音频/视频接口EMI/EMC抑制电磁兼容测试实验室

过去，大型外部滤波器和屏蔽电缆是解决音频/视频产品中的 EMI/EMC（电磁干扰或电磁兼容性）的公认方法。这些方法增加了成本，对性能产生了不利影响，并增加了终产品的尺寸。随着这些产品的尺寸缩小并演变成现代音频/视频播放器，解决方案也不得不缩小尺寸，同时保持甚至提高性能。

介绍

所有在全球销售的电子产品在出售前都经过 EMI/EMC（电磁干扰/电磁兼容性）测试，以证明它们不会产生干扰，也不会受到其他设备的干扰。出于测试目的，产品分为两类：有意散热器和无意散热器。例如，手机和对讲机故意辐射能量，而电视、PC 或笔记本电脑则不应。

根据产品类别和涉及的机构，EMI/EMC 要求会有所不同。无论如何，EMI/EMC 测试分为两大类：

1.发射这限制了产品可以辐射或传导的幅度和频率，以便该设备不会干扰其他设备。

2.敏感性（也称为抗扰度）此测试类别通过限制可能干扰产品的辐射和传导信号的幅度和频率来补充辐射要求。

如上所述，设备发出 EMI 的两种方式是传导和辐射。这些是相关的，因为所有辐射 EMI 都是由电流引起的。然而，并非所有电流都会引起辐射。因此，在传导干扰问题之前调查和抑制辐射干扰问题。在这两者中，辐射更难以预测和抑制。因此，它会导致意外散热器产品类别中的大多数意外 EMI 测试失败。我们将集中精力解决很多产品中音视频接口的辐射问题。

您可以使用多种方法来满足 EMI/EMC 法规中规定的限制。然而，这些方法往往属于屏蔽和过滤的一般类别。在实际操作中，这些与特定应用的方法相结合，以实现整体 EMI 解决方案。例如，在大多数产品中，金属底盘用作辐射屏蔽，而 LC 或 RC 滤波器可减少输入/输出线上的传导干扰。此外，我们可能会抖动时钟以扩展其频谱并减少特定应用中所需的过滤或屏蔽量。

当性能足够时，产品将在经批准的实验室进行正式测试。如果通过，就可以上市；然而，失败是一个问题。即使是纠正问题的小改动也需要时间来实施。这可能会延迟推出，因为所有国际和都必须通过 EMI/EMC 合规性测试。¹ 因此，EMI 设计通常会降低视频性能以确保产品通过这些测试。在现代设计中，通过 EMI 测试所需部件的尺寸和成本加剧了这种视频质量下降。

这种设计挑战对于现代音频/视频模拟接口来说尤其如此，因为它具有更小的产品尺寸和更高的性能期望。解决此问题的步是找出大多数 EMI/EMC 故障发生的位置，然后研究可能的解决方案。

故障发生的地方

      EMI/EMC 故障发生在产品设计的薄弱点——在这种情况下，信号（和干扰）进入或离开屏蔽和过滤结构。在音频/视频接口中，这些是连接设备并充当天线的电缆。具体而言，将显示器和扬声器连接到 PC 的电缆特别容易受到攻击，并且经常导致 EMI/EMC 问题。尽管由于涉及的带宽很大，我们可能会期望视频会出现这种情况，但音频是低频的并且似乎是良性的。所有音频放大器都是 A 类时就是这种情况。但是，使用的高效 D 类放大器具有高频开关信号，如果没有正确过滤和屏蔽，可能会出现 EMI 问题。

过去，使用大型外部滤波器和/或屏蔽电缆是解决这些问题的公认方法。这些方法增加了成本，对性能产生不利影响，并增加了产品尺寸。随着这些产品变得越来越小并演变成当今的音频/视频播放器，EMI/EMC 解决方案不得不减小尺寸，同时保持甚至提高性能。为实现这一目标，MAX9511 图形视频接口和 MAX9705 D 类音频放大器等小型设备已被开发出来，以提供出色的 EMI 性能。为了说明这是如何完成的，我们将查看典型 PC 的音频和显示接口，以及这些设备尽管尺寸很小但可达到的 EMI 性能。

视频和电磁干扰

      所有计算机都使用一种视频形式，称为“图形”，与电视不同。4计算机视频具有红色、绿色和蓝色（R、G、B）模拟视频信号和由水平和垂直同步和 DDC 组成的独立逻辑信号，5所有这些信号都具有快速的上升/下降时间。视频连接器通常是一种高密度的 D 型超小型连接器，可将显示器连接到 PC（图 1）。虽然这结合了视频信号的屏蔽（同轴电缆）和共模扼流圈 (CMC) 以减少辐射和传导 EMI，但仍需要额外的滤波以确保满足 EMI 要求。

