引言
全球銷售的所有電子產(chǎn)品在上市之前必須進(jìn)行EMI/EMC測試，證明它們不會(huì)產(chǎn)生干擾，或不會(huì)受到其他設(shè)備的干擾。出于測試目的，可將這些產(chǎn)品分成兩類：主動(dòng)輻射產(chǎn)品和非主動(dòng)輻射產(chǎn)品，例如，蜂窩電話和對(duì)講機(jī)主動(dòng)輻射能量，而電視、電腦和膝上型電腦則不應(yīng)該輻射能量。
產(chǎn)品的種類和測試機(jī)構(gòu)不同，EMI/EMC的測試要求也不同。但還是可以將EMI/EMC測試大致分為兩類：
- 輻射：該測試限定了某產(chǎn)品輻射或傳導(dǎo)的信號(hào)幅度和頻率，從而使其不會(huì)對(duì)其它產(chǎn)品產(chǎn)生干擾。
- 敏感度(也稱為抗擾度)：該測試通過限定會(huì)干擾設(shè)備正常工作的輻射和傳導(dǎo)信號(hào)的幅度和頻率，說明產(chǎn)品的輻射抑制能力。
如上所述，EMI可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。由于所有的EMI輻射都是由電流產(chǎn)生的，因此這兩種干擾彼此相關(guān)。但并不是所有的電流都會(huì)產(chǎn)生輻射。因此，首先要分析和抑制輻射干擾問題，然后再處理傳導(dǎo)干擾問題。對(duì)于這兩種干擾來說，輻射干擾更難預(yù)測和抑制。因此它是造成大多數(shù)非主動(dòng)輻射產(chǎn)品EMI測試失敗的主要原因。在此，我們將著重討論如何解決眾多產(chǎn)品中普遍存在的音頻/視頻接口的輻射干擾問題。
可以采用多種方法來滿足EMI/EMC規(guī)則中所限定的條件。但這些方法大都可以歸入屏蔽和濾波兩大類。在實(shí)際產(chǎn)品中，這些方法都要與特定的應(yīng)用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全面的EMI解決方案。例如，在大多數(shù)產(chǎn)品中，都會(huì)用一個(gè)金屬殼體來屏蔽輻射，同時(shí)利用L-C或R-C濾波器來降低輸入/輸出線的傳導(dǎo)干擾。此外，還可以使用一個(gè)抖動(dòng)時(shí)鐘來擴(kuò)展頻譜范圍，以降低特定應(yīng)用的濾波或屏蔽要求。
當(dāng)產(chǎn)品的EMI性能基本達(dá)到要求時(shí)，都會(huì)被拿到認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行正規(guī)測試。如果產(chǎn)品通過了測試，就可以投放市場；而不能通過測試就意味著存在問題。解決問題時(shí)，即使一個(gè)小小的改動(dòng)也要花費(fèi)很長時(shí)間。這樣就可能耽誤產(chǎn)品的上市時(shí)間，因?yàn)閲H和國內(nèi)市場都要求產(chǎn)品必須通過EMI/EMC兼容性測試1。這樣一來，EMI設(shè)計(jì)常常要犧牲產(chǎn)品的視頻性能，以確保其通過測試。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，需要考慮通過EMI測試所需要的元器件的物理尺寸和成本，因此更會(huì)以犧牲視頻性能作為代價(jià)。
現(xiàn)代音頻/視頻模擬接口的尺寸不斷減小，而性能期望值卻很高，這對(duì)設(shè)計(jì)提出了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要解決這一問題，首先要找出大多數(shù)EMI/EMC測試失敗的源頭；然后再探究可行的解決方案。
測試失敗的源頭
EMI/EMC測試失敗通常發(fā)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最薄弱的環(huán)節(jié)—信號(hào)(和干擾)從這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)入或離開經(jīng)過屏蔽和濾波的機(jī)構(gòu)。在音頻/視頻接口中，最薄弱的地方就是連接設(shè)備的電纜，它們相當(dāng)于天線。對(duì)于電腦來說，將顯示器和揚(yáng)聲器連接至PC的電纜是最薄弱的環(huán)節(jié)，它常常會(huì)引起EMI/EMC問題。我們可能會(huì)認(rèn)為只有高帶寬的視頻接口才會(huì)產(chǎn)生這種問題，而低頻音頻接口不會(huì)有這種問題。所有放大器都采用A類音頻放大器時(shí)確實(shí)是這樣。然而，目前所采用的高效D類放大器2都具有高頻開關(guān)信號(hào)，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波和屏蔽，也會(huì)存在EMI問題。
