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Class D 功放高次谐波过流保护分析和解决方法

摘要

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。

1Class D 高次谐波过流保护现象

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。

2LC滤波器的频率响应

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。

Class D 功放高次谐波过流保护分析和解决方法 0

LC 滤波器的截止频率和Q 值计算公式为:

Class D 功放高次谐波过流保护分析和解决方法 1

一般ClassD的输出LC滤波器截止频率设置在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:

Class D 功放高次谐波过流保护分析和解决方法 2

该例子中L=15uH,C=1uF,截止频率Fn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Fn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。

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责任编辑:樊晓旭