D类音频放大器LM4680的输出滤波器设计

在便携式及小型化消费类产品中，D类音频功率放大器的应用已非常普遍。本文介绍了D类音频放大器的输出低通滤波器的设计原理，给出了滤波器中电感和电容值的计算方法和选择时的考虑因素。

图1：单片D类音频放大器的组成

目前，在大多数便携式及小型化消费类产品，如MP3、便携式DVD和平板显示器等中，开关模式(D类)音频功率放大器的应用已很普遍。由于D类放大器的功耗较低，因此能够实现较高的效率。它延长了便携式设备的电池使用寿命，并能够减小散热器的尺寸和PCB的面积，从而节省了系统成本。所以，许多大型平板显示器和消费类音频产品都更愿意采用此类放大器。　　

不过，D类放大器基于使用高开关频率信号的数字调制技术，旨在实现信号的高效放大。调制频率通常高达数百kHz，这远远超出了音频范围。由于我们需要从数字化或调制信号来恢复所需的真实音频信号(音乐)，因而必需采用一个输出低通滤波器来滤除高频分量，以再生与人类听觉系统相匹配的真实模拟信号。　　

这里，我们将阐述一些有关输出低通滤波设计的考虑因素和建议。

图2：BTL半电路模型

D类放大器：单片式D类音频放大器包括模拟音频输入、调制器、功率晶体管等(见图1)。　　

输出滤波器设计：由于我们需要恢复所需的音频信号，因此重要的是设计出一款优秀的输出低通滤波器，以滤除高频分量(无用信号)并获得高品质的模拟声音。我们必须设计具有特定电抗性输出阻抗的输出滤波器，以便与负载阻抗相匹配。BTL半边电路模型如图2所示。　　

D类放大器的输出滤波器通常是一个二阶、LC型Butterworth(巴特沃斯)滤波器。这是因为巴特沃斯滤波器能够提供相对平坦的通带频率响应，而且所需的元件数量很少。这里给出一幅参考曲线图，用于显示巴特沃斯、Bessel(贝塞尔)和chebyshev(切比雪夫)型滤波器的LPF响应(图3)。

图3：巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫型滤波器的低通滤波响应的比较

对于一个实际的BTL电路，输出滤波器如图4所示。　　

根据上面的方程，表1列出了对应于特定fc和RL的电感(L)值和电容(C)值。　　

电感的选择：在输出滤波器中，电感是关键元件。它与D类音频功率放大器系统的直流电阻和额定峰值电流规格有关。直流电阻反映了总输出功率的效率。系统的效率可由下式来估算：

式中：RL是扬声器的直流电阻，RDSON是D类放大器内部的输出驱动器的晶体管导通电阻;RIND是电感的直流电阻。

图4：实际的BTL电路输出滤波器

除了选择合适的电感值以获得某一特定的截止频率之外，输出电感的最大直流电阻是影响总体效率的另一个关键参数。因此，强烈建议采用直流电阻较低的电感。　　

对于电感而言，另一个必须考虑的重要参数是其最大额定电流。如果电感的额定电流不足以维持器件的输出电流，则电感将起短路的作用。这将使器件或扬声器受到大电流的伤害。

图5：LM4680的应用框图(LC输出滤波器的取值确定)

最后值得一提的是，为了降低失真、EMI和串扰，建议采用屏蔽式电感(例如：壶形铁芯电感)。　　

壶形铁芯以其卓越的屏蔽性能而著称，这是因为除了用于穿越导线的两个窄槽之外，电感线圈被磁芯完全包围。　　

电容的选择：在评价高频片式电容的过程中，最重要的参数之一便是Q(品质因数)，或者相关的等效串联电阻(ESR)。　　

简单地说，ESR就是给定频率条件下电容中的所有串联和并联损耗的衡量尺度。从理论上讲，“理想”电容的ESR将为0Ω，并且是纯电抗性的，没有实部(阻性)分量。流经电容的电流在所有的频率上都将恰好超前电容两端的电压达90。