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D类功放IC的输出LC滤波电感如何选型?
文章来源:永阜康科技 更新时间:2023/10/31 10:43:00

1. Class D 输出电感功能概述
通常,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。此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,效率以及EM/EMI要求至关重要。本文对D类功放设计中的LC电感选型做了一些分析,希望对功放系统能达到设计目标有所帮助和指导。

图1为Class D典型BTL输出应用框图

图2为ACM86xx 数字功放典型BTL输出应用框图 

在上图中,ACM86xx 全系列数字输入音频功放的典型应用中,一般选择10uH+0.68uF的输出LC滤波电路。在很多实际情况下,用户会遵循参考框图选择10uH电感,但由于输出功率,功放工作电压和喇叭负载各有不同,很多用户会忽视或者疑惑电感电流的要求,导 致Class D功放工作不正常。下面,本文主要对电感电流的选择进行分析和讨论。
2. Class D 输出电感电流组成
2.1 启动电流
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,单边输出共模电压为PVDD/2(即输出占空比为50%),使用示波器和电流探头测量在功放启动瞬间流过输出电感的电流如下图:

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)启动共模电压建立瞬间,输出 电流到3.2A左右。 上电启动峰值电流
 
Ipstart =PVDD * Duty *((C/L)^0.5)*SIN(0.5*pi) 
 
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: 

小结:   

1) 对于电感选型来说,首先就是要避免上电电流过大导致无法启动(上电就触发过流 保护)。

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。
 
2.2 输出纹波电流
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。



 
 
 
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