LC滤波电路参数设计验证

shaorc

对D类功放芯片输出进行LC滤波电路设计选型现在知道音频模拟信号的带宽是100Hz-16kHz，且负载扬声器最小负载为2欧姆（现按2欧姆进行计算）
我的输出拓扑是如图1所示
       图1

现计算出 L=15uH， C=10uF
【1】但是根据公式f=1/2*pi*根号LC，计算出截止频率为13kHz，并不是16kHz。这是不是要重新选取LC的值？
【2】由于通道功率为40W，模拟音频信号有效值为8V，则电感L到的电流为5A。那么对L进行选型时，选取的电感电流值应大到多少A？
出了结合电感体积、成本，是不是要通过仿真看纹波电压或者电流？此外，电感选取还考虑什么参数在这里的话
【3】电容C是选取薄膜电容，电容耐压值应该只需要大于我的模拟信号电压幅值（1倍）就可以了，1.414*8=12V，但是看到TI的同款芯片的LC滤波电路的电容C选取，薄膜电容的耐压值在250V（如图2），这时为什么？是不是薄膜电容的耐压值都较大？
  图2

maychang

又改成100Hz-16kHz了？
你的扬声器能放出16kHz的声音么？
能够工作到16kHz的扬声器，比你的D类功率放大芯片贵得多。

shaorc

maychang 发表于 2019-4-29 16:15
又改成100Hz-16kHz了？
你的扬声器能放出16kHz的声音么？
能够工作到16kHz的扬声器，比你的D类功率放大芯 ...

这个扬声器的播放频率可以先放一放
就按照理论计算来选取L和C
我首贴的几个问题还请您解答一下

maychang

shaorc 发表于 2019-4-29 16:18
这个扬声器的播放频率可以先放一放
就按照理论计算来选取L和C
我首贴的几个问题还请您解答一下

先不说LC滤波，说说电流的计算。
你的扬声器阻抗2欧，功率放大器能否输出40W？须知功率放大器输出功率并非一成不变的。这一点，查查datasheet就知道。

maychang

薄膜电容耐压值一般较大，因为耐压与薄膜厚度有关，膜厚则耐压高。但是，太薄的膜很难制造出来。

shaorc

maychang 发表于 2019-4-29 16:51
薄膜电容耐压值一般较大，因为耐压与薄膜厚度有关，膜厚则耐压高。但是，太薄的膜很难制造出来。

“薄膜电容耐压值一般较大，因为耐压与薄膜厚度有关，膜厚则耐压高。但是，太薄的膜很难制造出来”

按照您这个逻辑，是不是应该是 膜薄则耐压高？
要不然怎么薄膜电容的耐压值大？

shaorc

maychang 发表于 2019-4-29 16:49
先不说LC滤波，说说电流的计算。
你的扬声器阻抗2欧，功率放大器能否输出40W？须知功率放大器输出功率并 ...

是可以的

maychang

shaorc 发表于 2019-4-29 17:00
“薄膜电容耐压值一般较大，因为耐压与薄膜厚度有关，膜厚则耐压高。但是，太薄的膜很难制造出来”

按 ...

“按照您这个逻辑，是不是应该是 膜薄则耐压高？”

那是不可能的事。
你查查一定压强空气耐压值(空气间隙被击穿)和距离的关系就知道了。

maychang

shaorc 发表于 2019-4-29 17:22
是可以的

那么，你的40W是怎么来的？你可没有办法控制你的D类功率放大芯片恰好输出40W功率，因为输入信号(话筒、录音机……等等)你没办法控制，使用话筒的人若是使劲喊一声怎么办？

topwon

【1】但是根据公式f=1/2*pi*根号LC，计算出截止频率为13kHz，并不是16kHz。这是不是要重新选取LC的值？
-------你是用我上传的TI计算表吗？那个算出的cut-off频率 13KHz，应该是我昨天帖子里说的f0，而截止频率fc应该看右边图表中对应喇叭曲线与横轴（-3dB）交点的频率（你的参数计算出Q值大于0.707,所以截止频率就会比13KHz高一些）。

shaorc

topwon 发表于 2019-4-29 18:22
【1】但是根据公式f=1/2*pi*根号LC，计算出截止频率为13kHz，并不是16kHz。这是不是要重新选取LC的值？
-- ...

