Class D功放高次諧波過流保護分析和解決方法

摘要

高次諧波過流保護是一種特殊的過流、過功率現象。通常用戶的電路設計完全正確，常規功率測試未超過額定功率。該種保護的定位及解決較為困難。本文結合理論分析和實際經驗分析了高次諧波過流保護的原因，并提供了解決方案。

1、Class D 高次諧波過流保護現象

通常 Class D 功放芯片都會設計有過流保護功能，在輸出電流超過限流閥值后芯片自動關閉驅動信號停止輸出。一般的過流保護是由于輸出功率超過額定或者輸出短路而引起。還有一種特殊的過流保護現象是由于高次諧波能量過大引起。高次諧波過流保護是一種特殊的過功率現象。通常用戶的電路設計完全正確，常規功率測試未超過額定功率。這種保護具有以下幾個特征：

l 問題機器在 1KHz 標準音頻信號測試時輸出功率并未超過最大輸出功率。

l 播放高頻成分較多的歌曲較容易出現保護。

l 使用水泥電阻代替喇叭作為負載，保護現象消失。

l 減小，或者去掉輸出 LC 濾波器的電容，保護現象消失。

若上述現象發生則可以懷疑是由于高次諧波能量引起的過流、過功率保護。高次諧波過流保護的原因較為復雜，首先分析一下 LC 濾波網絡及喇叭阻抗的頻率響應特性。

2、LC 濾波器的頻率響應

圖 1 是一個典型的 Class D 輸出濾波網絡(BTL 輸出模式)。LC 濾波器由 L，C 和負載 R 組成。

一般 Class D 的輸出 LC 濾波器截止頻率 設置在 30kHz --- 50kHz 范圍內，為的是提供足夠大的高頻衰減的同時不影響音頻頻帶內的增益平坦性。LC 濾波器 Q 值隨著負載阻抗的增大而增大，即輸出增益在截止頻率處有一定的提升。下圖是一個濾波器頻率響應曲線：

該例子中 L=15uH，C=1uF，截止頻率Fn約為 29kHz，在 Class D 的開關頻率(約 300kHz)位置提供-40dB 的衰減。在截止頻率處，不同的負載阻抗呈現出不同的增益。理論上空載極端情況下增益為無限大，LC 進入諧振狀態。

一般來說，由于Fn設計高于 20kHz，截止頻率處的增益改變不會影響到音頻頻帶內的幅頻響應。但音頻帶外的信號會受到該部分的影響并輸出到負載產生功率。若輸出信號內正好存在位于 Fc 處的高次諧波，同時 LC 濾波器 Q 值又很高的時候，高次諧波的功率就會被放大。有可能超過電流限制閥值而導致過流保護。

由于 LC 濾波器的 Q 值和負載 R 有關，只有當 R 非常大的時候才會出現高次諧波被放大的現象。在實際中負載 R 是動圈式喇叭。關于喇叭阻抗 R 和頻率的關系在下節中給出。

3、動圈式喇叭阻抗分析

一個普通的動圈式喇叭是由紙盤(Paper Cone)、線圈(Voice Coil)和永磁體(permanent magnet) 組成。喇叭標稱的阻抗為直流阻抗，一般為 4W、6W或者 8W。但由于線圈的電感特性以及其他寄生參數，喇叭實際體現出的阻抗曲線(vs 頻率)如圖所示：

從曲線可看出，該喇叭是一個 4W的喇叭。有一個位于 110Hz 左右的諧振點。 從 500Hz 開始喇叭即呈現明顯的電感特性，阻抗隨著頻率的增加而持續增加。可見喇叭阻抗的標稱值是其直流特性，隨著頻率喇叭阻抗會大幅度變化。在 LC 的截止頻率約30kHz 左右喇叭阻抗已經遠遠大于其標稱的直流阻抗。圖 3 的例子中，其 30kHz 的阻抗大約在40Ω 附近。

3.1 動圈式喇叭阻抗模型

動圈式喇叭的阻抗特性可以使用圖 4 中的等效電路模型來模擬(等效電路模型的詳細分析請參見引用 2)。其中：

3.2 ZOBEL 補償網絡

實際喇叭的高頻阻抗因為線圈電感而呈現隨頻率增高而上升的趨勢，由此導致了 LC 濾波網絡的高 Q 值。ZOBEL 是和喇叭并聯的阻容網絡，它可以用來補償喇叭的感性而抑制喇叭阻抗的抬升。如圖 7 所示，ZOBEL 網絡有電阻 和電容 組成。計算公式為(參見引用 3)：

