本章全面介绍Class-D放大器的保护电路设计，包括DC输出故障保护、过流保护（OCP）和过温保护（OTP）。这些保护对可靠运行至关重要，可防止扬声器损坏、器件过应力和热失控。
14.1 Class-D故障条件
Class-D放大器在实际使用中面临多种故障风险：
- 扬声器负载阻抗变化、接线错误、短路
- 过驱动和过热（通风堵塞、风扇故障）
- 高效率使设计更紧凑，散热余量更小
主要保护类型：
- DC输出故障保护（扬声器保护）
- 过流保护（OCP）
- 过温保护（OTP）
- 高频输出保护
- 过/欠压保护（电源泵浦）
14.2 DC输出故障保护
14.2.1 为什么需要DC保护
扬声器危害：
- DC电流流过音圈产生固定锥盆偏移，无音频输出
- 音圈 功耗导致过热
- 音圈无运动时无气流冷却，温升更严重
- 过度锥盆偏移损坏折环和弹波
供电泵浦：半桥拓扑中DC输出导致正负供电轨电流不平衡，引起严重电源泵浦和过压。
14.2.2 高通滤波器
放大器输入端的高通滤波器阻止DC信号传播：
参考设计：（典型范围1Hz–7Hz），确保20Hz处衰减小于0.5dB。
14.2.3 MOSFET短路失效模式
功率MOSFET常见失效模式为短路。若上管短路至+48V轨：
- 直接连接+48V到8Ω扬声器
- DC电流
- 持续功耗
保护必须在器件失效时仍然有效——需要物理断开供电或输出路径。
14.2.4 继电器断开方案
优点：
- 常开（NO）继电器：默认安全状态
- 可用于开关机静音（“popless”启动/关闭）
- 可结合UVLO电路进行驱动资质验证
缺点：
- 体积和成本：大通孔器件，占PCB面积
- DC断弧能力：DC电流不经过零，触点分离时产生电弧（等离子体）
- 电弧距离取决于电压和电流
- 导致触点烧蚀、粘连或开路
- DC触点额定值远低于AC额定值
- 线圈功耗：0.3W–1W（持续保持功率）
- 磨损：有限操作寿命
锁存继电器：仅在状态切换时消耗功率，静态无需供电。但需注意振动/冲击可能导致意外状态改变，应在每次上电时主动脉冲复位到OPEN状态。
14.2.5 DC故障检测电路
窗口比较器（U26A）检测输出DC偏移：
- 典型跳变阈值：
- 3V时8Ω音圈功耗1.125W，4Ω音圈2.25W（安全范围）
DC故障功率对照表：
| DC故障电压 | 8Ω音圈功耗 | 4Ω音圈功耗 |
|---|---|---|
| 2V | 0.5W | 1W |
| 3V | 1.125W | 2.25W |
| 4V | 2W | 4W |
低通滤波器（R100A + R101A + C63A）：
- 衰减输出电压至比较器输入范围
- 单极点滚降仅检测DC分量
- 设计约束：20Hz满幅信号不触发DC故障
- 初始半周期峰值约为稳态的2倍（需额外裕度）
MOSFET短路响应时间：从0V到+48V阶跃，约20ms达到跳变阈值——产生可闻”砰”声但不应损坏扬声器。
14.2.6 DC故障锁存（LATCH）
采用PNP/NPN “SCR”结构（Q11 + Q16）实现锁存：
- 触发：任一个DC故障比较器输出低 → Q11导通 → Q16导通 → 正反馈保持
- 复位：LV_OK信号控制Q12，在上电/下电时保持锁存复位
- HV过压触发：通过R91输入，HV轨OV也触发锁存
- 复位方式：关闭再开启AC电源
14.3 过流保护（OCP）
14.3.1 短路电流上升速度
参考设计（，，）输出短路时：
- 第一周期上管导通（1.9μs）：电流从0A上升到4.145A
- 下管最短导通（100ns）：电流仅下降218mA
- 第二周期：电流从3.927A上升到8.072A
- 第三周期峰值达12A
14.3.2 OCP阈值选择
- 最大工作电流：100W/4Ω = =
- OCP阈值设为
- 检测延迟4μs → 峰值电流可达16A
- 电感须承受16A峰值（允许30%饱和）
