Class D 功放高次諧波過流保護分析和解決方法

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4om、6om或者8om。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4om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：

根據圖3給出的電感頻率響應曲線，可以擬合出等效電路模型的參數如下：

使用Mathcad繪制等效模型的頻率響應曲線如下所示，結果和實際測試曲線吻合。

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ClassD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。