功放输出lc滤波器设计及器件选型

功放输出功放输出LC滤波器的设计滤波器的设计 •输出电容材质的选择； •电感和电容容量的计算 输出电容材质的选择输出电容材质的选择-----瓷片电容的种类瓷片电容的种类 常见的型号 COG（NPO）材质的温度特性及频率特性是所有材质里面最 好的，但容量一般做不大，一般都不到0.1uF；X7R特性其 次，Y5V最差 功放输出部分的瓷介一般都大于0.1uF，所以推荐选用X7R， 或者降级使用X5R的 Why？  高频，等于功放的工作频率，200kHz～400kHz,如 TPA3110为300kHz；  大电流；  工作环境温度比较高； 下列位置为什么不能选择下列位置为什么不能选择Y5V电容电容 Cout C_BS 输入滤波电容  此电容非强制用X5R或X7R的；  此电容主要是为了解决EMC问题，如果EMC可以， Y5V也可以；  主要影响80MHz～200MHz 下列位置为什么不能选择下列位置为什么不能选择Y5V电容电容 C_BS电容：  此位置的电容只能用X7R或X5R材质的电容；  此电容的作用是给半桥上MOSFET驱动供电；  因为上MOSFET是N沟道的,所以Vgs必须大于Vgs(th);  工作原理是：当下MOSFET导通时，GVDD通过内部boost二极管给C12充电,当下MOSFET关闭时,VBSL=GVDD- Vd+VLOUT，给上驱动供电.  如果此电容容量过小,会造成上MOSFET驱动不足,从而引起功放发热,甚至损坏；  Y5V材质电容由于受温度、频率、电压以及使用时间等因素的影响，实际容量非常小，会造成上面的问题。

gBTL cutoff CL f   2 1 LC滤波电容  此位置的电容只能用X7R、X5R或薄膜电容；  L1和C2组成一个二阶低通滤波器，其截止频率为  其共模阻抗为：  如果Fcutoff和功放工作频率比较接近，会造成共模阻抗ZCM过小，从而造成输出共模电流过大，甚至过流保 护  Y5V材质电容由于受温度、频率、电压以及使用时间等因素的影响，实际容量非常小，会造成上面的问题 g BTLCM sC sLsZ 1 )( 电容特性曲线电容特性曲线 电容特性曲线电容特性曲线 电感和电容容量计算电感和电容容量计算 电感和电容容量计算电感和电容容量计算------为什么需要为什么需要为什么需要为什么需要LCLC滤波器滤波器滤波器滤波器 • 主要是为了改善 EMC, 尤其是喇叭线比较长时 (10cm) Integrated Class-D Amplifier out + out - power ground VDD Power MOSFETs Gnd VDD + - Long wires act as antenna 为什么需要为什么需要为什么需要为什么需要LCLC滤波器滤波器滤波器滤波器 • 主要是为了改善 EMC, 尤其是喇叭线比较长时(10cm) • 一定要记住LC滤波器要靠近功放,L靠近功放，C靠近L。

Integrated Class-D Amplifier out + out - power ground VDD LO+ CO+ LO- CO- Power MOSFETs Gnd VDD Gnd VDD / 2 VDD + - LC filter removes HF switching in long wires Basic Theory Basic Theory – – SESE（（（（single endsingle end）））） 2 222 11 1 1 1 )( )( )( o o LL IN OUT Q ss A CLCR ss CL sCL R L s sV sV sH             CL fcutoff   2 1 L C RQ L  2 1 o CL A   LC滤波器的截止频率 SESE输出的输出的输出的输出的 & & PeakingPeaking 2 2 2 2 )( o o o o o Q j jH        j 2 1 Q 2 1 Q 10 3 10 4 10 5 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Freq (Hz) |H(jw)| (dB) Effect of Q on Frequency Response Q=0.707 Q=1.4 Q=0.3 Peaking Critically Damped - Ideal Over Damped - High Frequency Loss critically damped . peaking 2 1   Lo R C  o L R L  2  Butterworth ModulationsModulations • AD 调制 • Out+和Out- 完全反向 • 没有共模信号 • BD 调制 • Out+和Out- 同相，只是占空比差异 • 有共模和差模信号 不同的调制模式导致不同架构的不同的调制模式导致不同架构的LC滤波器滤波器. 不同的调制模式导致不同架构的不同的调制模式导致不同架构的LC滤波器滤波器. 传统的传统的传统的传统的ADAD调制模式调制模式调制模式 调制模式 - - BTLBTL 2/)2(1 2/ )( BTLgBTL BTL BTLDiff RCCs R sLsZ   2 )2( 2/ 1 1 )( )( )( sCCL R L s sV sV sH gBTLBTL BTL BTL IN OUT Diff   )2(2 1 gBTLBTL cutoff CCL f    BTL gBTL L L CC R Q   2 2 LC滤波器的截止频率 Lbtl Cbtl Rbtl Lbtl Cg Cg Out + Out - • 没有共模信号，所以只需注意差模阻抗和频响即可； BDBD调制模式调制模式调制模式 调制模式 – – BTLBTL 2/1 2/ )( BTLg BTL BTLDiff RsC R sLsZ   2 2/ 1 1 )( )( )( sCL R L s sV sV sH gBTL BTL BTL IN OUT Diff   差模模式差模模式差模模式差模模式 BTL g L L C R Q 2  gBTL cutoff CL f   2 1 LC滤波器的截止频率 BDBD调制模式调制模式调制模式 调制模式 – – BTLBTL Lbtl Cg Lbtl Vin + Vin - Cg Vout+ + - Vout- + - 共模模式共模模式共模模式共模模式 g BTLCM sC sLsZ 1 )( gBTLIN OUT CM CLssV sV sH 2 1 1 )( )( )(   • 有共模信号，一定要注意共模阻抗； • 要保证cufoff频率远小于功放工作频率。

