D类功放输出滤波器的优化与仿真

D类功放输出滤波器的优化与仿真

第4期电子元件与

材料 Vol. 23 No. 4 2004 年 4 月 ELECTRONIC

COMPONENTS & MATERIALS Apr. 2004 HIC技术

陈新国，程耕国，高厚礼，杨岚

(武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉,,,,

摘要:分析了 D类功放大器输出滤波器设计的必要性，并且利用 巴特沃思低通滤波器的设讣方法对电路参数进行优化设讣;采用

Filter Free软件仿真滤波器的频域特性。最终达到消除PWM信号中的电磁干扰信号，提高效率和保真度，减小输出滤波器的体 积和成本。关键词:滤波器;开关信号；电磁干扰信号；优化中图分类号：

TN73

文献标识码:A

文章编号:1001-2028 (2004) 04-0045-03

Optimization and Simulation of Class D Audio Amplifier Output

开关信号和

Filter

CHEN Xin-guo, CHENG Geng-guo, GAO Hou-li, YANG Lan

(Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract: It deems essential that output filter be taken into account when designing D class・ The author recommends

lowpass Butterworth filter designing method to optimize circuit parameter involved, and takes advantage of Filter Free software simulating frequency characteristics of the output filter・ Filter may serve the role to eliminate switching and EMI interfere in PWM signal. Thus to improve efficiency and fidelity, lower the filter cost and component sizes・

Key words: filter; switching-signal: EMI signal; optimization 人们在日常生活

中经常用到如手机、笔记本电脑以及CD机等便 携式产品，这类产品要求体积小，便于携带;且高效节能，电池的使 用时间长，因此产品的音频系统大多采用D类功放，输出滤波器是D 类功放的主要部分，对功放的体积、效率以及保真度都有很大的影响。 本文详细论述了怎样设计一个体积小、价格便宜、且具有较好滤波效 果的高效输出滤波器。

1设计输出滤波器的必要性及设计方案 1. 1设讣输出滤波器的必要性

D类功放采用脉宽调制技术(PWM),把音频信号经三角波调制， 转换成周期固定、占

空比变化的方波(称为PWM信号)。在PWM信 号中即有全部的音频信息，也包含了

MOSFET功率管的开关信号，而

开关信号在输出端是一种干扰;另外，在放大器与扬声器之间的音频线构成一 个平行的电容性负载，且PWM信号是占空比可变的方波，电压的变化率(dV / dt) 很大，这时电容性负载与音圈产生电磁干扰(EMI)信号，这些电磁干扰信号对外辐 射能量，影响其它射频线路的正常工作，提高总谐波失真加噪声

(THD+N),降低功放效率，对像手机之类的产品，还会影响使用者的健康。因 此，设

计输出滤波器，消除开关信号和电磁干扰信号是必要的。1.2设计方案的 讨论

开关信号与EMI信号的频率远比音频信号高，不在人们的听觉范围之内，也不 能驱动扬声器发出声音，但在阻性负载上要消耗一小部分能量，降低功放的效率。 为此，在设讣滤波器时，通常利用电感的感抗(XL)随频率变化的特点来抑制高频信 号，保留有用的音频信号。比如:在输出端串接一电感系数是42.4 PH的电感，则 频率为30 kHz的音频信号，感抗为8 0,而频率为230 kHz的开关信号，感抗为 66.7 Uo可见，开关信号在电感上的感抗是音频信号的八倍以上，当两者电压一定 时，输出端开关信号的电流只是音频信号的八分之一，开关信息基本被抑制。

在实际中，电感的感抗与自感系数和信号频率成正比。但自感系数越大的电 感，体积越大，价格也越贵。如果保持感抗不变，增大开关信号的频率，可减小电

感的自感系数，比如开关频率从250 kHz提高到1 MHz时，自感系数减小为原来的 四分之一，极大地

收稿日期:2003-09-22修回日期:2003-11-21基金项目：国 --------------------

家自然科学基金资助项U (60074032)作者简介:陈新国(1971-),男，湖南益 阳人，在读研究生，讲师，研究方向为信号处理;程耕国(1947 -),男，湖北武汉 人，博士，教授，研究