以第 3 節的喇叭參數為例計算得出 和 。圖 8 是加入 ZOBEL 網絡前后的喇叭阻抗曲線對比。可見 ZOBEL 網絡的作用很明顯，將高頻部分的阻抗提升壓制下來，保持在附近。這樣就能限制 LC 濾波網絡的截止頻率附近的 Q 值。從而不會產生高次諧波的過流保護問題。

4 、現象分析及解決方案

綜合上述理論分析，對于高次諧波過流保護的現象分析及解決方案如下：

通常在 Class D 功放路設計時會考慮到 20Hz-20KHz 音頻帶寬內的電信號的頻率響應。保證在20Hz-20KHz 內每個頻率點的輸出功率均不會超過額定值。一般老化測試時采用的是 1KHz 的標準正弦波，此時喇叭工作在額定阻抗附近(本文例子中，約為 4.2ohm)。

但是若輸出信號的頻率超過 20kHz 即輸出含有大量諧波時。就會有位于 LC 濾波器截止頻率(諧振頻率)附近的高頻信號。若 LC 濾波器的 Q 值又非常高，則會產生高頻諧波被放大并導致過流保護的問題。

LC 濾波網絡的 Q 值與負載阻抗有關系，從第三節已知喇叭在截止頻率附近的阻抗通常很高，則濾波器的 Q 值很大。圖 6 是將實際的喇叭阻抗曲線和 LC 濾波器的頻率響應曲線合并后的結果。

可見當負載為純電阻 4W時， LC 濾波網絡在截止頻率處 Q 值較低，沒有任何放大作用。而接入喇叭后，LC 濾波網絡在截止頻率處產生大于 20dB 的增益。這就是導致高次諧波過流保護的根本原因。

綜上所述，對于第一節給出的高次諧波過流保護的現象補充分析如下：

l 問題機器在 1KHz 標準音頻信號輸出功率并未超過最大輸出功率。

分析： 因為該保護現象發生在 LC 濾波網絡截止頻率附近，在 20Hz~20kHz 范圍內的功率輸出正常，并不會出發過流保護。

l 播放高頻成分較多的歌曲較容易出現保護。

分析：高頻成分較多的歌曲內容容易產生位于 20kHz~40kHz 范圍內的諧波能量，正好觸發 LC 濾波網絡截止頻率處的高次諧波過流保護。

l 使用水泥電阻代替喇叭作為負載，保護現象消失。

分析：該類高次諧波過流保護和喇叭高頻呈現的高阻抗有關系，若使用純電阻替代喇叭則不會出現該類保護。

l 減小，或者去掉輸出 LC 濾波器的電容，保護現象消失。

分析：LC 濾波器的截止頻率位置被改變，減小電容將截止頻率推到 40kHz 以上，一般該位置的諧波分量非常小，不足以引起過流保護現象。去掉電容 LC 濾波器不存在，也不會產生保護問題。

4.1 解決方案

1. 減小 LC 濾波器網絡的電容 C 值：

減小 LC 濾波器網絡的電容 C 的值可以增大 LC 濾波器的截止頻率。使得截止頻率遠大于高次諧波可能達到的頻率。通常將電容值減小 5 倍以上即可有效抑制高次諧波過流保護的問題。

優點：無需修改電路，只需要修改參數值。

缺點：LC 網絡濾波效果變差，開關紋波增加，EMI 有可能惡化。

注意：不建議直接去掉濾波電容。否則會導致 Class D 開關紋波輸入到喇叭，增加損耗和惡化 EMI。

2. 添加 ZOBEL 網絡：

優點：有效抑制喇叭的高頻阻抗抬升，解決高次諧波過流問題。同時可以均一化中高頻響應，對高頻聽感有改善。

缺點： 需要添加外圍元器件，電容數值較大，推薦使用無極性薄膜電容。

注意： 若只是為了解決高次諧波過流問題，ZOBEL 網絡的電容可小于計算值，一般只要達到阻抗抑制的作用即可。

5 、總結

高次諧波過流保護是一種特殊的過功率現象，在電路設計完全正確，常規功率測試未超過額定功率的前提下，該種保護問題較為隱蔽。本文結合 LC 濾波電路的頻率響應和動圈式喇叭的阻抗頻率特性，分析了 Class D 諧波過流保護的原因并給出了解決方法。