汽车Class D放大器电感滤波器设计挑战

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

CLassD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（Classd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ClassD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

5.2 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。

5.3 大功率电感对比和选择

5.3.1-25W THD+N 频率扫描测试

友商VS科达嘉CSD1013-C-100L

性能测试

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0.018%左右，远低于友商的0.03%。

5.3.2-30W THD+N 频率扫描测试

友商VS科达嘉CSD1013-C-100L

性能测试

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%）。

5.3.3-35W THD+N 频率扫描测试

友商VS科达嘉CSD1013-C-100L

性能测试

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%。

5.3.4-40W THD+N 频率扫描测试

友商VS科达嘉CSD1013-C-100L

性能测试

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%。

5.3.5-50W THD+N 频率扫描测试

友商VS科达嘉CSD1013-C-100L

性能测试

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%。

5.4 fft分析

5.4.1-100HZ 30W fft对比分析

友商型号VSCSD1013-C-100L

性能测试

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。

5.4.2-100HZ 35W fft对比分析

友商型号VSCSD1013-C-100L

性能测试

35W大功率测试，友商的ClassD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。

5.4.3-100HZ 40W fft对比分析

友商型号VSCSD1013-C-100L

性能测试

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。

5.4.4-100HZ 50W fft对比分析

友商型号VSCSD1013-C-100L

性能测试

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。

5.5 大功率稳定度(线性度）：

CSD1013-C-100L 1W-50W的大功率长时间表现能力：0.013%到0.041%变化0.038%变化

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

6.数字放大器总结

6.1 友商Class D电感依然是业界佼佼者，能够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。

6.2 科达嘉团队技术攻坚设计数字音频功率电感有更好的线性，在谐波分布特性，更加符合听觉心理学（5.4章节）。

6.3 科达嘉CSD1013C-100L在低失真，超高线性型电流，宽温稳定性，具有非常大优势，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；

6.4 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%）。

7.数字放大器设计application note

本文转载自有道云笔记：https://note.youdao.com/ynoteshare/index.html?id=88cc73f4420043996bc89451560c38ca