BDBD调制模式，但是用调制模式，但是用调制模式，但是用调制模式，但是用ADAD模式的滤波电路？模式的滤波电路？模式的滤波电路？模式的滤波电路？ 2/)2(1 2/ )( BTLgBTL BTL BTLDiff RCCs R sLsZ   2 2/ 1 1 )( )( )( sCL R L s sV sV sH gBTL BTL BTL IN OUT Diff   • Cbtl 对共模信号没有任何滤波效果； • 要保证共模cutoff频率都远离功放的 工作频率； • Q值按AD模式来计算 )2(2 1 gBTL cutoff CCL f    差模信号的截止频率： 共模信号的截止频率： g cutoff CL f   2 1 g BTLCM sC sLsZ 1 )( BTL gBTL L L CC R Q   2 2 • 功放工作频率为250kHz，cutoff频率为27kHz； • Zcm at 250kHz – 功放工作频率点的阻抗，影响LC流经LC滤波器的电流. 多大比较合 适? ( Rload) • CMGain250kHz and DiffGain250kHz – 功放工作频率点的共模和差模增益. 影响EMI. 多小比较合适? (接近-40dB) • Peaking20kHz – 音频高频失真. 我们能接受的： 2dB 10 3 10 4 10 5 0 10 20 30 40 50 60 Freq (Hz) Impedence (ohms) Impedance Response: Lbtl=33uH, Cg=1uF, Cbtl=NA, Rbtl=8ohms, Q=0.696 Zcm, Z250kHz = 51ohms Zdiff 10 3 10 4 10 5 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Freq (Hz) |H(jw)| (dB) Frequency Response: Lbtl=33uH, Cg=1uF, Cbtl=NA, Rbtl=8ohms, Q=0.696 FRcm, CMGain250kHz = -38dB FRdiff, Peaking20kHz = -1.2dB Gain @fo=28kHz = -3.1dB DiffGain250kHz = -38dB Graphs 8Graphs 8ΩΩ & Discussion& Discussion Butterworth L=33uHButterworth L=33uH Graphs 8Graphs 8ΩΩ 10 3 10 4 10 5 0 10 20 30 40 50 60 Freq (Hz) Impedence (ohms) Impedance Response: Lbtl=15uH, Cg=1.5uF, Cbtl=NA, Rbtl=8ohms, Q=1.26 Zcm, Z250kHz = 23ohms Zdiff 10 3 10 4 10 5 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Freq (Hz) |H(jw)| (dB) Frequency Response: Lbtl=15uH, Cg=1.5uF, Cbtl=NA, Rbtl=8ohms, Q=1.26 FRcm, CMGain250kHz = -35dB FRdiff, Peaking20kHz = 2dB Gain @ fo=34kHz = 2dB DiffGain250kHz = -35dB Peaking L=15uHPeaking L=15uH • Zcm at 250kHz – 减小，但是仍然比较高. • CMGain250kHz and DiffGain250kHz：Peaking20kHz – 2dB • Cutoff频率为34kHz 8 Ω Qfo (kHz) Peaking at 20kHz (dB)(μμH)(μμF)(Ω)(dB)(dB) THD+N @ 1W, 1 kHz ** (%) 0.7*28-1.233151-38-38.05248 0.7*41-0.28220.6834-31-31.0837 0.708600150.4722-25-25.0997 BD Mode 8BD Mode 8ΩΩ Recommended FiltersRecommended Filters BTL L g C 250kHz_CM Z kHzCM Gain 250_ kHzDiff Gain 250_ * Butterworth Filters ** Measured with TPA3106D1 EVM, Vcc = 24V 总结：总结：总结：总结： 1.LC滤波器及Boost电容选用X7R或X5R的，但不能选用Y5V； 2.Cutoff频率要求设在30kHz～60kHz左右，同时要保证远离功 放。