過去，可以采用大型外部濾波器和/或屏蔽電纜來解決這些問題。但是這些方法不僅增加了成本，而且還影響了產(chǎn)品性能和增大了產(chǎn)品尺寸。隨著這些產(chǎn)品的尺寸不斷縮小，演變?yōu)楫?dāng)前的音頻/視頻播放器，EMI/EMC解決方案必須在保持甚至改善系統(tǒng)性能的同時(shí)減小產(chǎn)品尺寸。為實(shí)現(xiàn)這一目的，開發(fā)出了諸如MAX9511圖形視頻接口和MAX9705 D類音頻放大器等小型器件，這些器件能夠提供優(yōu)異的EMI性能。為了展示這種改進(jìn)是如何實(shí)現(xiàn)的，可以考察一臺(tái)普通PC的音頻和顯示器接口3，以及這些纖巧的器件所提供的EMI性能。首先，我們應(yīng)該了解音頻/視頻接口設(shè)計(jì)中必須解決的各種EMI問題，然后給出解決這些問題的方法。
視頻和EMI
計(jì)算機(jī)普遍采用的視頻格式，也就是我們所說的“圖形”，和電視的視頻形式是不一樣的4。計(jì)算機(jī)視頻具有紅、綠和藍(lán)色(R, G, B)模擬視頻信號(hào)，以及包括行、場同步和DDC5組成的邏輯信號(hào)，所有這些信號(hào)都具有快速上升/下降時(shí)間。視頻連接器通常采用高密度超微D型連接器，用來連接顯示器和PC (圖1)。雖然這個(gè)方案結(jié)合了視頻信號(hào)屏蔽(同軸)和共模扼流圈(CMC)等措施來降低輻射和傳導(dǎo)EMI，但還是需要增加濾波環(huán)節(jié)，才能夠確保滿足EMI要求。在廣播視頻應(yīng)用中，采用類似的濾波措施來消除電視圖像中的混疊瑕疵。然而在圖形視頻中卻不能這么做，因?yàn)閳D形視頻的目的是在盡可能高的分辨率下重現(xiàn)“開”“關(guān)”像素的棋盤狀圖案。因此，為實(shí)現(xiàn)最佳的顯示性能，我們希望帶寬越大越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，必須權(quán)衡考慮EMI和視頻性能，因此只好犧牲視頻帶寬。對(duì)于多信號(hào)視頻接口，多種因素需要權(quán)衡考慮。
圖1. 典型的VGA連接方式以及產(chǎn)生輻射EMI的視頻信號(hào)
例如，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)，會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，而如果各視頻通道(R、G和B)的延遲時(shí)間不能精密匹配，就會(huì)產(chǎn)生彩色邊緣效應(yīng)。為了避免這一現(xiàn)象，必須精密控制視頻通道的群延遲和群延遲匹配6。RGB視頻極容易受到這些參數(shù)的影響7。若要獲得最佳性能，群延遲必須與頻率保持一致，通道之間的最小群延遲匹配必須保持在±0.5個(gè)像素時(shí)間之內(nèi)。如果匹配能如此精密，那么同步信號(hào)也必須跟蹤通道延遲，從而正確地顯示圖像幀。做到了這一點(diǎn)后，還需要解決PC支持的多視頻分辨率問題。
在此應(yīng)用中，采用固定頻率濾波器實(shí)現(xiàn)最佳性能是非常困難的。如果我們?cè)O(shè)計(jì)一款濾波器來抑制最低分辨率情況下的EMI，濾波器的阻帶會(huì)介入較高分辨率格式的信號(hào)帶寬內(nèi)，從而影響較高分辨率的視頻性能。如果針對(duì)最高分辨率格式設(shè)計(jì)濾波器，就可能滿足不了EMI要求。顯然，最佳的解決方案就是采用一個(gè)頻率響應(yīng)能夠跟蹤顯示分辨率的“可調(diào)”濾波器，但這種方法會(huì)增加成本，而且還可能增大產(chǎn)品尺寸。另外，同步和DDC驅(qū)動(dòng)器的快速上升/下降時(shí)間對(duì)EMI性能的影響也很重要。因此，在任何一個(gè)完整的EMI方案中，都必須包括能延緩這些上升/下降時(shí)間的方法。還有一些歷史遺留問題，諸如為了滿足即插即用要求的視頻DAC負(fù)載檢測功能。