在广播视频应用中，类似的过滤用于从电视中的视频中去除混叠伪影。然而，这不是在图形视频中完成的，而是以尽可能高分辨率再现“开”和“关”像素的棋盘图案。因此，为了获得佳显示性能，我们需要尽可能大的带宽。然而，实际上，EMI 和视频性能需要权衡，视频带宽会因此受到影响。这种权衡发生的原因有几个是多信号视频接口独有的。

图 1. 典型的 VGA 连接显示了会导致辐射 EMI 的视频信号。

例如，当您过滤视频信号时，如果各个视频通道（R、G 和 B）的时序不紧密匹配，则会引入时间延迟，从而导致图像边缘出现“边缘”等问题。为了避免这种情况，必须严密控制群延迟和群延迟匹配通道6。RGB 视频特别容易受到这两个参数的影响。7为了获得佳性能，群延迟必须随频率保持恒定，并且通道之间必须保持 ±0.5 像素时间的小群延迟匹配。假设它们非常匹配，同步信号还必须跟踪通道延迟以正确地构图图像。如果这样做，我们就需要解决有关 PC 能够支持的多种视频分辨率的问题。

在此应用中，使用固定频率滤波器优化性能非常困难。如果我们设计一个滤波器来抑制低分辨率的 EMI，滤波器的阻带可能会侵入更高分辨率格式的信号带宽，从而影响其性能。为高分辨率设计，您可能无法满足 EMI 要求。显然，好的解决方案是“可调谐”滤波器，其频率响应可跟踪所使用的显示分辨率，但这种方法会增加成本并可能增加尺寸。其次，但对 EMI 性能仍然很重要的是同步和 DDC 驱动器的快速上升/下降时间。设计人员必须在任何完整的 EMI 解决方案中包括一种过滤这些上升/下降时间的方法。还有一些遗留问题，如视频 DAC 负载检测，以满足即插即用的要求。

MAX9511 8执行所有这些功能。图 2显示了使用 MAX9511 的高分辨率图形板输出与 LC 滤波器和原始输出的典型前后性能对比。

图 2. 辐射 EMI：a) 无滤波，b) 无源 LC 滤波器，c) MAX9511。

完整的 EMI 解决方案 (MAX9511)

图 3 所示的 MAX9511 图形视频接口为 RGB 视频提供匹配的、三通道、可调谐 EMI 滤波器，适用于 VGA 至 UXGA 分辨率范围，通道间偏移误差小于 0.5ns。调谐是通过改变单个电阻器 (R x ) 来完成的。表 1显示了不同 VESA 分辨率及其采样时钟范围的电阻值与压摆率的关系。在图 4示例中，MAX54329 I²C‡ 控制的电位计提供 32 个单独的滤波器控制步长。但是，从表 1 中可以看出，在大多数应用中只需要三个或四个级别。这允许在终 EMI/EMC 测试期间修改产品的 EMI 配置文件，而无需进行任何机械或电气更改。

图 3. MAX9511 VGA 接口具有 EMI抑制功能。

图 4. MAX9511 驱动多个输出。可调滤波由 MAX5432 I²C 可调数字电位器控制。

表 1. MAX9511 的压摆率、带宽和 Rx 值

RGB 视频输出为低阻抗 (Z OUT< 1Ω) 并且使用 75Ω 后端终端，在远程监视器和扩展坞之间提供 45dB 到 50dB 的隔离。以前，以这种方式驱动两个不同的输出需要一个开关，以避免将长的、未端接的短截线连接到 LC 滤波器的输出。图 4 显示了如何检测输出负载并将其作为 DAC 终端阻抗的明显变化反映到输入。驱动 RGB 输入的视频控制器可以检测到这一点，如果没有负载，则通过关断引脚关断视频和同步输出。

DDC 始终开启以支持即插即用应用，驱动器具有电压电平转换功能，可将低压控制器电平转换为标准 5V 接口电平。同步驱动器具有 50W（典型值）的输出阻抗，可配置为使用单个外部电容器过滤边沿（图 4）。同步抖动（无任何电容器）通常小于 0.5ns。视频性能包括 +6dB 的增益和 50dB 的 SNR、0.036% 的线性误差和 < 1% 的过冲/下冲以及良好的阻尼响应。

音频和电磁干扰

音频在不引起 EMI 的情况下实现效率和性能有一系列不同的问题。在便携式应用中，我们希望大限度地延长电池寿命，并且不希望因设计效率低下而产生热量，因此 D 类音频放大器被广泛使用。D 类放大器的问题在于它们使用 PWM 来获得高效率，就像开关电源一样。将未屏蔽的扬声器线连接到输出端会导致它们充当天线并辐射 EMI。尽管时钟频率高于音频频谱，通常为 300kHz 至 1MHz，但它是具有相当大谐波含量的方波。能够去除这种谐波成分的滤波器体积庞大且价格昂贵。在便携式应用（如笔记本电脑）中，仅由于尺寸的原因，这不是一种选择。

