摘要
高次諧波過(guò)流保護是一種特殊的過(guò)流、過(guò)功率現象。通常用戶(hù)的電路設計完全正確，常規功率測試未超過(guò)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(shí)際經(jīng)驗分析了高次諧波過(guò)流保護的原因，并提供了解決方案。
1、Class D 高次諧波過(guò)流保護現象
通常 Class D 功放芯片都會(huì )設計有過(guò)流保護功能，在輸出電流超過(guò)限流閥值后芯片自動(dòng)關(guān)閉驅動(dòng)信號停止輸出。一般的過(guò)流保護是由于輸出功率超過(guò)額定或者輸出短路而引起。還有一種特殊的過(guò)流保護現象是由于高次諧波能量過(guò)大引起。高次諧波過(guò)流保護是一種特殊的過(guò)功率現象。通常用戶(hù)的電路設計完全正確，常規功率測試未超過(guò)額定功率。這種保護具有以下幾個(gè)特征：
l 問(wèn)題機器在 1KHz 標準音頻信號測試時(shí)輸出功率并未超過(guò)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(fā)生則可以懷疑是由于高次諧波能量引起的過(guò)流、過(guò)功率保護。高次諧波過(guò)流保護的原因較為復雜，首先分析一下 LC 濾波網(wǎng)絡(luò )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(gè)典型的 Class D 輸出濾波網(wǎng)絡(luò )(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(shí)不影響音頻頻帶內的增益平坦性。LC 濾波器 Q 值隨著(zhù)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(gè)濾波器頻率響應曲線(xiàn)：
該例子中 L=15uH，C=1uF，截止頻率Fn約為 29kHz，在 Class D 的開(kāi)關(guān)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(wú)限大，LC 進(jìn)入諧振狀態(tài)。
一般來(lái)說(shuō)，由于Fn設計高于 20kHz，截止頻率處的增益改變不會(huì )影響到音頻頻帶內的幅頻響應。但音頻帶外的信號會(huì )受到該部分的影響并輸出到負載產(chǎn)生功率。若輸出信號內正好存在位于 Fc 處的高次諧波，同時(shí) LC 濾波器 Q 值又很高的時(shí)候，高次諧波的功率就會(huì )被放大。有可能超過(guò)電流限制閥值而導致過(guò)流保護。
由于 LC 濾波器的 Q 值和負載 R 有關(guān)，只有當 R 非常大的時(shí)候才會(huì )出現高次諧波被放大的現象。在實(shí)際中負載 R 是動(dòng)圈式喇叭。關(guān)于喇叭阻抗 R 和頻率的關(guān)系在下節中給出。
3、動(dòng)圈式喇叭阻抗分析
一個(gè)普通的動(dòng)圈式喇叭是由紙盤(pán)(Paper Cone)、線(xiàn)圈(Voice Coil)和永磁體(permanent magnet) 組成。喇叭標稱(chēng)的阻抗為直流阻抗，一般為 4W、6W或者 8W。但由于線(xiàn)圈的電感特性以及其他寄生參數，喇叭實(shí)際體現出的阻抗曲線(xiàn)(vs 頻率)如圖所示：
從曲線(xiàn)可看出，該喇叭是一個(gè) 4W的喇叭。有一個(gè)位于 110Hz 左右的諧振點(diǎn)。 從 500Hz 開(kāi)始喇叭即呈現明顯的電感特性，阻抗隨著(zhù)頻率的增加而持續增加�？梢�(jiàn)喇叭阻抗的標稱(chēng)值是其直流特性，隨著(zhù)頻率喇叭阻抗會(huì )大幅度變化。在 LC 的截止頻率約30kHz 左右喇叭阻抗已經(jīng)遠遠大于其標稱(chēng)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(dòng)圈式喇叭阻抗模型
動(dòng)圈式喇叭的阻抗特性可以使用圖 4 中的等效電路模型來(lái)模擬(等效電路模型的詳細分析請參見(jiàn)引用 2)。其中：
3.2 ZOBEL 補償網(wǎng)絡(luò )