方向为压电材料及信号检测。Tel: (027)86302461; E-mail:

xinguo666@sina・ com。 46电子元件与材料2004年

降低了滤波器的价位，减小了体积，那么这是否说明开关频率越高越好呢， 首先，D类功放是一种非线性功放，功率管的每一次开关，就是一次从饱和区 到截止区或者从截止区到饱和区的过渡，而每一次过渡都要经过线性放大区，当功 率管工作在放大区时，可以等效为一个电阻，需要消耗能量：

P1

SWITCH二2fOSCIOUT2(tON+tOFF)2RON(1)

式中:PSWITCH是单位时间里工作在线性区消耗的能量;IOUT是输出电流;tON和 tOFF是功率管上升和下降的时间;fOSC是振荡频率;RON是功率管工作在线性区的 等效电阻。上式说明功率管开关频率越高，功率管消耗的能量越大，效率越低。另 外，电感的自感系数越小，体积越小，绕线丝就越小，电感本身的阻值会增大，消 耗的能量增多，也使效率降低。

其次，开关频率的高低对音频信号的保真度也会有很大的影响,

如果采样率太低，根据采样定理，输出滤波器的截止频率相对减小，从而会丢 失一小部分音频信号。一般来说，对音频信号的采样率越高，失真越小，但是比较 器和功率管桥的摆动程度会增加，比如开关频率是1 MHz,周期是1 is,假设比较 器的电压变化率是50 V/ls,输出电压是0V,当占空比为50%时，在一个周期 中输出的平均电压是2.5

V,如果减小占空比到3%,这时比较器输出达到5 V没有 足够的上升时间，在状态改变之

前，0. 05 Is的时间里，输出电压仅上升到2. 5 V,然后乂回到0V,在一个周期中的平均电压是125 mV,只是预期平均电压250 mV的一半；当占空比为9熬时，情况正好相反。这样，由于比较器的上升率导致了 信号峰值的衰减。

综合上面的分析，根据实际情况选择合适的开关频率和滤波电感，会提高D类 功放的保真度和效率，减小体积，降低成本。

2典型输出滤波器的设计

输出滤波器的设计应考虑两方面，一是系统的频率响应;二是滤波器的类型。 音频信号的频率一般在22 Hz~22 kHz,如果低通滤波器的截止频率太低，会导致 音频信号的丢失、THD+N和滤波器元件值的增大;截止频率太高，乂会使干扰信号 增加，效率降低。另外，无源低通滤波器的类型很多，最常见的有巴特沃思 (Butterworth)滤波器、切比雪夫(Chebyshev)滤波器等，它们各有特色。切比雪夫 滤波器在过渡带有很快的衰减，逼近理想，但在通带内等波动；巴特沃思滤波器在 通带内最大平坦近似，但过渡带的衰减不如切比雪夫滤波器。对于两阶低通滤波

器，两种类型的电路相同，只有元件值不同。下面

介绍的是一个 基于 MAX42950UT+ 的典型巴特沃L1 思输出滤波器C2

RL 8?

的设计（电路如 图1所示）。

OUT- MAX1295

是一种由MAXIM公司生产的单声道D类音频放大器，单电源（2. 7迄.5 V）工 作，在负载是4 U时，输出功率是2 W,效率可达85%,有四种振荡频率（125 kHz、250

kHz、500 kHz、1 MHz）可供用户选择，桥臂的两个输出引脚是OUT+和 OUT-,分别输出

周期不变、占空比可变的、反相的PWM信号（如图2）。

如果截止频率选择100 kHz,开关频率选择500 kHz,负载是RL二8 Ci的扬声器 （电路如图1所示），查表［1］可得巴特沃思滤波器的传递函数：

H（s）=l s2+l. 4142s+l

查表［1］可得巴特沃思低通滤波器电路的归一化元件系数值:

a 1=1.414 2 P 2=0. 707 1

当负载RL二8 0,截止频率CDC=100 kHz时，得：

Lo二RL二c 105. 14X2 =1. 27X1095 X X3

贝9：

Ll= a lLo=l. 4142X1. 27X10?5=17. 961H C2= P 2Co=0. 7071X0. 199X10?6=0. 1401F

考虑到MAX4295内部平衡桥的输出端引脚有0UT+和OUT-,为了使输出仍然平 衡对称，在设计中通常釆用双极型的平衡滤波器（如图3）,在这个电路中，L1与 C1接在MAX4295的输出端0UT+, L2与C2接在MAX4295的输出端OUT-,当

