Class D功放高次諧波過(guò)流保護(hù)分析和解決方法

摘要

高次諧波過(guò)流保護(hù)是一種特殊的過(guò)流、過(guò)功率現(xiàn)象。通常用戶(hù)的電路設(shè)計(jì)完全正確，常規(guī)功率測(cè)試未超過(guò)額定功率。該種保護(hù)的定位及解決較為困難。本文結(jié)合理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分析了高次諧波過(guò)流保護(hù)的原因，并提供了解決方案。

1、Class D 高次諧波過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象

通常 Class D 功放芯片都會(huì)設(shè)計(jì)有過(guò)流保護(hù)功能，在輸出電流超過(guò)限流閥值后芯片自動(dòng)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)停止輸出。一般的過(guò)流保護(hù)是由于輸出功率超過(guò)額定或者輸出短路而引起。還有一種特殊的過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象是由于高次諧波能量過(guò)大引起。高次諧波過(guò)流保護(hù)是一種特殊的過(guò)功率現(xiàn)象。通常用戶(hù)的電路設(shè)計(jì)完全正確，常規(guī)功率測(cè)試未超過(guò)額定功率。這種保護(hù)具有以下幾個(gè)特征：

l 問(wèn)題機(jī)器在 1KHz 標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)測(cè)試時(shí)輸出功率并未超過(guò)最大輸出功率。

l 播放高頻成分較多的歌曲較容易出現(xiàn)保護(hù)。

l 使用水泥電阻代替喇叭作為負(fù)載，保護(hù)現(xiàn)象消失。

l 減小，或者去掉輸出 LC 濾波器的電容，保護(hù)現(xiàn)象消失。

若上述現(xiàn)象發(fā)生則可以懷疑是由于高次諧波能量引起的過(guò)流、過(guò)功率保護(hù)。高次諧波過(guò)流保護(hù)的原因較為復(fù)雜，首先分析一下 LC 濾波網(wǎng)絡(luò)及喇叭阻抗的頻率響應(yīng)特性。

2、LC 濾波器的頻率響應(yīng)

圖 1 是一個(gè)典型的 Class D 輸出濾波網(wǎng)絡(luò)(BTL 輸出模式)。LC 濾波器由 L，C 和負(fù)載 R 組成。

一般 Class D 的輸出 LC 濾波器截止頻率 設(shè)置在 30kHz --- 50kHz 范圍內(nèi)，為的是提供足夠大的高頻衰減的同時(shí)不影響音頻頻帶內(nèi)的增益平坦性。LC 濾波器 Q 值隨著負(fù)載阻抗的增大而增大，即輸出增益在截止頻率處有一定的提升。下圖是一個(gè)濾波器頻率響應(yīng)曲線：

該例子中 L=15uH，C=1uF，截止頻率Fn約為 29kHz，在 Class D 的開(kāi)關(guān)頻率(約 300kHz)位置提供-40dB 的衰減。在截止頻率處，不同的負(fù)載阻抗呈現(xiàn)出不同的增益。理論上空載極端情況下增益為無(wú)限大，LC 進(jìn)入諧振狀態(tài)。

一般來(lái)說(shuō)，由于Fn設(shè)計(jì)高于 20kHz，截止頻率處的增益改變不會(huì)影響到音頻頻帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)。但音頻帶外的信號(hào)會(huì)受到該部分的影響并輸出到負(fù)載產(chǎn)生功率。若輸出信號(hào)內(nèi)正好存在位于 Fc 處的高次諧波，同時(shí) LC 濾波器 Q 值又很高的時(shí)候，高次諧波的功率就會(huì)被放大。有可能超過(guò)電流限制閥值而導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)。

由于 LC 濾波器的 Q 值和負(fù)載 R 有關(guān)，只有當(dāng) R 非常大的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)高次諧波被放大的現(xiàn)象。在實(shí)際中負(fù)載 R 是動(dòng)圈式喇叭。關(guān)于喇叭阻抗 R 和頻率的關(guān)系在下節(jié)中給出。

