汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

发布日期:

2023-06-12

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汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战


新能源汽车的快速发展,极大增强了中国汽车行业的市场竞争优势。在传统车厂、互联网造车和新势力造车的不断发力下,新能源汽车越来越注重智能座舱的音响体验,大功率功放、杜比音响,7.1.4,7.3.4全景声也逐渐进入了汽车领域。如何设计超多声道,超大功率放大器已经颠覆了传统的汽车音响设计。尤其是数字放大器(Class D放大器)技术的快速发展,大功率、多声道、高性能功放系统让汽车移动影院、歌厅、HIFI音响成为了可能。

Part1


放大器设计和选择



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Class D电感简介

汽车音响系统设计如何选择放大器的类型呢?随着数字放大器技术突破,Class D类放大器已经成为新能源汽车主流技术。


什么是数字放大器(Class D放大器)呢?数字放大器不同于传统的甲类(A类)放大器和甲乙类(AB类)放大器,是一种工作开关信号的放大器,具备高开关频率(>300KHZ),高效率(>80%),高性能(THD<0.05%),大功率(10-1000W单声道),高动态的放大器技术。


虽然数字放大器具备传统的Class A和Class AB放大器无法比拟的优点,但是数字放大器(Class D放大器)设计也会面临极大的挑战,比如数字放大器的功率电感(D类电感)设计,其小体积,低成本,超低失真,超大功率设计要求,成为了行业难题,如何设计高性能,超高线性,超低失真的Class D电感成为各大电感厂商努力追求的目标。




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Class D 音频电感的设计

数字放大器音频电感的线性设计

到达一定的磁场强度下磁芯会发生磁饱和,这个电感值会衰减,影响音频电感电流线性度。良好的电流线性度,是各大音频电感需要攻克的技术难题,科达嘉研发团队和供应商一起解决了音频电感线性度问题,在大功率稳定工作上取得业界领先的性能(4倍于友商,参考下文大功率稳定度测试)。


优秀的频率响应特性

磁芯材质μi值会随频率的增加发生变化,这是数字放大器音频电感另外一个挑战。


μi随频率变化带来动态电感值变化,会动态影响滤波频率特性,影响系统线性度和音频频率响应曲线(出现动态波峰波谷变化);也会造成整个Class D放大器系统非线性失真,影响音响整体性能。


科达嘉通过技术攻坚,取得±6.5%频率变化特性,在300-900KHz数字放大器工作频率,0.5%线性稳定度,大幅度降低降低失真,取得业界领先的技术性能。


宽温度线性度

高温环境下电感表面温度会导致电流线性度和频率线性度发生变化,进而影响CLASS D滤波性能,引起音频系统级性能降级。


在中低音和重低音数字放大器设计中带来巨大挑战,科达嘉通过设计、材料、工艺取得非常好的科技成果,在长时间全范围单一频率功率耐受性测试取得极佳的特性,失真温度耐受性长周期测试,取得业界领先的性能。


低磁损

采用低损耗的磁芯材质来设计音频电感有助于降低磁芯损耗,减少磁芯发热量,提升整机的输出效率。


数字放大器音频电感设计会遇到性能、体积、成本问题,还会遇到相互排斥的技术难题。科达嘉通过科技攻坚,在成本、磁损方面获得极佳的平衡,不仅具有优秀的性能,还具备极高的性价比。


持续稳定大电流工作

优秀的瞬态特性和长期大电流稳定性性能,是数字音频电感的最为关键的性能,其大功率工作的温度特性,对Class D数字放大器长期可靠性有着至关重要的影响。


科达嘉研发团队通过专利的设计,降低线圈的直流损耗,涡流损耗以及交流损耗,不仅保证了优秀的动态特性,也保证长期大功率耐受性的可靠性。



Part2


数字放大器选型


FDA801A是ST第三代数字放大器(Class D放大器),是被汽车行业广泛应用的数字放大器(Class D放大器)功放方案。在新势力造车、传统汽车、互联网造车领域都具有比较好的行业认可度,其闭环class D电感反馈技术,高电压工作(最高25V),超高效率93%,能够适用于多种场合,其25V供电能够提供135W的功率输出,还可以用于低音炮的数字放大器(Class D)功放设计。


汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战


FDA801A是ST第三代数字放大器


汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

表1:4欧姆-BTL功率电压计算



Part3


放大器设计


1.滤波器结构


汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

2.计算公式

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战


3.曲线


汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

电感:10μH

铝箔电容:1μF

Fcut-off=50.3KHz



Part4


Class D放大器的性能测试



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测试原理

测试原理:

CLass D音频电感测试和功放性能测试是一个比较复杂和专业的的工作,加上负载,通过不同功率输出THD+N曲线扫描测试,可以评估出功放失真性能,同时也可以评估数字放大器音频电感的失真性能。


测试和分析不同功率单一频率的fft曲线,可以测试数字功放(Class d功放)最终失真分布性能(评估多次谐波 (18.040, 0.050, 0.28%)的能量分布),更换不同的音频电感型号,可以测试出电感失真性能和谐波分布状况,评估音频电感最终性能。


不同功率音频电感的THD+N曲线,可以很容易测试Class D电感失真性能,线性度和功率输出一致性。


测试仪器:

1.AP555 音频分析仪

2.AUX002 Class D 滤波器

3.24V 开关电源

4.100W 4 欧姆负载电阻


曲线:


汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战




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THD+N VS频率和不同功率扫描测试

测试方法:使用AP555进行不同功率扫频THD+N负载测试。

测试目的:评估系统和音频功率电感性能。




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大功率电感对比和选择

测试产品型号:友商某型号大功率电感、科达嘉CSD1013C-100L电感。


  • 25W THD+N 频率扫描测试

    汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

测试结论:CSD1013C-100L数字音频电感具备优秀的大功率工作特性,即使25瓦稳定大功率,中低频失真在0.018%左右,远低于友商的0.03%。


  • 30W THD+N 频率扫描测试

    汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

测试结论:CSD1013C-100L数字电感在30瓦稳定大功率测试,中低频失真0.018%左右,保持优秀的线性度,友商失真从0.03%上升到0.044%左右(上升47%)。


  • 35W THD+N 频率扫描测试

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

测试结论:CSD1013C-100L具备优秀的大功率工作特性,35瓦稳定大功率,中低频失真0.02%左右,远低于友商的0.055%。


  • 40W THD+N 频率扫描测试

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

测试结论:CSD1013C-100L具备优秀的大功率工作特性,即使40瓦稳定大功率,中低频失真0.023%左右,远低于友商的0.56%。


  • 50W THD+N 频率扫描测试


    汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

测试结论:CSD1013C-100L具备优秀的大功率工作特性,50瓦稳定大功率,中低频失真0.038%左右,远低于友商的0.07%。




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fft分析

  • 100HZ 30W fft对比分析:

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

技术说明:30W大功率测试,友商的Class D音频电感失真三次谐波贡献超过40%,CSD1013C-100L仅有5%不到贡献,并且底噪也小于友商6-8db(30-50%)取得优秀听感表现。这是衡量音频功率电感性能重要的指标之一。


  • 100HZ 35W fft对比分析:

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

技术说明:35W大功率测试,友商的Class D音频电感失真三次谐波贡献超过45%,CSD1013C-100L仅有5%不到贡献,并且底噪也小于友商6-8db(30-50%)取得优秀听感表现。这是衡量音频功率电感性能重要的指标之一。


  • 100HZ 40W fft对比分析:

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

技术说明:40W大功率测试,友商的Class D音频电感失真全面提升,CSD1013C-100L比较稳定,失真依然比较均衡,底噪小于友商6-8db(30-50%)取得优秀听感表现。这是衡量音频功率电感性能重要的指标之一。


  • 100HZ 50W fft对比分析:

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

技术说明:50W大功率测试,友商的Class D音频电感失真全面提升,三次谐波占据50%以上,整体一倍于CSD1013C-100L,科达嘉音频电感比较稳定,失真依然比较均衡,底噪小于友商6-8db(30-50%)取得优秀听感表现。这是衡量音频功率电感性能重要的指标之一。




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大功率稳定度(线性度)

  • CSD1013C-100L Class D电感频率扫描THD+N VS 功率

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

1W-50W的大功率长时间表现能力:0.013%到0.041%变化 0.038%变化。


  • 友商Class D电感频率扫描THD+N VS 功率

汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战

1W-40W的大功率长时间表现能力:0.016%到0.161%变化0.155%变化。



Part5


数字放大器测试总结


1. 友商Class D电感依然是业界佼佼者,能够在全功率范围有较好的表现,作为业界一流电感供应商,也获得市场成功和广泛认可。


2. 科达嘉团队技术攻坚设计的数字音频功率电感有更好的线性,在谐波分布特性上,更加符合听觉心理学。


3. 科达嘉CSD1013C-100L电感在低失真、超高线性型电流、宽温稳定性上具有非常大的优势,能够广泛应用于汽车25-100W的Class D放大器设计,对于适配300-800KHZ的开关频率数字放大器能够取得极佳的性能。


4. 科达嘉CSD1013C-100L重新定义了FDA801A失真曲线和性能,在1W 4欧姆的THD+N曲线测试(0.02%,CSD1013C-100L仅仅是规格书的65%(0.013%),且在35W以下功率范围保持0.02%以下(40W以下0.022%)。




Part6


数字放大器设计方案


汽车Class-D放大器电感滤波器设计挑战


1. NXP恩智浦

NXP Single Digital Loop Class D Amplifiers TDF853x - Leafl

说明:Class-D amplifiers for an A+ audio experience

备注:NXP 数字放大器(Class D)白皮书


2. ST意法半导体

Automotive Audio Power Amplifiers

说明:Automotive Audio Power Amplifiers selection guide


HFDA & FDA series – Full digital audio amplifiers for car infotainment systems

说明:HFDA AND FDA SERIES


3. TI 德州仪器

德州仪器扬声器放大器

说明:德州仪器扬声器放大器官方网站


Automotive External Amplifiers

说明:Automotive External Amplifier 设计


LC Filter Design

说明:数字放大器(Class-D放大器)LC滤波器设计

备注:Class D 放大器电感电容滤波器理论设计


4. Infeneon 英飞凌

音频放大器 - Infineon Technologies

说明:英飞凌Application note 的页面