MAX95118可以實(shí)現(xiàn)所有這些功能。如圖2所示，分別給出了高分辨率圖形卡輸出采用MAX9511，采用L-C濾波器方案，以及無濾波原始輸出的EMI特性。
EMI is shown a) without filtering, b) with a passive LC filter, and c) with the MAX9511." height="668" src="http://files.chinaaet.com/images/20100812/aeda27a1-afd4-4255-873d-fd833ae9fd83.jpg" width="458" />
圖2. 三種情況下輻射的EMI: a) 無濾波，b) 采用無源LC濾波器，c) 采用MAX9511
完備的EMI解決方案(MAX9511)
圖3所示的MAX9511圖形視頻接口為RGB視頻提供了一個(gè)匹配的、三通道可調(diào)EMI濾波器，分辨率范圍涵蓋VGA至UXGA，通道間偏斜誤差小于0.5ns。通過改變單個(gè)電阻(Rx)的阻值來實(shí)現(xiàn)擺率調(diào)整功能。對(duì)應(yīng)不同的VESA分辨率及其采樣時(shí)鐘范圍，表1列出了阻值與擺率之間的關(guān)系。在圖4的電路中，通過I2C控制的電位器MAX54329可提供32級(jí)濾波器控制。然而，從表1可以看出，在大多數(shù)應(yīng)用中僅需要3級(jí)或4級(jí)控制。在最終的EMI/EMC測試中，無需任何機(jī)械或電氣更改，就可以改善一個(gè)產(chǎn)品的EMI性能。
圖3. 具有EMI抑制功能的MAX9511 VGA接口
圖4. MAX9511驅(qū)動(dòng)多路輸出。通過MAX5432 I2C數(shù)字電位器控制可調(diào)濾波。
表1. MAX9511的擺率、帶寬以及Rx電阻值
Rx (k ) |
|
||
| Slew Rate (V/ms) | Pixel Clock Frequency (MHz) | VESA Resolution | |
| 7 | 1408 | 160 to 230 | UXGA (1600 x 1200) |
| 10 | 1255 | 160 to 230 | UXGA (1600 x 1200) |
| 12 | 1050 | 100 to 150 | SXGA (1280 x 1024) |
| 15 | 810 | 100 to 150 | SXGA (1280 x 1024) |
| 20 | 613 | 45 to 95 | XGA (1024 x 768) |
| 25 | 470 | 45 to 95 | XGA (1024 x 768) |
| 30 | 368 | 45 to 95 | XGA (1024 x 768) |
| 35 | 298 | 35 to 50 | XGA (1024 x 768) |
| 40 | 255 | 35 to 50 | SVGA (800 x 600) |
| 45 | 203 | 35 to 50 | SVGA (800 x 600) |
| 50 | 158 | 25 to 30 | VGA (640 x 480) |
| > 50 | < 150 | < 25 | QCIF |
RGB視頻輸出為低阻抗(ZOUT < 1
)，加上75的反向端接電阻后，可在遠(yuǎn)程監(jiān)視器和塢站之間提供45dB至50dB的隔離。以前，采用這種方法驅(qū)動(dòng)兩路不同的輸出時(shí)，需要一個(gè)開關(guān)，以避免L-C濾波器輸出連接較長的未端接分支。如圖4所示，可以看出MAX9511是如何檢測輸出負(fù)載的，輸出負(fù)載連接與否會(huì)使輸入端的DAC端接阻抗產(chǎn)生的明顯變化。驅(qū)動(dòng)RGB輸入的視頻控制器能檢測到這種阻抗變化，如果未接負(fù)載，則通過關(guān)斷引腳來關(guān)閉視頻輸出和同步輸出。DDC一直處于常開狀態(tài)，以支持即插即用，驅(qū)動(dòng)器還具有電平轉(zhuǎn)換功能，可將低壓控制器電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的5V接口電平。同步驅(qū)動(dòng)器具有50 (典型)輸出阻抗，可采用外部電容來限制邊沿?cái)[率(圖4)。同步抖動(dòng)(不加電容情況下)一般小于0.5ns。視頻性能還包括：+6dB增益，50dB的SNR，0.036%的線性誤差和小于1%的過沖/下沖(具有出色的阻尼響應(yīng)特性)。
