N° d’ordre : ECL 2014-19 Thèse de l’Université de Lyon Délivrée par l’Ecole Centrale de Lyon Spécialité : Energie et Systèmes Soutenue publiquement le 30 Juin 2014 Par Roberto Mrad Préparée aux Laboratoires Ampère et INL Financée par la société ST Microelectronics Conducted EMC Modeling and EMI Filter Design for Integrated Class-D Amplifiers and Power Converters Ecole Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique Jury Rapporteur Flavio Canavero Professeur (Politecnico di Torino) Rapporteur Jean-Luc Schannen Professeur (ENSE3, Grenoble) Examinateur Etienne Sicard Professeur (INSA, Toulouse) Directeur de thèse Christian Vollaire Professeur (Ecole Centrale de Lyon) Encadrant Florent Morel Maitre de conférences (Ecole Centrale de Lyon) Encadrant Gaël Pillonnet Chercheur (CEA, Grenoble) Invité Angelo Nagari Ingénieur (ST Microelectronics, Grenoble) Invité Bertrand Lacombe Ingénieur (SAFRAN Sagem, Massy) Ecole Doctorale de l’Electronique, l’Electrotechnique et de l’Automatique (EEA) Abstract Ecole Centrale de Lyon Doctor of Philosophy Conducted EMC Modeling and EMI Filter Design for Integrated Class-D Amplifiers and Power Converters by Roberto Mrad English: Switching power management circuits are widely used in battery powered em- bedded applications in order to increase their autonomy. In particular, for audio applications, Class-D amplifiers are a widespread industrial solution. These, have a similar architecture of a buck converter but having the audio signal as reference. The switching nature of these devices allows us to increase significantly the power efficiency compared to linear audio amplifiers without reducing the audio quality. However, because of the switching behavior, Class-D amplifiers have high levels of electromagnetic (EM) emissions which can disturb the surrounding electronics or might not comply with electromagnetic compatibility (EMC) standards. To overcome this problem much architecture appeared in the state of the art that reduces the emissions, however, this has never been enough to remove electromag- netic interference (EMI) filters. It is then useful to optimize these filters, thus, it has been set as the goal of this PhD thesis. The latter has been divided to four main axes which can be resumed by the following. First, this work started by developing a frequency domain modeling method in or- der to simulate and predict the EMI of Class-D amplifiers in the final application. The method is based on system to block decomposition and impedance matrix modeling and manipulation. After providing all the theoretical background, the iii methodhasbeenvalidatedonintegrateddifferentialClass-Damplifier. Theexper- imentalmeasurementshavepermittedtovalidatethemethodonlyupto100MHz. However, this is sufficient to cover the conducted EMC frequency band. Second, the EMI at the supply rails of Class-D amplifiers has been treated. As the battery is often the same power supply for all applications in an embedded system, an EMI filter or a decoupling capacitor is needed to prevent the noise coupling by common impedance. Designing this filter needs the knowledge of the battery impedance at the desired frequencies. Therefore the present work dealt also with measuring the high frequency impedance of a battery. Afterwards, an experimentalvalidationhasbeencarriedonwithaDC-DCconverterandaClass-D amplifier. The developed model allows a virtual test of the switching device in the final application. However, it is more useful if the model is able to help the system integrator in designing filters. Thus, third, the model has been implemented in an optimization loop based on a genetic algorithm in order to optimize the filter response, and also, reduce the additional power losses introduced by an EMI filter. The optimization search space has been limited to the components available on the market and the optimization result is given as component references of the optimal filter referring to the optimal solution found. This procedure has been validated experimentally. Finally, EMI filters often are constituted by magnetic components such as fer- rite beads or inductors with magnetic cores. Thus, introducing the EMI filter in the audio path, adds a nonlinear behavior in the audio frequency band. Design- ing a high quality EMI filter require taking into account this phenomenon and studying its impact of the original amplifier audio performance. Therefore, the Jiles-Atherton model for magnetic materials has been used for ferrite bead mod- eling. Hereafter, the impact on the time and frequency domain signals has been simulated and compared to measurements. Finally, the total harmonic distortion (THD) has been computed for different signal amplitudes and compared to the THD measured using an audio analyzer. Accurate results have been obtained on a wide range of signal amplitudes. As a conclusion, this work aimed to design optimal EMI filters for Class-D ampli- fiers. Thus, we dealt with improving their EMI response, reducing their additional power losses and evaluating their impact on the audio quality. iv Fran¸cais: Les convertisseurs de puissance sont largement utilis´es de nos jours dans des ap- plications qui demandent une grande autonomie ´energ´etique, comme par exemple ceux qui sont aliment´es par des batteries. En particulier, les amplificateurs de type Class-D sont fr´equemment utilis´es dans les applications audio. Ces amplifi- cateurs commut´es ont une architecture ressemblante a` celle d’un convertisseur DC-DC, ce qui les permet d’avoir une efficacit´e ´energ´etique ´elev´ee. Cependant, leur inconv´enient majeur est la forte´emission en perturbations´electromagn´etiques (EM). Cela peut causer des probl`emes de conformit´e avec les normes de compati- bilit´e ´electromagn´etique (CEM), ou bien perturb´e le bon fonctionnement des ap- plications ´electroniques qui l’entour. Pour cela, ils existent de nombreuses ´etudes qui permettent de r´eduire les ´emissions d’un amplificateur de Class D. Cepen- dant, cela n’est pas suffisant pour retirer le filtre de CEM. Il est donc n´ecessaire d’optimis´e ces filtres et de faciliter leurs conceptions. Ceci est le but de la pr´esente th`ese et il est divis´e en quatre grandes parties. La premi`ere partie commence par d´evelopper une technique de mod´elisation dans le domaine fr´equentiel. Cette technique qui est bas´ee sur la d´etermination et la manipulation des matrices d’imp´edances a comme but de simuler et pr´edire les perturbations EM g´en´er´es par un amplificateur de Class D. Tous les aspects th´eoriques de la m´ethode ont ´et´e d´evelopp´es. Ensuite, une application pratique sur un syst`eme de Class D d´edi´e a` la t´el´ephonie mobile nous a permis de valider la m´ethode jusqu’a` une fr´equence de 100 MHz. Un amplificateur de Class D est une source de perturbation aussi bien sur les rails d’alimentation que sur les rails de sortie. Pour cela, le filtre de CEM est n´ecessaire sur les rails de l’alimentation comme il y est en sortie. N´eanmoins, un filtre correctement construit doit ˆetre con¸cu en prenant en compte l’imp´edance de la charge qui est la batterie dans ce cas. Pour cela, la deuxi`eme partie a pour objectif la mesure de l’imp´edance de la batterie sur la gamme de fr´equence consid´er´ee. Ainsi, une technique de mesure d’imp´edance de batterie en utilisant un imp´edance m`etre est d´evelopp´ee. Ensuite, une application exp´erimentale sur un convertisseur DC-DC et une batterie nous a permis de valider la proc´edure de mesure. La troisi`eme partie s’est focalis´ee sur l’optimisation du filtre de CEM. Le mod`ele fr´equentield´evelopp´edanslapremi`erepartieestint´egr´edansuneboucled’optimisation v bas´ee sur un algorithme g´en´etique. L’optimisation inclus plusieurs crit`eres dans sa fonction objective qui sont l’augmentation de la capacit´e du filtre `a r´eduire les ´emissions EM, la diminution des pertes suppl´ementaire due `a l’utilisation du filtre et finalement le gain du filtre dans la bande de fr´equence du signal audio. Cette ´etude est poursuivie par une validation exp´erimentale. La quatri`eme et la derni`ere partie ´etudie et quantifie les impacts du filtre de CEM sur la qualit´e audio de l’amplificateur. En effet, le filtre de CEM est l’un des chemins propagation du signal audio. Par suite, tout comportement non lin´eaire du filtre conduit `a la distorsion du signal audio. Pour cela, cette partie est d´edi´ee a` la mod´elisation et la simulation des composants passifs contenant un mat´eriau magn´etique. En particulier, l’´etude s’est focalis´ee sur la mod´elisation des perles de ferrite en utilisant le mod`ele de mat´eriaux magn´etiques Jiles-Aterthon. Les r´esultats de simulations sont compar´es avec la mesure dans le domaine temporel et fr´equentiel. En plus, le calcul du taux de distorsion harmonique nous a permis de valider le mod`ele sur une large plage d’amplitude. Contents Abstract ii Contents vi List of Figures xi List of Tables xv Abbreviations xvii 1 Introduction 1 1.1 EMC, definition and concern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Problem background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Objectives and scope of thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1 Scientific objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2 Company objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Class-D Amplifiers from the EMC Point of View 9 2.1 Class-D amplifier basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Power stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 The single ended power stage [21, 22]: . . . . . . . . . 