D類功放IC的輸出LC濾波電感如何選型？
發(fā)布日期:2023-12-03
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1. Class D 輸出電感功能概述
通常，在輸出功率10W以上的中大功率Class D功放應(yīng)用中，需要在每個輸出端進行LC濾波。此LC濾波電路的參數(shù)選擇對Class D功放是否能達到設(shè)計的音頻性能，效率以及EM/EMI要求至關(guān)重要。本文對D類功放設(shè)計中的LC電感選型做了一些分析，希望對功放系統(tǒng)能達到設(shè)計目標(biāo)有所幫助和指導(dǎo)。
圖1為Class D典型BTL輸出應(yīng)用框圖
圖1為Class D典型BTL輸出應(yīng)用框圖
圖2為ACM86xx 數(shù)字功放典型BTL輸出應(yīng)用框圖
在上圖中，ACM86xx 全系列數(shù)字輸入音頻功放的典型應(yīng)用中，一般選擇10uH+0.68uF的輸出LC濾波電路。在很多實際情況下，用戶會遵循參考框圖選擇10uH電感，但由于輸出功率，功放工作電壓和喇叭負載各有不同，很多用戶會忽視或者疑惑電感電流的要求，導(dǎo) 致Class D功放工作不正常。下面，本文主要對電感電流的選擇進行分析和討論。
2. Class D 輸出電感電流組成
2.1 啟動電流
D類功放通過PWM調(diào)制（音頻信號調(diào)制在較高的PWM頻率上)。以常規(guī)的PWM調(diào)制為例，單邊輸出共模電壓為PVDD/2（即輸出占空比為50%），使用示波器和電流探頭測量在功放啟動瞬間流過輸出電感的電流如下圖：
在上圖中，綠色波形為流過電感電流，黃色波形為音頻功放輸出PWM波形，功放的供電電壓PVDD=24V, 輸出LC（電感為10uH，電容為0.68uF）啟動共模電壓建立瞬間，輸出 電流到3.2A左右。 上電啟動峰值電流
Ipstart =PVDD * Duty *((C/L)^0.5)*SIN(0.5*pi)
在此處PVDD為功放供電電壓 Duty為無輸入信號時的PWM輸出Duty Cycle，即占空比下表列出了不同供電電壓下不同LC Filter上電啟動時電感上的電流：
小結(jié)：
1） 對于電感選型來說，首先就是要避免上電電流過大導(dǎo)致無法啟動（上電就觸發(fā)過流 保護）。
2） 很多情況下，正常工作時輸出的喇叭線上電流可能很小，不到2A，但是由于電感值選得太小，會出現(xiàn)啟動共模電壓的建立過程就超過2.5A的情況從而導(dǎo)致功放過流保護。
2.2 輸出紋波電流
D類功放通過PWM調(diào)制（音頻信號調(diào)制在較高的PWM頻率上)，以常規(guī)的PWM調(diào)制為例，當(dāng)輸出共模穩(wěn)定后，電感紋波基本穩(wěn)定。
在上圖中綠色波形為流過電感電流，黃色波形為音頻功放輸出 PWM 波形。
功放的供電電壓PVDD=24V, 輸出LC（電感為10uH，電容為0.68uF），PWM開關(guān)頻率為480kHz。
開關(guān)頻率越高，紋波電流越小，電感越大，紋波電流越小。一般為了降低音頻功放自身的開關(guān)損耗，推薦開關(guān)頻率采用480kHz，因此一般建議電感在PVDD大于12V的應(yīng)用情況下，電感值不要低于10uH。
上面的表格列出了在不同的工作電壓下，使用不同的LC和PWM開關(guān)頻率下電感上的紋波電流。
2.3 喇叭電流疊加紋波電流
功放啟動后，在音樂播放時，電感上流過的電流包含喇叭線的最大電流疊加紋波電流。
下圖是實際音樂播放時測量的電感上的電流波形：
以一個直流電阻為R的喇叭為例子（暫不考慮喇叭在不同頻點的阻抗不一樣，假定所有頻點都是4ohm； 另外也暫不考慮功放的Rdson和電感和導(dǎo)線的DCR），不限制功放輸出功率的情況下，這樣最大的喇叭電流為PVDD/R。 如果PVDD=19V, Load=4ohm，LC filter選定為10uH+0.68uF，PWM開關(guān)頻率為480kHz， 調(diào)制方式為High Performance Mode根據(jù)上面分析以及紋波電流測量的表格2，那么流過電感的電流最大可能為
Imax=PVDD/R+紋波電流=19/4+0.54=5.29A
3. LC 濾波器特性
在根據(jù)供電電壓，喇叭負載，輸出功率等選定好合適的電感后，還需要注意LC濾波器 對音頻信號的頻響產(chǎn)生的影響。另外，喇叭阻抗也會影響濾波器的頻響特性。所以，選擇LC參數(shù)時也要同時考慮使用的喇叭阻抗。理想情況下，選擇合適的LC 組成critical damped, 通帶平坦，良好的相位響應(yīng)的濾波器。同時，也需要注意LC濾波器的截止頻率和品質(zhì)系數(shù)Q。
下圖是一個典型的LC濾波器的頻率響應(yīng)曲線：
為了方便用戶，ACME提供了LC濾波器頻率響應(yīng)查找工具，用戶只需輸入喇叭阻抗，電感，電容參數(shù)，即可獲得LC濾波器的頻率響應(yīng)曲線，以確認LC的選項是否符合音頻設(shè)計的要求。如需要此工具，可聯(lián)系A(chǔ)CME獲得。 如下圖所示：
4. 總結(jié)
在輸出功率10W以上的中大功率Class D功放應(yīng)用中，需要在每個輸出端進行LC 濾波。 LC 濾波電路的參數(shù)選擇對Class D 功放是否能達到設(shè)計的音頻性能要求至關(guān)重要，同時，LC濾波電路也會影響功放系統(tǒng)的效率，硬件 EMI/EMC 特性。本文先描述了 D 類功放設(shè)計中的 LC 濾波器的電感功能，電感電流的組成，包括 D 類功放啟動電流，電感紋波電流，以及喇 叭電流疊加紋波電流。通過一些實際測量數(shù)據(jù)，為選擇合適的LC參數(shù)提供參考。最后，LC 濾波器的頻響特性也是在使用 D 類功放音頻設(shè)計中需要注意的因素。
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