音頻和EMI
音頻接口要在不產(chǎn)生EMI的情況下獲得效率和性能，要解決一系列不同的問題。在便攜式應(yīng)用中，我們想要最大限度延長電池壽命，而不期望效率低下的設(shè)計(jì)產(chǎn)生熱量，因此D類放大器得到了廣泛應(yīng)用。問題是D類放大器使用PWM來實(shí)現(xiàn)高效率，這與開關(guān)電源很相似。使用非屏蔽揚(yáng)聲器連線接至輸出端時(shí)，連線會(huì)像天線一樣輻射EMI。盡管時(shí)鐘頻率(典型值為300kHz至1MHz)高于音頻頻譜，但它是一個(gè)具有大量諧波分量的方波。用來濾除該諧波分量的濾波器尺寸比較大，而且成本又高。在膝上型電腦等便攜應(yīng)用中，由于尺寸原因，這不是一個(gè)可行的解決方案10。
一般的設(shè)計(jì)拓?fù)錈o法同時(shí)解決這兩個(gè)問題。為使輸出音頻功率達(dá)到最大，便攜式應(yīng)用采用橋接負(fù)載(BTL)的連接方式，此時(shí)揚(yáng)聲器的兩根連線都得到有效驅(qū)動(dòng)(圖5)。在D類放大器中，利用比較器監(jiān)視模擬輸入電壓，將輸入電壓與一個(gè)三角波進(jìn)行比較。當(dāng)三角波的幅度高于音頻輸入電壓時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，同時(shí)反相器產(chǎn)生互補(bǔ)的PWM波型來驅(qū)動(dòng)BTL輸出級(jí)的另一側(cè)。由于采用了這種BTL拓?fù)洌敵鰹V波器實(shí)際上需要兩倍于單端音頻輸出的元件數(shù)量：兩個(gè)電感(L1和L2)和兩個(gè)電容(C1和C2)。這兩個(gè)電感需要處理峰值輸出電流，因此尺寸都比較大，并占據(jù)了大部分空間。
圖5. 典型的Maxim D類音頻放大器所采用的有源輻射限制技術(shù)。
D類放大器可利用揚(yáng)聲器的線圈電感和分立電容構(gòu)成濾波器，從而省掉額外的濾波器。由于揚(yáng)聲器連線仍會(huì)輻射相當(dāng)數(shù)量的能量，這種方式僅限于內(nèi)部揚(yáng)聲器。有一種做法就是改變開關(guān)過程，使得放大器保持高效的同時(shí)又能減少EMI，從而只需要一個(gè)小型濾波器。要實(shí)現(xiàn)這一目的，可以調(diào)制時(shí)鐘頻率，以降低基于每赫茲帶寬的能量11。這種方法稱為時(shí)鐘擴(kuò)譜調(diào)制12，或時(shí)鐘頻率抖動(dòng)。然而，頻譜擴(kuò)展的有效性是有一定范圍的。圖6所示的典型輻射頻譜說明了這種技術(shù)的效果。
圖6. 采用MAX9705EVKIT (12英寸長的非屏蔽雙絞線)得到的MAX9705輻射數(shù)據(jù)，展示了擴(kuò)譜調(diào)制的作用。
對(duì)于只提供擴(kuò)譜調(diào)制功能的器件，當(dāng)輸出功率高于數(shù)百毫瓦時(shí)，超過幾英寸長的揚(yáng)聲器連線就會(huì)輻射太多的能量。此時(shí)增加時(shí)鐘頻率也于事無補(bǔ)，隨著頻率的升高，D類放大器的輸出頻譜會(huì)降低。然而，揚(yáng)聲器的連線會(huì)變得像天線一樣高效，從而抵消了任何性能上的改善。為進(jìn)一步改善EMI性能，就要求改變D類放大器自身所采用的PWM波形。可采用一種稱為有源輻射限制的特定方法來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
