在此处PVDD为功放供电电压 Duty为无输入信号时的PWM输出Duty Cycle,即占空比下表列出了不同供电电压下不同LC Filter上电启动时电感上的电流:
2) 很多情况下,正常工作时输出的喇叭线上电流可能很小,不到2A,但是由于电感值选得太小,会出现启动共模电压的建立过程就超过2.5A的情况从而导致功放过流保护。
D类功放通过PWM调制(音频信号调制在较高的PWM频率上),以常规的PWM调制为例,当输出共模稳定后,电感纹波基本稳定。
在上图中绿色波形为流过电感电流,黄色波形为音频功放输出 PWM 波形。
功放的供电电压PVDD=24V, 输出LC(电感为10uH,电容为0.68uF),PWM开关频率为480kHz。
开关频率越高,纹波电流越小,电感越大,纹波电流越小。一般为了降低音频功放自身的开关损耗,推荐开关频率采用480kHz,因此一般建议电感在PVDD大于12V的应用情况下,电感值不要低于10uH。
上面的表格列出了在不同的工作电压下,使用不同的LC和PWM开关频率下电感上的纹波电流。
2.3 喇叭电流叠加纹波电流
功放启动后,在音乐播放时,电感上流过的电流包含喇叭线的最大电流叠加纹波电流。
下图是实际音乐播放时测量的电感上的电流波形:
以一个直流电阻为R的喇叭为例子(暂不考虑喇叭在不同频点的阻抗不一样,假定所有频点都是4ohm; 另外也暂不考虑功放的Rdson和电感和导线的DCR),不限制功放输出功率的情况下,这样最大的喇叭电流为PVDD/R。 如果PVDD=19V, Load=4ohm,LC filter选定为10uH+0.68uF,PWM开关频率为480kHz, 调制方式为High Performance Mode根据上面分析以及纹波电流测量的表格2,那么流过电感的电流最大可能为
Imax=PVDD/R+纹波电流=19/4+0.54=5.29A
3. LC 滤波器特性
在根据供电电压,喇叭负载,输出功率等选定好合适的电感后,还需要注意LC滤波器 对音频信号的频响产生的影响。另外,喇叭阻抗也会影响滤波器的频响特性。所以,选择LC参数时也要同时考虑使用的喇叭阻抗。理想情况下,选择合适的LC 组成critical damped, 通带平坦,良好的相位响应的滤波器。同时,也需要注意LC滤波器的截止频率和品质系数Q。
下图是一个典型的LC滤波器的频率响应曲线:
为了方便用户,ACME提供了LC滤波器频率响应查找工具,用户只需输入喇叭阻抗,电感,电容参数,即可获得LC滤波器的频率响应曲线,以确认LC的选项是否符合音频设计的要求。如需要此工具,可联系ACME获得。 如下图所示:
4. 总结
在输出功率10W以上的中大功率Class D功放应用中,需要在每个输出端进行LC 滤波。 LC 滤波电路的参数选择对Class D 功放是否能达到设计的音频性能要求至关重要,同时,LC滤波电路也会影响功放系统的效率,硬件 EMI/EMC 特性。本文先描述了 D 类功放设计中的 LC 滤波器的电感功能,电感电流的组成,包括 D 类功放启动电流,电感纹波电流,以及喇 叭电流叠加纹波电流。通过一些实际测量数据,为选择合适的LC参数提供参考。最后,LC 滤波器的频响特性也是在使用 D 类功放音频设计中需要注意的因素。