Class D功放高次諧波過流保護(hù)分析和解決方法

摘要

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

1、Class D 高次諧波過流保護(hù)現(xiàn)象

通常 Class D 功放芯片都會設(shè)計有過流保護(hù)功能，在輸出電流超過限流閥值后芯片自動關(guān)閉驅(qū)動信號停止輸出。一般的過流保護(hù)是由于輸出功率超過額定或者輸出短路而引起。還有一種特殊的過流保護(hù)現(xiàn)象是由于高次諧波能量過大引起。高次諧波過流保護(hù)是一種特殊的過功率現(xiàn)象。通常用戶的電路設(shè)計完全正確，常規(guī)功率測試未超過額定功率。這種保護(hù)具有以下幾個特征：

l 問題機(jī)器在 1KHz 標(biāo)準(zhǔn)音頻信號測試時輸出功率并未超過最大輸出功率。

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流、過功率保護(hù)。高次諧波過流保護(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限大，LC 進(jìn)入諧振狀態(tài)。

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

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

3、動圈式喇叭阻抗分析

一個普通的動圈式喇叭是由紙盤(Paper Cone)、線圈(Voice Coil)和永磁體(permanent magnet) 組成。喇叭標(biāo)稱的阻抗為直流阻抗，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 4W的喇叭。有一個位于 110Hz 左右的諧振點。 從 500Hz 開始喇叭即呈現(xiàn)明顯的電感特性，阻抗隨著頻率的增加而持續(xù)增加。可見喇叭阻抗的標(biāo)稱值是其直流特性，隨著頻率喇叭阻抗會大幅度變化。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 動圈式喇叭阻抗模型

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

3.2 ZOBEL 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

實際喇叭的高頻阻抗因為線圈電感而呈現(xiàn)隨頻率增高而上升的趨勢，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。計算公式為(參見引用 3)：

以第 3 節(jié)的喇叭參數(shù)為例計算得出 和 。圖 8 是加入 ZOBEL 網(wǎng)絡(luò)前后的喇叭阻抗曲線對比?？梢?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，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。從而不會產(chǎn)生高次諧波的過流保護(hù)問題。

4 、現(xiàn)象分析及解決方案

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

通常在 Class D 功放路設(shè)計時會考慮到 20Hz-20KHz 音頻帶寬內(nèi)的電信號的頻率響應(yīng)。保證在20Hz-20KHz 內(nèi)每個頻率點的輸出功率均不會超過額定值。一般老化測試時采用的是 1KHz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，此時喇叭工作在額定阻抗附近(本文例子中，約為 4.2ohm)。

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

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。

可見當(dāng)負(fù)載為純電阻 4W時， LC 濾波網(wǎng)絡(luò)在截止頻率處 Q 值較低，沒有任何放大作用。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)致高次諧波過流保護(hù)的根本原因。

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

l 問題機(jī)器在 1KHz 標(biāo)準(zhǔn)音頻信號輸出功率并未超過最大輸出功率。

分析： 因為該保護(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，并不會出發(fā)過流保護(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：該類高次諧波過流保護(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出現(xiàn)該類保護(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，不足以引起過流保護(hù)現(xiàn)象。去掉電容 LC 濾波器不存在，也不會產(chǎn)生保護(hù)問題。

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流保護(hù)的問題。

優(yōu)點：無需修改電路，只需要修改參數(shù)值。

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

注意：不建議直接去掉濾波電容。否則會導(dǎo)致 Class D 開關(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：有效抑制喇叭的高頻阻抗抬升，解決高次諧波過流問題。同時可以均一化中高頻響應(yīng)，對高頻聽感有改善。

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

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

5 、總結(jié)

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