Class-D功放高次谐波过流保护分析和解决方法.pdf
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1、Application Report Lit.Number Month Year 1 Class D功放功放功放功放高次谐波过流高次谐波过流高次谐波过流高次谐波过流保护保护保护保护分析和解决分析和解决分析和解决分析和解决方法方法方法方法 Ryan Wang(SZ)王 凡 South China and Shenzhen OEM Team 摘摘摘摘 要要要要 高次谐波过流保护是一种特殊的过流、过功率现象。通常用户的电路设计完全正确,常规功率测试未超过额定功率。该种保护的定位及解决较为困难。本文结合理论分析和实际经验分析了高次谐波过流保护的原因,并提供了解决方案。1 Class D 高次谐波过流保
2、护现象高次谐波过流保护现象高次谐波过流保护现象高次谐波过流保护现象.2 2 LC 滤波器频率响应滤波器频率响应滤波器频率响应滤波器频率响应.2 3 动圈式喇叭阻抗分析动圈式喇叭阻抗分析动圈式喇叭阻抗分析动圈式喇叭阻抗分析.3 3.1 动圈式喇叭阻抗模型.4 3.2 ZOBLE 补偿网络.5 4 现象分析及解决方案现象分析及解决方案现象分析及解决方案现象分析及解决方案.6 4.1 解决方案.8 5 总结总结总结总结.8 6 参考文献参考文献参考文献参考文献.8 图图图图 例例例例 图图图图 1:Class D 输出的输出的输出的输出的 LC 滤波器滤波器滤波器滤波器(BTL 模式模式模式模式).
3、2 图图图图 2:LC 滤波器频率响应曲线滤波器频率响应曲线滤波器频率响应曲线滤波器频率响应曲线(包括负载包括负载包括负载包括负载 R).3 图图图图 3:喇叭实测阻抗喇叭实测阻抗喇叭实测阻抗喇叭实测阻抗 VS 频率曲线频率曲线频率曲线频率曲线.4 图图图图 4:动圈式喇叭的等效模型动圈式喇叭的等效模型动圈式喇叭的等效模型动圈式喇叭的等效模型.4 图图图图 5:Mathcad 拟合出的喇叭频响曲线拟合出的喇叭频响曲线拟合出的喇叭频响曲线拟合出的喇叭频响曲线.5 图图图图 7:ZOBEL 网络和网络和网络和网络和 SPEAKER 模型模型模型模型.5 图图图图 8:带有带有带有带有 ZOBEL
4、网络的喇叭阻抗曲线网络的喇叭阻抗曲线网络的喇叭阻抗曲线网络的喇叭阻抗曲线.6 图图图图 6:LC 滤波网络频率响应曲线滤波网络频率响应曲线滤波网络频率响应曲线滤波网络频率响应曲线(喇叭喇叭喇叭喇叭 vs 电阻电阻电阻电阻).7 Overwrite this text with the Lit.Number 2 Class D功放高次谐波过流保护分析和解决方法 1 Class D 高次高次高次高次谐波谐波谐波谐波过流保护现象过流保护现象过流保护现象过流保护现象 通常 Class D 功放芯片都会设计有过流保护功能,在输出电流超过限流阀值后芯片自动关闭驱动信号停止输出。一般的过流保护是由于输出功率
5、超过额定或者输出短路而引起。还有一种特殊的过流保护现象是由于高次谐波能量过大引起。高次谐波过流保护是一种特殊的过功率现象。通常用户的电路设计完全正确,常规功率测试未超过额定功率。这种保护具有以下几个特征:问题机器在 1KHz 标准音频信号测试时输出功率并未超过最大输出功率。播放高频成分较多的歌曲较容易出现保护。使用水泥电阻代替喇叭作为负载,保护现象消失。减小,或者去掉输出 LC 滤波器的电容,保护现象消失。若上述现象发生则可以怀疑是由于高次谐波能量引起的过流、过功率保护。高次谐波过流保护的原因较为复杂,首先分析一下 LC 滤波网络及喇叭阻抗的频率响应特性。2 LC 滤波器滤波器滤波器滤波器的的
