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(gè)輸出端進(jìn)行LC濾波。此LC濾波電路的參數(shù)選擇對(duì)Class D功放是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的音頻性能，效率以及EM/EMI要求至關(guān)重要。本文對(duì)D類功放設(shè)計(jì)中的LC電感選型做了一些分析，希望對(duì)功放系統(tǒng)能達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)際情況下，用戶會(huì)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(fù)載各有不同，很多用戶會(huì)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(duì)電感電流的選擇進(jìn)行分析和討論。
2. Class D 輸出電感電流組成
2.1 啟動(dòng)電流
D類功放通過(guò)PWM調(diào)制（音頻信號(hào)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(cè)量在功放啟動(dòng)瞬間流過(guò)輸出電感的電流如下圖：
在上圖中，綠色波形為流過(guò)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(dòng)共模電壓建立瞬間，輸出 電流到3.2A左右。 上電啟動(dòng)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(wú)輸入信號(hào)時(shí)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(dòng)時(shí)電感上的電流：
小結(jié)：
1） 對(duì)于電感選型來(lái)說(shuō)，首先就是要避免上電電流過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)（上電就觸發(fā)過(guò)流 保護(hù)）。
2） 很多情況下，正常工作時(shí)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(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)共模電壓的建立過(guò)程就超過(guò)2.5A的情況從而導(dǎo)致功放過(guò)流保護(hù)。
2.2 輸出紋波電流
D類功放通過(guò)PWM調(diào)制（音頻信號(hào)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(guò)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(dòng)后，在音樂(lè)播放時(shí)，電感上流過(guò)的電流包含喇叭線的最大電流疊加紋波電流。
下圖是實(shí)際音樂(lè)播放時(shí)測(cè)量的電感上的電流波形：
以一個(gè)直流電阻為R的喇叭為例子（暫不考慮喇叭在不同頻點(diǎn)的阻抗不一樣，假定所有頻點(diǎn)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(cè)量的表格2，那么流過(guò)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(fù)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(duì)音頻信號(hào)的頻響產(chǎn)生的影響。另外，喇叭阻抗也會(huì)影響濾波器的頻響特性。所以，選擇LC參數(shù)時(shí)也要同時(shí)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(shí)，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(gè)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(rèn)LC的選項(xiàng)是否符合音頻設(shè)計(jì)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(gè)輸出端進(jìn)行LC 濾波。 LC 濾波電路的參數(shù)選擇對(duì)Class D 功放是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的音頻性能要求至關(guān)重要，同時(shí)，LC濾波電路也會(huì)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(jì)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(dòng)電流，電感紋波電流，以及喇 叭電流疊加紋波電流。通過(guò)一些實(shí)際測(cè)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(jì)中需要注意的因素。 |
