Class D 功放高次諧波過流保護分析和解決方法

摘要

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

1、Class D 高次諧波過流保護現(xiàn)象

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

. 問題機器在1KHz 標準音頻信號測試時輸出功率并未超過最大輸出功率。

. 播放高頻成分較多的歌曲較容易出現(xiàn)保護。

. 使用水泥電阻代替喇叭作為負載，保護現(xiàn)象消失。

. 減小，或者去掉輸出LC 濾波器的電容，保護現(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。高次諧波過流保護的原因較為復雜，首先分析一下LC 濾波網(wǎng)絡及喇叭阻抗的頻率響應特性。

2、LC濾波器的頻率響應

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

LC 濾波器的截止頻率和Q 值計算公式為：

一般ClassD的輸出LC濾波器截止頻率設置在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曲線：

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

一般來說，由于Fn設計高于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。但音頻帶外的信號會受到該部分的影響并輸出到負載產(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致過流保護。

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