音頻/視頻接口的EMI/EMC抑制

摘要：過去，可以采用大型外部濾波器和屏蔽電纜來解決音頻/視頻產(chǎn)品的EMI/EMC (電磁干擾或電磁兼容性)問題。這些方法不僅增加了成本，而且還會影響終端產(chǎn)品的性能并增大尺寸。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解決方案也必須在保持甚至改善系統(tǒng)性能的同時減小方案尺寸。為實現(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，這些器件能夠以更小的尺寸提供優(yōu)異的EMI性能。為了說明這種性能改進(jìn)是如何實現(xiàn)的，我們來考察一臺普通電腦的音頻和顯示器接口，以了解這些小尺寸器件所提供的EMI性能。本文討論了音頻/視頻接口設(shè)計中必須解決的各種EMI問題，然后給出解決這些問題的方法。

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，證明它們不會產(chǎn)生干擾，或不會受到其他設(shè)備的干擾。出于測試目的，可將這些產(chǎn)品分成兩類：主動輻射產(chǎn)品和非主動輻射產(chǎn)品，例如，蜂窩電話和對講機(jī)主動輻射能量，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)的信號幅度和頻率，從而使其不會對其它產(chǎn)品產(chǎn)生干擾。
• 敏感度(也稱為抗擾度)：該測試通過限定會干擾設(shè)備正常工作的輻射和傳導(dǎo)信號的幅度和頻率，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。在實際產(chǎn)品中，這些方法都要與特定的應(yīng)用相結(jié)合，實現(xiàn)全面的EMI解決方案。例如，在大多數(shù)產(chǎn)品中，都會用一個金屬殼體來屏蔽輻射，同時利用L-C或R-C濾波器來降低輸入/輸出線的傳導(dǎo)干擾。此外，還可以使用一個抖動時鐘來擴(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，都會被拿到認(rèn)證實驗室進(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，即使一個小小的改動也要花費很長時間。這樣就可能耽誤產(chǎn)品的上市時間，因為國際和國內(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，因此更會以犧牲視頻性能作為代價。

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，這對設(shè)計提出了非常嚴(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)計中最薄弱的環(huán)節(jié)—信號(和干擾)從這個環(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。對于電腦來說，將顯示器和揚聲器連接至PC的電纜是最薄弱的環(huán)節(jié)，它常常會引起EMI/EMC問題。我們可能會認(rèn)為只有高帶寬的視頻接口才會產(chǎn)生這種問題，而低頻音頻接口不會有這種問題。所有放大器都采用A類音頻放大器時確實是這樣。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，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波和屏蔽，也會存在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)性能的同時減小產(chǎn)品尺寸。為實現(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)是如何實現(xiàn)的，可以考察一臺普通PC的音頻和顯示器接口73，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。計算機(jī)視頻具有紅、綠和藍(lán)色(R、G、B)模擬視頻信號，以及包括行、場同步和DDC5組成的邏輯信號，所有這些信號都具有快速上升/下降時間。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)。雖然這個方案結(jié)合了視頻信號屏蔽(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，因為圖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，為實現(xiàn)最佳的顯示性能，我們希望帶寬越大越好。但在實際應(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。對于多信號視頻接口，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

例如，對視頻信號進(jìn)行濾波時，會產(chǎn)生時間延遲，而如果各視頻通道(R、G和B)的延遲時間不能精密匹配，就會產(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個像素時間之內(nèi)。如果匹配能如此精密，那么同步信號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現(xiàn)最佳性能是非常困難的。如果我們設(shè)計一款濾波器來抑制最低分辨率情況下的EMI，濾波器的阻帶會介入較高分辨率格式的信號帶寬內(nèi)，從而影響較高分辨率的視頻性能。如果針對最高分辨率格式設(shè)計濾波器，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)動器的快速上升/下降時間對EMI性能的影響也很重要。因此，在任何一個完整的EMI方案中，都必須包括能延緩這些上升/下降時間的方法。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。


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。通過改變單個電阻(Rx)的阻值來實現(xiàn)擺率調(diào)整功能。對應(yīng)不同的VESA分辨率及其采樣時鐘范圍，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級或4級控制。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 (kΩ)	MAX9511 Slew Rate vs. Rx
	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 < 1Ω)，加上75Ω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)動兩路不同的輸出時，需要一個開關(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)載連接與否會使輸入端的DAC端接阻抗產(chǎn)生的明顯變化。驅(qū)動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)動器具有50Ω (典型)輸出阻抗，可采用外部電容來限制邊沿擺率(圖4)。同步抖動(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來實現(xiàn)高效率，這與開關(guān)電源很相似。使用非屏蔽揚聲器連線接至輸出端時，連線會像天線一樣輻射EMI。盡管時鐘頻率(典型值為300kHz至1MHz)高于音頻頻譜，但它是一個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，這不是一個可行的解決方案10。

一般的設(shè)計拓?fù)錈o法同時解決這兩個問題。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，此時揚聲器的兩根連線都得到有效驅(qū)動(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，比較器翻轉(zhuǎn)，同時反相器產(chǎn)生互補(bǔ)的PWM波型來驅(qū)動BTL輸出級的另一側(cè)。由于采用了這種BTL拓?fù)洌敵鰹V波器實際上需要兩倍于單端音頻輸出的元件數(shù)量：兩個電感(L1和L2)和兩個電容(C1和C2)。這兩個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。由于揚聲器連線仍會輻射相當(dāng)數(shù)量的能量，這種方式僅限于內(nèi)部揚聲器。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又能減少EMI，從而只需要一個小型濾波器。要實現(xiàn)這一目的，可以調(diào)制時鐘頻率，以降低基于每赫茲帶寬的能量11。這種方法稱為時鐘擴(kuò)譜調(diào)制12，或時鐘頻率抖動。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，超過幾英寸長的揚聲器連線就會輻射太多的能量。此時增加時鐘頻率也于事無補(bǔ)，隨著頻率的升高，D類放大器的輸出頻譜會降低。然而，揚聲器的連線會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?？刹捎靡环N稱為有源輻射限制的特定方法來實現(xiàn)這一點。

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)計不對最大邊界進(jìn)行限制。再結(jié)合交叉切換、上升/下降時間以及時鐘頻率的控制，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，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現(xiàn)高效率，同時具有適合耳機(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，從下文中會看到這一點。

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)動電路的精心設(shè)計和零死區(qū)時間控制，MAX9705 D類放大器的效率可超過85%。獨特、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鐘頻率鎖定在800kHz至2MHz通用時鐘范圍內(nèi)，從而最大程度地降低互調(diào)，否則多個獨立時鐘源會產(chǎn)生互調(diào)。Maxim公司的D類音頻放大器結(jié)合了兩項獨特的技術(shù)：擴(kuò)譜調(diào)制和有源輻射限制?？梢栽凇盁o濾波器”的情況下連接長達(dá)24in非屏蔽揚聲器連線，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時為0.02%，在2.3W時增至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。