10 The differential power stage [16, 23]: . . . . . . . . . . 10 2.1.2 Modulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.1 The Pulse Width Modulation (PWM) . . . . . . . 12 2.1.2.2 PWM for differential Class-D amplifiers . . . . . . 14 Binary modulation: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Ternary modulation: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.2.3 Self oscillating modulation . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 EM emission of Class-D amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1 EMI at the output rails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 EMI at the supply rails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.3 EMC solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Characterizing a Class-D amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 vii Contents viii 2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 EMI Modeling of Class-D Audio Amplifier 27 3.1 Time domain simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2 Frequency domain modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 Proposed frequency domain modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.1 Active blocks model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2 Passive block types and models . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.3 Impedance matrix determination . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3.1 Impedancematrixdeterminationbyimpedancean- alyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.3.2 Impedance matrix determination by VNA . . . . . 35 3.3.3.3 Impedance matrix determination by simulation . . 35 3.3.4 Impedance matrix association . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.4.1 Association of 2 Type A blocks . . . . . . . . . . . 36 3.3.4.2 Type A and Type B blocks association . . . . . . . 37 3.3.5 Currents and voltages computation . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4 Experimental application on a Class-D amplifier – Output side . . . 39 3.4.1 Instrumentation used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4.2 Class-D amplifier modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4.3 Filter impedance matrix determination . . . . . . . . . . . . 43 3.4.3.1 Filter impedance matrix determination using an IA 43 3.4.3.2 Filter impedance matrix determination using a VNA 44 3.4.3.3 Filterimpedancematrixdeterminationbysimulation 44 3.4.3.4 Comparison between IA, VNA and ADS simulation 44 3.4.4 Load impedance matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4.5 Currents and voltages computation . . . . . . . . . . . . . . 47 3.5 Experimental application on a Class-D amplifier – Supply side . . . 50 3.5.1 Measurement techniques for batteries . . . . . . . . . . . . . 51 3.5.2 Battery impedance measurement with an IA . . . . . . . . . 53 3.6 Validation example using a battery and a power converter . . . . . 55 3.6.1 Battery impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.6.2 Voltage computation and battery impedance verification . . 57 3.7 Chapter conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 EMI Filter Design Using a Discrete Optimization Algorithm 61 4.1 State of the art of EMI filter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2 Proposed filter design methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1 Optimization algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1.1 Choice of algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1.2 Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Optimization process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Application to Class-D amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3.1 EMI filter and passive components . . . . . . . . . . . . . . 67 Contents ix 4.3.2 Power losses in Class-D amplifiers due to the EMI filter . . . 68 4.3.3 Optimization formulation for Class-D amplifiers . . . . . . . 70 4.3.3.1 Formulation I: Power-loss optimization . . . . . . . 70 4.3.3.2 Formulation II: EMI optimization . . . . . . . . . . 72 4.4 Experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.5 Chapter conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5 Impact of the EMI Filter on the Amplifier Base-Band 85 5.1 Ferrite beads and Class-D amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2 Ferrite bead modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2.1 Jiles - Atherton model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.2 Physical architecture modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.3 Measurements and validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3.2 Component parameter extraction . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.3.3 Time domain comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.3.4 Frequency domain comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.3.5 THD comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.4 Simulating different magnetic materials in ferrite beads . . . . . . . 101 5.5 Chapter conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6 Conclusion & Perspectives 105 6.1 General conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2.1 Speed of edge and EMI filters . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2.2 Filter structure optimization and area on PCB reduction . . 108 6.2.3 On-chip coupling in differential Class-D amplifiers . . . . . . 108 6.2.4 Investigating the Schottky for free-wheeling diodes . . . . . 111 6.3 Evaluating ferrite beads with a switching amplifier . . . . . . . . . . 113 A Definitions 133 Total Harmonic Distortion: . . . . . . . . . . . . . . . 133 Signal to Noise Ratio: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Power Supply Rejection Ratio: . . . . . . . . . . . . . 133 The audio gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 B Appendix of Chapter 3: Proofs 135 B.1 Proof of equation (3.5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 B.2 Proof of equation (3.8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 B.3 Proof of equation (3.9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 B.4 Proof of equation (3.11) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 B.5 Proof of equation (3.13) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Contents x C Appendix of Chapter 3: Additional Measurements and Simula- tions 141 C.1 Class-D amplifier transient simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 C.2 EMI computation for a Class-D amplifier powered by a battery . . . 143 D Appendix of Chapter 3: Speaker Impedance 147 D.1 Understanding the speaker impedance matrix . . . . . . . . . . . . 147 D.2 Speaker impedance measurements under temperature variations . . 149 E Appendix of Chapter 5: THD Measurements on a Linear Ampli- fier 151 F French Report - Summarized Version 155 F.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 F.1.1 Objectifs de la th`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 F.1.1.1 Objectifs scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . 157 F.1.1.2 Objectifs industriels . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 F.1.2 Structure du rapport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 F.2 Les bases et la CEM des amplificateurs de Classe D . . . . . . . . . 158 ´ F.2.1 Etage de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 F.2.2 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 F.2.3 MLI diff´erentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 ´ F.2.4 Emission EM d’un amplificateur de Classe D . . . . . . . . . 163 F.2.5 Caract´erisation d’un amplificateur de Classe D . . . . . . . . 164 F.3 Mod´elisation des amplificateurs de Classe D du point de vue de la CEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 F.3.1 Identification des param`etres du mod`ele . . . . . . . . . . . 168 F.3.2 Association de matrices d’imp´edances . . . . . . . . . . . . . 169 F.3.3 Calcul des spectres de tensions et de courants . . . . . . . . 170 F.3.4 Validation exp´erimentale avec un amplificateur de Classe D . 171 F.3.5 D´etermination du mod`ele des diff´erentes parties du syst`eme 171 F.3.6 Exemple de validation sur une batterie et un convertisseur DC-DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 F.4 Optimisation discr`ete du filtre CEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 F.4.1 M´ethodologie de design du filtre . . . . . . . . . . . . . . . . 177 F.4.2 Processus d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 F.4.3 Application `a un amplificateur de Classe D . . . . . . . . . . 180 F.4.4 Formulations pour le processus d’optimisation . . . . . . . . 180 F.4.5 Validation exp´erimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 F.5 Impact du filtre de CEM sur le signal audio de l’amplificateur . . . 184 F.5.1 Mod´elisation d’une perle de ferrite . . . . . . . . . . . . . . 186 F.5.2 Application exp´erimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 F.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 G List of Publications 191