D类音频放大器的输出低通滤波器设计

为了实现去耦电容，我们必须考虑峰值开关电流，以获得一个最小电容。针对峰值开关电流的最小有效电容可由下式计算：



式中：为周期，DMAX为最大占空比，VRIPPLE为纹波电压。

ESR在大多数场合中都会引起纹波电压。由ESR和IPEAK产生的最大VRIPPLE为：

由上式我们注意到：ESR将会对电容器的有效电容产生影响。建议并联两个或更多的电容，以减小针对不同频率范围的ESR。通常采用两种不同类型的电容，一般是把具有较高电容值的电解电容或钽电容用于低频滤波器(小于10kHz)，而将一个并联的小容值陶瓷电容用于高频滤波(＞300kHz)。

对于D类音频放大器，“美国国家半导体”推出了10W单声道D类产品LM4668和LM4680。这些产品只需要少量外部元件，为工程师带来了音频产品的简易而完善的解决方案。LM4668和LM4680采用平衡、浮动调制器设计来免除衬底噪声。平衡调制器的PWM输出用于驱动LM4668或LM4680的H桥配置输出功率MOSFET的栅极。脉冲序列将被加至一个输出LC滤波器，以消除不需要的高频信号。LM4668和LM4680的调制器的标称开关频率约为450kHz。

下面给出的是LM4680的应用框图(见图5)，其LC输出滤波器的取值已确定(表2)。

推导出的元件与截止频率(Fc)的关系式为：

滤波器的两个电感的数值等于：



三个电容的数值均等于：



建议把具有上述特定参数值的二阶LC输出滤波器用于LM4680的输出滤波(对于一个8Ω负载)；可以获得47kHz的标称截止频率。它确保20kHz时的衰减远小于3dB。



表1：表中列出了对应于特定fc和RL的电感值和电容值。

关于电感的建议

当把负载驱动至最大功耗时，输出滤波器电感必须具有一个高于放大器的最大输出电流的最大额定电流。所以，当向8Ω负载输送10W输出功率时，最大输出电流可能在1.1A(RMS)左右，因此电感的额定电流至少应为1.2A(RMS)，以防止电感发生任何的饱和现象。建议采用屏蔽式电感器，以便更好地抑制EMI。例如TOKO(A7503HY-270M)电感(见图6)。

LM4668和LM4680可在各类应用中使用，包括LCD显示器、电视、电脑声卡、多媒体扬声器和广播系统等。这两款器件均能够向8Ω负载提供6W BTL输出功率(0.2% THD)，也可向8Ω负载输送10W输出功率(小于10% THD)。

LM4668和LM4680提供了短路保护、热保护、过调制保护等功能。因此，它们是在您的系统中实现高品质和高稳定性D类音频放大器的理想器件。LM4668提供TSSOP-20和LLP-14封装，LM4680提供LLP-14封装。


表2：LM4680的LC输出滤波器的取值。

基于相同D类算法的BTL输出10W D类立体声器件LM4681即将面市。除了可驱动8Ω负载的10W立体声通道之外，LM4681还提供了立体声耳机驱动器以及用于停机和32级音量控制的I2C/SPI可选控制接口。它拥有面向众多应用的丰富功能。LM4681的内部电路框图如图7所示。

由于I2C和SPI控制接口在不同类型的系统中均得到了十分广泛的运用，因此，它将为工程师在系统硬件上进行设计提供了便利，并能够以较少的外部元件来构建系统。LM4681能够向8Ω负载输送每通道10W的输出功率(小于10% THD)，也可向32Ω耳机提供每通道80mW的输出功率(＜0.5% THD)。当驱动扬声器时，音量控制范围为+30dB至-48dB；当驱动耳机时，音量控制范围为+13dB至-65dB。该器件提供LLP-48封装。

本文小结

在这个数字化世界里，许多系统和产品都已经数字化了，D类放大器就是基于这种原理的常用音频放大技术。它能够提供较高的效率，因而适合于实现更加纤巧的外观设计并节省更多的功率。在这一最新的电子产品领域，美国国家半导体的D类音频放大器能够完美地为众多应用中的系统提供高品质和高稳定性。