6、的的频率响应频率响应频率响应频率响应 图 1 是一个典型的 Class D 输出滤波网络(BTL 输出模式)。LC 滤波器由 L,C 和负载 R 组成。图图图图 1:Class D 输出的输出的输出的输出的 LC 滤波器滤波器滤波器滤波器(BTL 模式模式模式模式)LC 滤波器的截止频率和 Q 值计算公式为:F?12?2?2?一般 Class D 的输出 LC 滤波器截止频率F?设置在 30kHz-50kHz 范围内,为的是提供足够大的高频衰减的同时不影响音频频带内的增益平坦性。LC 滤波器 Q 值随着负载阻抗的增大而增大,即输出增益在截止频率处有一定的提升。下图是一个滤波器频率响应曲线:Ov
7、erwrite this text with the Lit.Number Class D功放高次谐波过流保护分析和解决方法 3 图图图图 2:LC 滤波器频率响应曲线滤波器频率响应曲线滤波器频率响应曲线滤波器频率响应曲线(包括负载包括负载包括负载包括负载 R)该例子中 L=15uH,C=1uF,截止频率F?约为 29kHz,在 Class D 的开关频率(约 300kHz)位置提供-40dB 的衰减。在截止频率处,不同的负载阻抗呈现出不同的增益。理论上空载极端情况下增益为无限大,LC 进入谐振状态。一般来说,由于F?设计高于 20kHz,截止频率处的增益改变不会影响到音频频带内的幅频响应。但
8、音频带外的信号会受到该部分的影响并输出到负载产生功率。若输出信号内正好存在位于 Fc 处的高次谐波,同时 LC 滤波器 Q 值又很高的时候,高次谐波的功率就会被放大。有可能超过电流限制阀值而导致过流保护。由于 LC 滤波器的 Q 值和负载 R 有关,只有当 R 非常大的时候才会出现高次谐波被放大的现象。在实际中负载 R 是动圈式喇叭。关于喇叭阻抗 R和频率的关系在下节中给出。3 动圈式喇叭阻抗分析动圈式喇叭阻抗分析动圈式喇叭阻抗分析动圈式喇叭阻抗分析 一个普通的动圈式喇叭是由纸盘(Paper Cone)、线圈(Voice Coil)和永磁体(permanent magnet)组成。喇叭标称的阻
9、抗为直流阻抗,一般为 4、6或者 8。但由于线圈的电感特性以及其他寄生参数,喇叭实际体现出的阻抗曲线(vs 频率)如图所示:101001 1031 1041 1051 106453933272115933915BTL Output Frequency ResponseFrequency(Hz)Gain(dB)40Adb_BTLf 4,()Adb_BTLf 6,()Adb_BTLf 8,()Adb_BTLf No_Load,()300000fOverwrite this text with the Lit.Number 4 Class D功放高次谐波过流保护分析和解决方法 图图图图 3:喇叭实测
10、阻抗喇叭实测阻抗喇叭实测阻抗喇叭实测阻抗 VS 频率曲线频率曲线频率曲线频率曲线 从曲线可看出,该喇叭是一个 4的喇叭。有一个位于 110Hz 左右的谐振点。从 500Hz 开始喇叭即呈现明显的电感特性,阻抗随着频率的增加而持续增加。可见喇叭阻抗的标称值是其直流特性,随着频率喇叭阻抗会大幅度变化。在 LC 的截止频率约30kHz 左右喇叭阻抗已经远远大于其标称的直流阻抗。图 3 的例子中,其 30kHz 的阻抗大约在40 附近。3.1 动圈式喇叭阻抗模型动圈式喇叭阻抗模型动圈式喇叭阻抗模型动圈式喇叭阻抗模型 动圈式喇叭的阻抗特性可以使用图 4 中的等效电路模型来模拟(等效电路模型的详细分析请参
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