有源輻射限制電路設(shè)置放大器的最小脈寬，而圖5中的設(shè)計(jì)不對(duì)最大邊界進(jìn)行限制。再結(jié)合交叉切換、上升/下降時(shí)間以及時(shí)鐘頻率的控制，則可以將工作過程中產(chǎn)生13的功率譜限制在一個(gè)給定的輸出功率電平下。這樣做的目的就是將頻譜降低到某一水平，使得設(shè)備在無任何外部濾波以及接有長達(dá)24in外部揚(yáng)聲器連線的情況下，其EMI特性仍能滿足輻射限制要求。
我們還希望能夠獲得良好的音頻性能，為此需要大于2W的峰值功率輸出。與此同時(shí)，還希望發(fā)熱最小和最大限度延長電池壽命。因此，需要設(shè)備在低壓單電源下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)具有適合耳機(jī)應(yīng)用的低功耗關(guān)斷模式。THD+N必須很低，SNR必須很高，要具有咔嗒聲抑制功能，輸入必須能與單端或差分輸入相兼容。MAX9705不但能夠完成以上任務(wù)，還具有更多功能，從下文中會(huì)看到這一點(diǎn)。
有源輻射限制(MAX9705)
Maxim公司D類放大器所采用的有源輻射限制技術(shù)如圖7所示。從該圖中不能清楚地看出開關(guān)是如何操作的。通過驅(qū)動(dòng)電路的精心設(shè)計(jì)和零死區(qū)時(shí)間控制，MAX9705 D類放大器的效率可超過85%。獨(dú)特、專有的擴(kuò)譜調(diào)制模式展平了頻譜分量，降低了連接電纜和揚(yáng)聲器產(chǎn)生的EMI輻射。在立體聲或多聲道應(yīng)用中，同步輸入可將所有放大器的時(shí)鐘頻率鎖定在800kHz至2MHz通用時(shí)鐘范圍內(nèi)，從而最大程度地降低互調(diào)，否則多個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘源會(huì)產(chǎn)生互調(diào)。Maxim公司的D類音頻放大器結(jié)合了兩項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù)：擴(kuò)譜調(diào)制和有源輻射限制。可以在“無濾波器”的情況下連接長達(dá)24in非屏蔽揚(yáng)聲器連線，而輻射干擾仍然保持在FCC第15部分規(guī)定的EMI限制范圍之內(nèi)(圖8)。
圖7. MAX9705 D類放大器內(nèi)部產(chǎn)生鋸齒波，并提供差分輸入。如果使用單端輸入，可由內(nèi)部產(chǎn)生差分輸入。
圖8. 擴(kuò)譜調(diào)制模式下，MAX9705連接24in非屏蔽雙絞線時(shí)的輻射數(shù)據(jù)
除了EMI之外，音頻性能同樣非常出色，THD+D在1W時(shí)為0.02%，在2.3W時(shí)增至1%，SNR為90dB。輸入可以是差分輸入，也可以是單端輸入，提供+6dB、+12dB、+15.6dB或+20dB固定增益，可滿足任何應(yīng)用(圖7)。關(guān)斷模式下功耗降至最低。此外，同步輸入允許MAX9705提供單聲道、立體聲或者多聲道高性能音頻，在連接外部揚(yáng)聲器而無濾波器的情況下仍能滿足EMI輻射要求。
結(jié)語
MAX9511和MAX9705代表了EMI/EMC控制的先進(jìn)技術(shù)。將這些器件應(yīng)用于產(chǎn)品當(dāng)中可以有效降低EMI。不必像以前那樣依靠大尺寸外部濾波器和屏蔽等會(huì)增加成本和尺寸的方法，這些器件采用了當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)，有效保證了電磁兼容性和性能。
References
- 美國的FCC第15部分、日本的VCCI以及歐洲的EN55000都要求符合EMI/EMC規(guī)定。
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- 應(yīng)用筆記1760: "Class D Audio Amplifiers Save Battery Life"
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- "Spread Spectrum Systems," R.C. Dixon., J. Wiley & Sons, 1976.
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