數的存在，高頻開關電路中在開關動作瞬間會產生開關振鈴。振鈴的存在，可能使得開關管承受的電壓超過其耐壓值而發生擊穿；另一方面，開關振鈴為遠超開關頻率的高頻振鈴,會伴隨很高的dv/dt，進而帶來傳導和輻射的EMI問題，所以儘可能地抑制開關振鈴是高頻開關電路設計中一個重要環節。由電阻電容組成的RC-Snubber電路可以有效抑制振鈴，進而有效抑制EMI。圖7為不加RC-Snubber電路的開關波形，圖8加RC-Snubber電路的開關波形，對比顯示高頻振盪得到明顯改善。

對EMI的影響如圖9，圖10。高頻效果由不可通過CLASS5等級改善為可通過CLASS5，對EMI效果改善明顯。

圖7 開關振鈴引起的高頻振盪

圖8 RC-Snubber 電路高頻吸收

圖9 不加RC的EMI測試

圖10 加RC的EMI測試

· LC濾波電路設計

中大功率音頻設計時，考慮EMI指標往往需要加LC濾波器用於抑制調製信號與高頻噪聲，圖2所示LC濾波電路的截止頻率計算方式如下：

對於低通濾波電路而言，截止頻率外高頻信號將以40dB/Dec進行衰減。

圖11 LC濾波電路對基頻及諧波抑制

② 晶片EMI抑制功能
· 調製頻率選擇
基於圖1所示CISPR25測試標準，300k~530k，1.8M~5.9M等頻段並不在測試要求範圍內，AW836xxTSR-Q1系列推出調製頻率為400kHz/500kHz產品，後續將會推出2.1MHz產品（更小的輸出電感與輸出電容，更低的成本），可避免因基波能量落在測試範圍，從而規避基波能量過大而超限的情況。

· 擴頻功能
擴頻（Spread Spectrum，SS）是將傳輸信號的頻譜（spectrum）打散到較其原始帶寬更寬的一種通信技術，從而將原始頻帶能量分攤在所擴展的頻帶已降低基頻能量，是EMI抑制常用手段。圖13，圖14對比測試圖展示了擴頻功能對EMI的影響。

圖12 擴頻頻譜

圖13 不開擴頻 EMI測試數據

圖14 開啟擴頻 EMI測試數據

· 邊沿調整功能

D類功放輸出邊沿的翻轉帶來大電流隨時間的變化di/dt，電壓隨時間的變化dv/dt；這些都會影響引入高頻噪聲，調沿功能即可以調整邊沿速率，進而降低Δt時間內電流/電壓變化量。

圖15，圖16對比測試圖展示了調沿功能對EMI的影響，高頻處的EMI被明顯優化。

圖15 默認邊沿速率 EMI測試數據

圖16 邊沿調緩 EMI測試數據

③ PCB設計
合理的PCB的布局、布線以及器件選型等對EMI影響至關重要，AW836xxTSR主要從電源網絡，輸出功率信號做簡要說明。

1）完整的地參考平面，以儘量減少發射、串擾和噪聲

2）電源網絡儘量縮短路徑且與系統其他共享電壓網絡呈星形連接，儘量避免菊花鏈形式，避免環路的形成

3）電源網絡與D類功放輸出網絡保持一定距離，避免敏感器件的干擾

4）避免90°彎角走線；

5）輸出端的LC濾波網絡及RC-Snubber吸收電路越靠近晶片越好，降低濾波前的網絡長度

6）高頻退耦濾波電容建議靠近PA的PVCC引腳擺放，在最小環路路徑之內擺放，避免高頻去耦失效

7）在L的選型上儘量使用全封閉電感，避免磁泄露導致的磁耦合產生干擾或不必要的損耗

8）電容選用低ESR&ESL型號，電容的地建議就近與主參考地連接，且過孔儘量多，減少過孔帶來的寄生振盪

圖17 AW836xxTSR PCB布局&布線

圖18 完整的地參考平面

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