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音频D类功放LC滤波器设计(二)

在最后一节中,我们分析了D类功放的频谱,这一节将具体看滤波器的设计。

首先,要设计滤波器,自然需要知道截止频率设计有多合适。

我们在上一节分析了频谱,我们可以知道,除了音频分量,还有高频频率成分来调制三角波。众所周知,人耳能感觉到的最大声音重量是20Khz,调制频率一般为200Khz也就是说,高频分量是200Khz因此,我们设定的截止频率应该是20Khz-200Khz之间,这是一个相对较宽的范围,那么有多少合适呢?

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但是,我们也需要知道,LC滤波器也不是理想的,截止频率指的是幅度衰减到了0.707倍,所以如果我们把截止频率设定为20Khz,有用的音频信号的高频部分有一定的衰减,也可以理解为失真。因此,截止频率比200年高Khz截止频率越高,音频的高频部分就越不容易衰减。但如果截止频率设置得越高,那么无用的调制三角波频率分量可能会衰减得不够。如果两者兼顾,个人感觉设置在30Khz左右比较好。

当然,一般设备的值是离散的,所以截止频率只有30Khz计算出来的电感值和电容值不一定有实物,我们选择接近的就好。

一般来说,我们说滤波器有Q值。如果我们查阅信息,我们就会知道Q=0.707更好,此时范围响应相对平坦。那么这个Q值是什么意思呢?为什么?Q=0.707比较好?具体来说。

需要注意的是,这里的Q值很容易混淆,LC滤波器的Q值是基于谐振电路的Q值。当我写这篇文章时,我错误地认为谐振电路的Q值与电感Q值相同。它是无功功率除以有功功率,然后的,因为当谐振时,阻抗的虚拟部分是0,所以Q值不是0?

具体谐振回路Q值定义可参考本文档:

https://wenku.baidu.com/view/8ea7d2069a6648d7c1c708a1284ac850ad020488.html

谐振电路的Q值一般按能量定义:

谐振时,整个电路的阻抗呈电阻性,即从外部看,整体没有储能性质。但事实上,这是因为在谐振中,电感放电只是电容器充电,电容器放电,电感器只是充电,两者只是相等,所以在外部,没有能量注入。上述公式的储能不是指新注入的能量,而是存储在电感和电容器中的能量,因此不是0。

那么我们实际滤波器的谐振频率呢?w,Q值是多少?

以上滤波器的阻抗表达式可以很容易地写出来:

一般来说,谐振时整个电路呈电阻性,即虚拟部分为0,因此谐振频率为:

谐振频率与并联谐振不同。并联谐振电路如下图所示,其谐振频率和Q值如下:

我查了许多滤波器的设计的文档,没有提谐振频率,只说截止频率和Q值。都是用的这下面这两个公式,应该是把这个LC滤波器直接被视为并联谐振电路。当然,这纯粹是个人观点,不一定正确。

我们来看看这两个公式。LC不同Q值的滤波器增益曲线。

上图为w0频率相同,但Q值增益不同。

可以看到Q=0.707时,增益曲线最好。至于为什么准确到0.707,我不知道,只知道Q=0.707年,增益也为0.707,是滤波器的3db因此,上述带宽的截止频率w0也是截止频率。

CLASS的常用的LC如下图所示

由于电路是对称的,它可以等效如下:

我们可以分析一半,即以下内容:

这是典型的LC滤波电路。

例子:使用TI的TPA2005D1功率放大器采用差分输出,扬声器阻抗为8欧姆。滤波器应该如何设计?

1、滤波器为LC需要确定滤波器L,C的值。

2.确定滤波器的截止频率。从前面可以看出,截止频率设计在f=30Khz比较合理。

3.根据差异等效电路,LC滤波器等效电路如下,R=8Ω/2=4Ω

列出已知量和等式:

求得:C=0.94uF,L=30.01uH

根据实际情况,我们可以选择C=1uF,L=33uH。

假如我们打开TI的TPA2005D这是规格书手册中的推荐电路,如下图所示。

当然,我想有人会说,你浪费了很长时间,结果仍然直接推荐电路,我复制,为什么这么难,我不需要知道这么多。

是的,如果可以使用推荐电路,自然没问题。但是我们经常会遇到这样的问题,比如现在喇叭需要改用4Ω是的,也是这个电路吗?如果你知道上面的,那只是一个重新计算的问题。显然,L和C值要改。

此外,公司从未使用过33uH批量使用15的电感uH是的,我能用15吗?uH电感?这种情况怎么办?

在这个时候,我们可以考虑增加截止频率还是让Q=0.707不变,L=15uH,这样算得C=0.47uF,此时,相应的截止频率为f=60Khz。

本放大器的开关频率为250Khz,所以,15uH电感,0.47uF当然,电容器也可以使用,但对高频分量的抑制作用较差,EMI应该会差些,要求不高的话完全没问题。

当然,我们可能只是想改变一个参数来看看情况,比如只改变电感值,而不是电容。这里有一个简单的方法,那就是画增益曲线。

下面是Matlab只需修改代码内部L,C,R您可以看到滤波器的振幅频率响应。当您不确定您选择的电感或电容器是否合适时,您只需代表以下代码执行即可看到效果。

f=[1000:100:100000000];   %频率范围1Khz-10Mhz w=(f.*pi*2);              %角频率  C=0.000001;    %1uF   电容量 L=0.000033;    3uH   电感量 R=4;          %等效负载(可能是喇叭阻抗,根据情况而定)  Zc=1./(w.*C.*1i);   %电容阻抗 Zl=w.*L.*1i;        %电感阻抗  Q=R*((C/L)^0.5);  %滤波器Q值 Av=abs(((Zc.*R)./(Zc R))./(((Zc.*R)./(Zc R)) Zl)); %负载1对应增益  figure;       %画图 loglog(f,Av); legend(['Q=',num2str(Q)]);%Q值 grid on;      %显示网格 set(gca,'YLim',[0.001 20]);%y轴的数据显示范围 set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据 set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1,10,100,100   %x轴幅度数据 xlabel(频率), ylabel(增益);  %x,y轴名称

下图是L=33uH,C=1uF滤波器的振幅曲线。

5.确定电感的额定电流

另一个重要的是喇叭是一个功率器件,所以电感的电流会比较高。具体尺寸取决于喇叭的最大功率。

放大器最大功率为1.4W,根据对称性,单边功率可视为0.7W

并且R=扬声器阻抗/2=4,在根据P=I^2*R,求得I=0.42A。这个电流是有效的,所以电流的峰值是Ipp=0.42A*1.414=0.59A。

因此,电感饱和电流应大于0.59A,温升电流应大于0.42A。而且我们注意到,当电感值下降30%时,电感标称的饱和电流对应于电流,因此,如果可以的话,需要尽可能多地保留。

本节讲述了如何设计D类功率放大器滤波器,包括滤波器截止频率的选择、滤波器的Q值以及如何计算滤波器对应的电感值和电容值。如有错误,请在微信官方账号后台留言指出。

标签: 功放102电容功率电感223d

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