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：

. 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。

. 播放高頻成分較多的歌曲較容易出現保護。

. 使用水泥電阻代替喇叭作為負載，保護現象消失。

. 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。

LC 濾波器的截止頻率和Q 值計算公式為：

一般ClassD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4om、6om或者8om。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)4om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：

根據圖3給出的電感頻率響應曲線(xiàn)，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(xiàn)如下所示，結果和實(shí)際測試曲線(xiàn)吻合。

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ClassD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4omh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：

. 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。

. 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。

. 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。

. 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ClassD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ClassD諧波過(guò)流保護的原因并給出了解決方法。