L1=L2=9 uH, CC1=2二0. 07 u F

时，双极型滤波器与单极型滤波器的截止频率保持不变，而电路保持了

MAX4295的内外平衡，对两极的开关信号和EMI信号都能消除，其效果比单极型滤 波器

更好。

对于双极型电路，还可以采用三电容的形式（如 图4）,每个电容

的电容量是单极型电容容值的1/3,即C1二C2二C3二0. 047 nF,这

样从OUT+和OUT-都能看到一个0. 14 PF的电容，

输出仍然保持平衡，但电容量减小，体积减小，成本降低，在物理上更容易实 现。 在实际中，设计者可以根据不同的产品选择不同的截止频率和负载，改变滤波 电感和电容的元件值，从而改变滤波器的体积，比如对音质要求不高，但体积小的 手札可以适当提高截止频率到200 kHz,这时电感和电容的元件值减小到原来的 一半，即

L1=L2=4. 5 PH, Cl=C2=C3=0. 023 PF,从而减小滤波器的体积，减小 PCB板的面积，使手

机更小巧，更人性化。

值得注意的是:为了减小开关信号和EMI信号的辐射，在设it PCB板时，电感 应尽可能幕近MAX4295;在电容和电感之间的线路应该最小;且电容的物理尺寸应该 比电感更小。

3输出滤波器的仿真

对于滤波器设计的好坏，可以用仿真软件来检验，笔者采用NUHERTZ公司制作 的

Filter Free软件来仿真上文设计的截止频率是100 kHz的滤波器。这种软件只 能仿真

单极型的滤波器，对于平衡的双极型滤波器无能为力。在仿真时，应该先转 换成单极型滤波器，

实际的转换过程很简单，取滤波器电路实际负载的一半来设计转型滤波器，电 路和参数如图5所

示。用转型滤波器电路仿真产生的特性曲线与双极型滤波器的完全相同。

NUHERTZ公司制作的Filter Free软件是一种非常好的免费软件,

对话界面方式，操作简单，参数设定容易，坐标轴的显示精度可以任意设定， 能自动显示时域和频域曲线、电路图、滤波器的传递函数以及

零点、极点的位置，并且图像和曲线可以截取和打印。图6、图7分别是本文 设讣的输出滤波器的幅频特性曲线和相频特性曲线。

Bd / L )?(/ ?从滤波器的频域响应曲线可以看到，0、30 kHz的频率范围内， 幅频

儿乎没有衰减;相频具有较高的线性度，在30 kHz时，其相移？小于25?,因 此音频信息能高保真地输出；从100 kHz以后，幅频衰减很快，在500 kHz,幅频 衰减L达到28

dB,小于原信号的4%,开关信号与EMI信号基本被滤波器抑制。

4

小结

随着D类功放日益被人们所认知，应用在不同场合的输出滤波器的设计理念和 方式也将层出不穷，笔者设计的输出滤波器可使D类功放的效率提高2% ~ 4%, THD+N在1%以内，且体积小、成本低，基本能满足大多数用电池驱动的便携式产品 的音频系统的要求，如手机、笔记本电脑、PDA、便携式CD机、MP3机等。

参考文献：

[1]吴湘淇.信号、系统与信号处理(下)[M].北京：电子工业出版社， 1999. 1.

[2] Duncan McDonal. Class D audio amplifier output filter

optimization [JZ・

Electron Prod Mag, 2002, (8) : 36 - 43.

(编辑:尚木)