3、動(dòng)圈式喇叭阻抗分析

一個(gè)普通的動(dòng)圈式喇叭是由紙盤(pán)(Paper Cone)、線圈(Voice Coil)和永磁體(permanent magnet) 組成。喇叭標(biāo)稱(chēng)的阻抗為直流阻抗，一般為 4W、6W或者 8W。但由于線圈的電感特性以及其他寄生參數(shù)，喇叭實(shí)際體現(xiàn)出的阻抗曲線(vs 頻率)如圖所示：

從曲線可看出，該喇叭是一個(gè) 4W的喇叭。有一個(gè)位于 110Hz 左右的諧振點(diǎn)。 從 500Hz 開(kāi)始喇叭即呈現(xiàn)明顯的電感特性，阻抗隨著頻率的增加而持續(xù)增加?？梢?jiàn)喇叭阻抗的標(biāo)稱(chēng)值是其直流特性，隨著頻率喇叭阻抗會(huì)大幅度變化。在 LC 的截止頻率約30kHz 左右喇叭阻抗已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其標(biāo)稱(chēng)的直流阻抗。圖 3 的例子中，其 30kHz 的阻抗大約在40Ω 附近。

3.1 動(dòng)圈式喇叭阻抗模型

動(dòng)圈式喇叭的阻抗特性可以使用圖 4 中的等效電路模型來(lái)模擬(等效電路模型的詳細(xì)分析請(qǐng)參見(jiàn)引用 2)。其中：

3.2 ZOBEL 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

實(shí)際喇叭的高頻阻抗因?yàn)榫€圈電感而呈現(xiàn)隨頻率增高而上升的趨勢(shì)，由此導(dǎo)致了 LC 濾波網(wǎng)絡(luò)的高 Q 值。ZOBEL 是和喇叭并聯(lián)的阻容網(wǎng)絡(luò)，它可以用來(lái)補(bǔ)償喇叭的感性而抑制喇叭阻抗的抬升。如圖 7 所示，ZOBEL 網(wǎng)絡(luò)有電阻 和電容 組成。計(jì)算公式為(參見(jiàn)引用 3)：

以第 3 節(jié)的喇叭參數(shù)為例計(jì)算得出 和 。圖 8 是加入 ZOBEL 網(wǎng)絡(luò)前后的喇叭阻抗曲線對(duì)比?？梢?jiàn) ZOBEL 網(wǎng)絡(luò)的作用很明顯，將高頻部分的阻抗提升壓制下來(lái)，保持在附近。這樣就能限制 LC 濾波網(wǎng)絡(luò)的截止頻率附近的 Q 值。從而不會(huì)產(chǎn)生高次諧波的過(guò)流保護(hù)問(wèn)題。

4 、現(xiàn)象分析及解決方案

綜合上述理論分析，對(duì)于高次諧波過(guò)流保護(hù)的現(xiàn)象分析及解決方案如下：

通常在 Class D 功放路設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮到 20Hz-20KHz 音頻帶寬內(nèi)的電信號(hào)的頻率響應(yīng)。保證在20Hz-20KHz 內(nèi)每個(gè)頻率點(diǎn)的輸出功率均不會(huì)超過(guò)額定值。一般老化測(cè)試時(shí)采用的是 1KHz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，此時(shí)喇叭工作在額定阻抗附近(本文例子中，約為 4.2ohm)。

但是若輸出信號(hào)的頻率超過(guò) 20kHz 即輸出含有大量諧波時(shí)。就會(huì)有位于 LC 濾波器截止頻率(諧振頻率)附近的高頻信號(hào)。若 LC 濾波器的 Q 值又非常高，則會(huì)產(chǎn)生高頻諧波被放大并導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)的問(wèn)題。

LC 濾波網(wǎng)絡(luò)的 Q 值與負(fù)載阻抗有關(guān)系，從第三節(jié)已知喇叭在截止頻率附近的阻抗通常很高，則濾波器的 Q 值很大。圖 6 是將實(shí)際的喇叭阻抗曲線和 LC 濾波器的頻率響應(yīng)曲線合并后的結(jié)果。