谢谢，这里没看懂，能否图解一下，fc和fo，还有怎么看出你说的截止频率高于13khz。我是记得maychang老师说过，二阶的滤波电路这两个值不太一样

topwon

f=1/2*pi*根号LC，这里的f应该就是LC电路的谐振频率f0，应该也被称为固有频率（或中心频率？）。而截止频率fc一般是以-3dB对应的频率点，可以在幅频响应曲线上找到(图示中右边的2个桔黄色圆圈处，最右边是局部放大图，横轴就是-3dB线）。 Ti计算表中用cut-off来描述f0，我个人认为是有错误的。如果你选择适合的负载电阻值（比如1.733欧），使得Q值等于0.707的话，二者才会等同（图片中对应1.733欧的曲线会在13KHz处与-3dB相交）。

topwon

针对你的具体设计要求100Hz-16kHz，我觉得首先要考虑电感值尽量小一些（体积成本可以减小，电流容易做大）。而且需要考虑元器件的精度范围，电感一般是20%吧，薄膜电容考虑5%，负载电阻会更复杂些（因为实际上喇叭不是纯阻性负载）先假定是10%吧。你需要保证LCR元件精度范围内计算出的fc都能大于你要求的16KHz。其实对于这种实际产品，我自己做的话是会把fc做到20KHz以上的，因为这个LC低通滤波的主要作用是去掉classD功放的开关频率（相当于载频），一般都有几百KHz了，这样fc就算是做到4、50KHz也应该没有问题（实际上很多不考虑EMI问题的产品，都可以省掉这个LC，直接利用人耳的低通滤波器特性来去掉载频），这样电感和电容值都可以取小些，方便选取适合的物料（体积、成本、供货等）。

topwon

3,薄膜电容一般的耐压值有 50V-63V-100V-250V DC。耐压越高价格和尺寸应该也越大。一般取值比PVDD（应该不是和音频模拟电压幅值比较，因为LC过滤的是PVDD幅度的方波，还要考虑有一些过冲余量）高一些应该就可以了。比如24V-36V供电用50V耐压的薄膜电容，应该是没有问题的。48V供电用63V耐压，我没有做过，但是个人分析是可以的。

topwon

【2】由于通道功率为40W，模拟音频信号有效值为8V，则电感L到的电流为5A。那么对L进行选型时，选取的电感电流值应大到多少A？
----40W@2欧，为啥是8Vrms？应该是大约8.9Vrms吧？电感的5A电流你是怎么算出来的？40W/8V（实际是40W/8.9V） ?这个是电感电流的平均值吧，电感的标称电流值要大于 平均电流+纹波电流峰值 ，而纹波电流峰值各个功放芯片应该是有对应的计算公式。

topwon

maychang 发表于 2019-4-29 17:27
那么，你的40W是怎么来的？你可没有办法控制你的D类功率放大芯片恰好输出40W功率，因为输入信号(话筒、录 ...

这个在具体设计的时候，应该是保证输入信号幅度最大的时候，能输出40W最大功率值。而输入音频信号的幅度范围，目前看来是比较混乱（音频源的标准并不统一），我个人是以0.2Vrms-2Vrms来考虑的，并加限幅电路保证更大的信号不至于损坏后级。有些高档的功放会设置输入灵敏度调节能力，以更方便地匹配各种音源信号幅度。他这个产品是用于特定场合，前级音源的选择和兼容估计会相对好处理些。

gmchen

13楼讲得是有道理的，那么精确地计算那个LC滤波器的截止频率有点刻舟求剑的味道。
如果要学习LC滤波器设计，最好去看几本有关的书，网上很多设计软件都只给结果，如果你不清楚原理会被它弄得一头雾水的。就拿楼主在首楼的设计来说，我粗略地验证了一下，大致上是一个带内波动为0.25dB的切比雪夫型低通滤波器，-3dB带宽确实在16kHz附近。

maychang

topwon 发表于 2019-4-30 10:18
这个在具体设计的时候，应该是保证输入信号幅度最大的时候，能输出40W最大功率值。而输入音频信号的幅度 ...

楼主采用了D类功率放大芯片，但未说明该芯片供电电压。对芯片来说，供电电压决定了最大输出功率，楼主可能不清楚这一点。
放大器最大输出功率如果远大于扬声器额定功率，那么扬声器工作时是有一定危险性的，楼主好像也不清楚这一点。

shaorc

gmchen 发表于 2019-4-30 10:37
13楼讲得是有道理的，那么精确地计算那个LC滤波器的截止频率有点刻舟求剑的味道。
如果要学习LC滤波器设计 ...

谢谢指点 我也在看书查资料 不过书上总喜欢拿5阶的LC低通滤波来举例子

gmchen

LC滤波器的截止频率不是简单地按照1/(2*pi*sqrt(LC))这样算的。因为要考虑负载和信号源内阻对于LC回路的Q值的影响，高于2阶的还有前后级的相互影响。