實(shí)際喇叭的高頻阻抗因為線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )的高 Q 值。ZOBEL 是和喇叭并聯(lián)的阻容網(wǎng)絡(luò )，它可以用來(lái)補償喇叭的感性而抑制喇叭阻抗的抬升。如圖 7 所示，ZOBEL 網(wǎng)絡(luò )有電阻 和電容 組成。計算公式為(參見(jiàn)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(wǎng)絡(luò )前后的喇叭阻抗曲線(xiàn)對比�？梢�(jiàn) ZOBEL 網(wǎng)絡(luò )的作用很明顯，將高頻部分的阻抗提升壓制下來(lái)，保持在附近。這樣就能限制 LC 濾波網(wǎng)絡(luò )的截止頻率附近的 Q 值。從而不會(huì )產(chǎn)生高次諧波的過(guò)流保護問(wèn)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(guò)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(shí)會(huì )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(gè)頻率點(diǎn)的輸出功率均不會(huì )超過(guò)額定值。一般老化測試時(shí)采用的是 1KHz 的標準正弦波，此時(shí)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(guò) 20kHz 即輸出含有大量諧波時(shí)。就會(huì )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(huì )產(chǎn)生高頻諧波被放大并導致過(guò)流保護的問(wèn)題。
LC 濾波網(wǎng)絡(luò )的 Q 值與負載阻抗有關(guān)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(shí)際的喇叭阻抗曲線(xiàn)和 LC 濾波器的頻率響應曲線(xiàn)合并后的結果。
可見(jiàn)當負載為純電阻 4W時(shí)， LC 濾波網(wǎng)絡(luò )在截止頻率處 Q 值較低，沒(méi)有任何放大作用。而接入喇叭后，LC 濾波網(wǎng)絡(luò )在截止頻率處產(chǎn)生大于 20dB 的增益。這就是導致高次諧波過(guò)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(guò)流保護的現象補充分析如下：
l 問(wèn)題機器在 1KHz 標準音頻信號輸出功率并未超過(guò)最大輸出功率。
分析： 因為該保護現象發(fā)生在 LC 濾波網(wǎng)絡(luò )截止頻率附近，在 20Hz~20kHz 范圍內的功率輸出正常，并不會(huì )出發(fā)過(guò)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(chǎn)生位于 20kHz~40kHz 范圍內的諧波能量，正好觸發(fā) LC 濾波網(wǎng)絡(luò )截止頻率處的高次諧波過(guò)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(lèi)高次諧波過(guò)流保護和喇叭高頻呈現的高阻抗有關(guān)系，若使用純電阻替代喇叭則不會(huì )出現該類(lèi)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(guò)流保護現象。去掉電容 LC 濾波器不存在，也不會(huì )產(chǎn)生保護問(wèn)題。
4.1 解決方案
1. 減小 LC 濾波器網(wǎng)絡(luò )的電容 C 值：
減小 LC 濾波器網(wǎng)絡(luò )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(guò)流保護的問(wèn)題。
優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需修改電路，只需要修改參數值。
缺點(diǎn)：LC 網(wǎng)絡(luò )濾波效果變差，開(kāi)關(guān)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(huì )導致 Class D 開(kāi)關(guān)紋波輸入到喇叭，增加損耗和惡化 EMI。
2. 添加 ZOBEL 網(wǎng)絡(luò )：
優(yōu)點(diǎn)：有效抑制喇叭的高頻阻抗抬升，解決高次諧波過(guò)流問(wèn)題。同時(shí)可以均一化中高頻響應，對高頻聽(tīng)感有改善。
缺點(diǎn)： 需要添加外圍元器件，電容數值較大，推薦使用無(wú)極性薄膜電容。
注意： 若只是為了解決高次諧波過(guò)流問(wèn)題，ZOBEL 網(wǎng)絡(luò )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(guò)流保護是一種特殊的過(guò)功率現象，在電路設計完全正確，常規功率測試未超過(guò)額定功率的前提下，該種保護問(wèn)題較為隱蔽。本文結合 LC 濾波電路的頻率響應和動(dòng)圈式喇叭的阻抗頻率特性，分析了 Class D 諧波過(guò)流保護的原因并給出了解決方法。 |