可見(jiàn)當(dāng)負(fù)載為純電阻 4W時(shí)， LC 濾波網(wǎng)絡(luò)在截止頻率處 Q 值較低，沒(méi)有任何放大作用。而接入喇叭后，LC 濾波網(wǎng)絡(luò)在截止頻率處產(chǎn)生大于 20dB 的增益。這就是導(dǎo)致高次諧波過(guò)流保護(hù)的根本原因。

綜上所述，對(duì)于第一節(jié)給出的高次諧波過(guò)流保護(hù)的現(xiàn)象補(bǔ)充分析如下：

l 問(wèn)題機(jī)器在 1KHz 標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)輸出功率并未超過(guò)最大輸出功率。

分析： 因?yàn)樵摫Ｗo(hù)現(xiàn)象發(fā)生在 LC 濾波網(wǎng)絡(luò)截止頻率附近，在 20Hz~20kHz 范圍內(nèi)的功率輸出正常，并不會(huì)出發(fā)過(guò)流保護(hù)。

l 播放高頻成分較多的歌曲較容易出現(xiàn)保護(hù)。

分析：高頻成分較多的歌曲內(nèi)容容易產(chǎn)生位于 20kHz~40kHz 范圍內(nèi)的諧波能量，正好觸發(fā) LC 濾波網(wǎng)絡(luò)截止頻率處的高次諧波過(guò)流保護(hù)。

l 使用水泥電阻代替喇叭作為負(fù)載，保護(hù)現(xiàn)象消失。

分析：該類(lèi)高次諧波過(guò)流保護(hù)和喇叭高頻呈現(xiàn)的高阻抗有關(guān)系，若使用純電阻替代喇叭則不會(huì)出現(xiàn)該類(lèi)保護(hù)。

l 減小，或者去掉輸出 LC 濾波器的電容，保護(hù)現(xiàn)象消失。

分析：LC 濾波器的截止頻率位置被改變，減小電容將截止頻率推到 40kHz 以上，一般該位置的諧波分量非常小，不足以引起過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象。去掉電容 LC 濾波器不存在，也不會(huì)產(chǎn)生保護(hù)問(wèn)題。

4.1 解決方案

1. 減小 LC 濾波器網(wǎng)絡(luò)的電容 C 值：

減小 LC 濾波器網(wǎng)絡(luò)的電容 C 的值可以增大 LC 濾波器的截止頻率。使得截止頻率遠(yuǎn)大于高次諧波可能達(dá)到的頻率。通常將電容值減小 5 倍以上即可有效抑制高次諧波過(guò)流保護(hù)的問(wèn)題。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需修改電路，只需要修改參數(shù)值。

缺點(diǎn)：LC 網(wǎng)絡(luò)濾波效果變差，開(kāi)關(guān)紋波增加，EMI 有可能惡化。

注意：不建議直接去掉濾波電容。否則會(huì)導(dǎo)致 Class D 開(kāi)關(guān)紋波輸入到喇叭，增加損耗和惡化 EMI。

2. 添加 ZOBEL 網(wǎng)絡(luò)：

優(yōu)點(diǎn)：有效抑制喇叭的高頻阻抗抬升，解決高次諧波過(guò)流問(wèn)題。同時(shí)可以均一化中高頻響應(yīng)，對(duì)高頻聽(tīng)感有改善。

缺點(diǎn)： 需要添加外圍元器件，電容數(shù)值較大，推薦使用無(wú)極性薄膜電容。

注意： 若只是為了解決高次諧波過(guò)流問(wèn)題，ZOBEL 網(wǎng)絡(luò)的電容可小于計(jì)算值，一般只要達(dá)到阻抗抑制的作用即可。

5 、總結(jié)

高次諧波過(guò)流保護(hù)是一種特殊的過(guò)功率現(xiàn)象，在電路設(shè)計(jì)完全正確，常規(guī)功率測(cè)試未超過(guò)額定功率的前提下，該種保護(hù)問(wèn)題較為隱蔽。本文結(jié)合 LC 濾波電路的頻率響應(yīng)和動(dòng)圈式喇叭的阻抗頻率特性，分析了 Class D 諧波過(guò)流保護(hù)的原因并給出了解決方法。