汽车Class D放大器电感滤波器设计挑战

CODACA科达嘉电感 2023-06-14 974

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描述

1.前言

新能源汽车快速发展，极大加强中国汽车行业进入市场的优势，在传统车厂，互联网造车和新势力造车的不断发力，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。尤其数字放大器（Class D放大器）技术快速发展，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；

2.放大器设计和选择

2.1 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；

2.2 Class D 音频电感的设计

2.2.1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，在大功率稳定工作取得业界领先的性能（4倍于友商，参考5.5章节）。

2.2.2 优秀的频率响应特性

磁芯材质ui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。

Ui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。

2.2.3 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（友商是我们的4倍以上，详见5.5章节）。

2.2.4 低磁损

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，设计，成本会遇到相互排斥的技术难题，科达嘉功过科技攻坚，在成本，磁损获得极佳的平衡，不仅具有优秀的性能，还具备极高的性价比。

2.2.5 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。

3.数字放大器选型

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

FDA801A的链接（官方）：FDA801 - 4x50 W class-D

4.放大器设计

滤波器结构

计算公式

曲线

电感：10uH

铝箔电容：1uF

Fcut-off=50.3Khz

5.Class D放大器的性能测试

5.1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18.200, 0.160, 0.89%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