Class D 功放高次谐波过流保护分析和解决方法

3、动圈式喇叭阻抗分析

一个普通的动圈式喇叭是由纸盘（Paper Cone）、线圈（Voice Coil）和永磁体（permanent magnet）组成。喇叭标称的阻抗为直流阻抗，一般为4om、6om或者8om。但由于线圈的电感特性以及其他寄生参数，喇叭实际体现出的阻抗曲线（vs频率）如图所示：

从曲线可看出，该喇叭是一个4om的喇叭。有一个位于110Hz左右的谐振点。从500Hz开始喇叭即呈现明显的电感特性，阻抗随着频率的增加而持续增加。可见喇叭阻抗的标称值是其直流特性，随着频率喇叭阻抗会大幅度变化。在LC的截止频率约30kHz 左右喇叭阻抗已经远远大于其标称的直流阻抗。图3的例子中，其30kHz的阻抗大约在40Ω附近。

3.1 动圈式喇叭阻抗模型

动圈式喇叭的阻抗特性可以使用图4中的等效电路模型来模拟（等效电路模型的详细分析请参见引用2）。其中：

根据图3给出的电感频率响应曲线，可以拟合出等效电路模型的参数如下：

使用Mathcad绘制等效模型的频率响应曲线如下所示，结果和实际测试曲线吻合。

3.2 ZOBEL 补偿网络

实际喇叭的高频阻抗因为线圈电感而呈现随频率增高而上升的趋势，由此导致了LC滤波网络的高Q值。ZOBEL是和喇叭并联的阻容网络，它可以用来补偿喇叭的感性而抑制喇叭阻抗的抬升。如图7所示，ZOBEL网络有电阻和电容组成。计算公式为（参见引用3）：

以第3节的喇叭参数为例计算得出和。图8是加入ZOBEL网络前后的喇叭阻抗曲线对比。可见ZOBEL网络的作用很明显，将高频部分的阻抗提升压制下来，保持在附近。这样就能限制LC滤波网络的截止频率附近的Q值。从而不会产生高次谐波的过流保护问题。

4 、现象分析及解决方案

综合上述理论分析，对于高次谐波过流保护的现象分析及解决方案如下：

通常在ClassD功放路设计时会考虑到20Hz-20KHz 音频带宽内的电信号的频率响应。保证在20Hz-20KHz 内每个频率点的输出功率均不会超过额定值。一般老化测试时采用的是1KHz的标准正弦波，此时喇叭工作在额定阻抗附近（本文例子中，约为4.2ohm）。

但是若输出信号的频率超过20kHz即输出含有大量谐波时。就会有位于LC滤波器截止频率（谐振频率）附近的高频信号。若LC滤波器的Q值又非常高，则会产生高频谐波被放大并导致过流保护的问题。

LC滤波网络的Q值与负载阻抗有关系，从第三节已知喇叭在截止频率附近的阻抗通常很高，则滤波器的Q值很大。图6是将实际的喇叭阻抗曲线和LC滤波器的频率响应曲线合并后的结果。