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：

. 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。

. 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。

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。