[经验]

选择用于超低失真D类音频放大器的合适电感器需要考虑哪些因素？

2019-8-5 04:45:01

2427 音频放大器电感器

选择用于D类音频放大器的输出滤波器的电感值始终是一个关键的设计决定。随着新一代超低失真D类放大器的问世，选择电气性能较差的电感会严重限制音频性能。我的同事Brian在其12月的博文中谈到高清晰度音频如何改变我们的聆听方式。在这篇博文中，我将讨论选择合适电感器的重要考虑因素，以确保您的设备能够具有高清晰度潜力。
在较高功率的D类放大器中，（通常高于输出功率10W），无源输出滤波器通常在每个输出端具有一个电感器和一个电容（LC），并因此被称为LC滤波器。LC滤波器的目的是将D类放大器的不连续脉宽调制（PWM）脉冲串输出转换成连续平稳的模拟正弦波。LC滤波器从音频信号的PWM表示提取所述音频信号。
此滤波过程很关键，原因如下：

（EMI）降低电磁干扰。D类放大器的PWM输出是一种高振幅电压信号，通常等于输出级或PVDD电源电压。使用LC滤波器滤掉这些脉冲的同时，也滤掉与PWM脉冲相关的高频容量，从而降低恼人的EMI辐射。将LC滤波器尽可能靠近放大器，扬声器的长期运行也不会在整个系统辐射EMI辐射。
降低纹波电流。对于具有AD调制方案但没有LC滤波器的D类放大器来讲，有一个纹波电流叠加在音频信号。凭借LC滤波器，尤其当LC滤波器的截止频率相对于放大器的PWM开关频率降低时，纹波电流也会降低，如此以来仅有少量剩余纹波将随LC滤波器呈现。LC滤波器的电抗滤掉波纹的其余部分，理想情况下不会消耗任何功率。

  让我们使用TPA3251D2作为一个示例。它是一个175W D类音频放大器，带总谐波失真及噪声（THD + N），可在中功率带接近0.001％。对于TPA3251D2，电感器的线性度在提取最高水平的音频性能方面变得非常关键。
  对于这个讨论，电感线性被定义为电感对电流。
  一个理想的电感不管通过它的是何种电流都能保持指定的电感值。然而，现实世界的感应器的电感总是随电流的增加而降低。某些时候，电流电平将使得电感器饱和，而电感会严重下降。这通常被指定为的Isat。
  请记住，不同厂家提供的Isat额定电流的电感变化有所不同，甚至电感类型也有所不同。有些厂家指定Isat在电感中处于30％或变化更大。对于LC D类滤波器，若您期望使用此电感器时额定一直保持在Isat，您观察到的音频性能将非常差。
  表1所示为针对高性能D类音频放大器，从具备良好线性度的四种不同规格的电感器所收集的数据。我在1A电流条件下，并再次以20A电流（600千赫测试信号）条件下测定了电感，其为TPA3251D2放大器的标称PWM开关频率。为每个电感器的10个样品计算电感的平均值变化。

生产厂家
A
A
B
B
标称电感
7mH
10mH
7mH
10mH
平均电感变化（10个样品，1A-20A）
0.94%
1.38%
1.16%
1.55%
表1：四种电感类型的10个样品中的电感平均变化

  从上述数据可以看出，生产商A的10μH电感器的线性度比制造商B的10H电感器更大。同样重要的是，请注意生产商A的7μH和10μH电感器缠绕在相同的磁心。同样，制造商B的7μH和10μH电感器也缠绕在相同的磁心。
  通常，对于给定的磁心材料、大小和几何形状，电感越高（电线的圈数越多），电感器的线性度越差。
  接下来，我在TPA3251D2评估模块（EVM）测试了这些电感器，结果一目了然，如图1和图2所示。

图1：已测定电感器功率（Watts）的输出功率和THD + N的TPA3251D2EVM绘图

图2：THD + N和信号频率的TPA3251D2EVM绘图

从TPA3251D2EVM收集的数据来看，生产商A的10μH电感器优于制造商B的10μH和7μH电感器。若我选择制造商B的10μH电感器，放大器的THD性能将在10W条件下限制在0.0045％，相比之下，制造商A的10μH电感器将限制在0.0017％。
还要注意的是，在20W条件下，总谐波失真与频率性能显著改善。若您在可接受较高THD性能的放大器周围设计LC滤波器，或者若放大器固有的THD较高，制造商B的10μH电感器可作为一个合适的候选对象。结束时，系统的设计者必须在电感器的线性度、成本和尺寸之间做出选择。
  其它因素，如高输出功率电平条件下开关损耗或欧姆损耗，将确定哪种电感器最适用于一个给定的系统。然而，通过选择一个线性度更大的一个电感器，您可显著提高D类放大器的THD性能，这可通过TPA3251D2的超低THD得以证明。
  若您之前使用过D类放大器，请登录并在下方发表评论。我想了解更多有关您选择哪种电感器及其产生的性能。
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