典型的设计拓扑也无济于事。为了大限度地提高输出音频功率，便携式应用使用称为桥接负载 (BTL) 的输出连接，其中两条扬声器线都被主动驱动（图 5）。对于 D 类，比较器监视模拟输入电压并将其与三角时钟波形进行比较。当三角波的输入幅度超过音频输入电压时，比较器跳闸，反相器产生互补 PWM 波形来驱动 BTL 输出级的另一侧。由于这种 BTL 拓扑，输出滤波器实际上需要两倍于单端音频输出的部件：两个电感器（L1 和 L2）和两个电容器（C1 和 C2）。因为电感器需要处理峰值输出电流，所以它们很大并且占据大部分空间。

图 5. 典型的 Maxim D 类音频放大器中显示了有源辐射限制技术。

通过使用扬声器音圈电感和分立电容器来实现滤波器，可以使 D 类放大器看起来在没有滤波器的情况下运行。但是，您只能使用内置扬声器，因为电线仍会辐射大量能量。另一种方法是修改开关过程，使放大器保持高效率，但电磁干扰较小，因此需要较小的滤波器。一种方法是调制时钟频率以减少每赫兹的能量。11这称为扩频调制，12或时钟频率的抖动。然而，在回报开始减少之前，频谱只能扩展到这么远。图 6显示了该技术对典型排放曲线的影响。

图 6. MAX9705 辐射发射数据，使用 MAX9705EVKIT（12 英寸，非屏蔽双绞线）获得，显示了扩频调制的效果。

在单独使用扩频调制的部件中，长度超过几英寸的扬声器线会在超过几百毫瓦的输出功率时辐射过多的能量。增加时钟频率无济于事，因为随着频率的增加，D 类放大器的输出频谱会下降。然而，扬声器线作为天线变得更有效率，有效地抵消了性能的任何改进。为了进一步改善 EMI，需要修改 D 类放大器本身使用的 PWM 波形。这是使用称为主动排放限制的特定于应用程序的方法来完成的。

有源辐射限制电路设置放大器中的小脉冲宽度，这在图 5 所示的设计中不受限制。再加上对重叠、上升/下降时间和时钟频率的控制，这限制了该过程引起的功率谱13对于给定的输出功率水平。目标是将频谱降低到这样一个水平，即该部件无需任何外部滤波即可使用长达 24 英寸的外部扬声器线运行，并且仍能满足辐射发射限制。

我们还需要音频性能，为此我们需要 > 2W 的峰值功率输出。同时，我们希望大限度地减少热量并大限度地延长电池寿命。因此，我们希望在低电压单电源和低功耗关断模式下工作时具有高效率，以供耳机使用。THD+N 必须低，SNR 应该高并具有咔嗒声抑制，并且输入必须与单端或差分输入兼容。MAX9705 可以完成这些甚至更多的任务，我们将在下面看到。

有源辐射限制 (MAX9705)

Maxim D类放大器中用于有源辐射限制的技术如图7所示. 从该图中不明显的是切换是如何完成的。通过精心定制驱动和使用零死区时间控制，MAX9705 D类放大器的效率> 85%。独特的扩频调制模式使频谱分量变平，减少了电缆和扬声器辐射的 EMI 辐射。对于立体声或多通道操作，同步输入将放大器锁定到 800kHz 至 2MHz 的公共时钟范围，以大限度地减少互调产物，否则会在多个自由运行的源中发生。扩频调制和有源辐射限制这两种独特技术的结合，使Maxim的D类音频放大器能够“无滤波器”运行

图 7. MAX9705 D 类放大器具有内部生成的带差分输入的锯齿波。如果使用单端输入，则内部会产生差分输入。

图 8. MAX9705 辐射发射数据显示为 24 英寸、非屏蔽双绞线在扩频调制模式下。

除了 EMI 之外，音频性能也非常出色，1W 时的 THD+N 为 0.02%，2.3W 时增加到 1%，SNR 为 90dB。输入可以是差分或单端，具有 +6dB、+12dB、+15.6dB 或 +20dB 的固定增益，可用于解决任何应用（图 7）。关机可大限度地降低功耗。此外，同步输入允许 MAX9705 提供单声道、立体声或多声道高性能音频，并且仍然满足外部扬声器的 EMI 辐射要求，但无需滤波器。

结论

MAX9511 和 MAX9705 代表了一种现代的EMI/EMC控制方法。它们积极降低使用它们的产品中的 EMI。它们不像过去那样依赖于成本和尺寸固有的增加的大型外部滤波器和屏蔽，而是使用先进的技术来几乎保证电磁兼容性和性能。