14.3.3 电流检测方案
| 方案 | 位置 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 源极电阻 | 下管源极 | 参考固定电平，易接口栅驱动 | 上管需高CMRR电平转换 |
| 漏极电阻 | 上管漏极 | 参考静态正HV轨 | 仍需电平转换 |
| 电感串联电阻 | LC电感路径 | 简化功率级布局，单元件 | 大CM电压（音频信号） |
| 检测 | MOSFET内部 | 无额外元件 | 温度系数大（2.5:1），精度低 |
| 霍尔效应传感器 | 电感路径 | 隔离、无CM问题、宽BW | 传播延迟（4.6μs） |
14.3.4 参考设计OCP实现
采用霍尔效应传感器ACS711（U28A）：
- 灵敏度：167mV/A（5V供电）
- BW：100kHz，传播延迟4.6μs
- 静态输出：2.5V（双向检测）
- OCP跳变阈值： → 输出
- 比较器跳变电平：4.17V和0.83V
- 窗口比较器（U24A）检测双向过流
- 快速下降沿（故障=LOW）+ 延时上升沿（R-C可调）
14.3.5 OCP响应类型
- 锁存关闭：最安全，需手动复位
- 暂时关断后恢复：可能导致音频”空洞”或dropout
- 智能控制+信号衰减：关断故障管，立即导通对管加速电流衰减，配合信号衰减——无音频dropout，类似电压削波
注意：闭环设计中，反馈环路在短路时饱和到极限。OCP恢复后误差放大器需从饱和中恢复，某些运放有”粘滞”特性。
14.4 过温保护（OTP）
14.4.1 Class-D热挑战
Class-AB（100W）：大散热器+TO-3P封装，热质量大，温升约10°C/min Class-D（100W）：SMD DirectFET，每管仅耗散3W，热质量小，温升可达60°C/min
结论：Class-D虽高效但温升更快，需要快速响应的温度传感器。
14.4.2 NTC热敏电阻
- 25°C标称100kΩ → 120°C降至3kΩ
- OT跳变温度：120°C
- 恢复温度：100°C（通过迟滞实现）
- SMD封装，低热质量，快速响应
14.4.3 OTP响应类型
- 非锁存（路径A）：线或到OC路径，停止开关直到冷却到100°C
- 锁存（路径B）：锁存关闭放大器+HV轨，需AC电源重启
- 其他方案：降低音量、启用/加速风扇
14.4.4 NTC放置
有散热器：NTC安装在散热器上靠近功率管处 无散热器（参考设计）：
- SMD NTC直接焊接到PCB铜箔上
- 铜箔导热将MOSFET热量传导至NTC
- 理想情况：NTC焊盘直连MOSFET热焊盘
电气隔离问题：DirectFET金属外壳连接到漏极（开关节点或HV轨）。解决方案：
- 热桥器件（AlN陶瓷）：高导热、电绝缘
- 电平转换电路：PNP + 可调并联基准（LM385/LM4041），将NTC信号转换到地参考
14.4.5 电源过温保护
多通道设计中，各通道低功率运行可能使Class-D部分温度正常，但电源总功率可能很高，需单独监测电源温度。
参考文献
- Allegro Microsemiconductor (2022). ACS711 Hall-effect current sensor datasheet.
- Cordell, B. (2019). Designing Audio Power Amplifiers, 2nd ed. Routledge.
- Infineon/IR (2016). IRS20957S Protected digital audio driver.
- IMS (2020). Thermabridge AlN thermal management device.
- Panasonic (2020). ERTJ-M Series NTC thermistors.
- TI (2013). LM385 Adjustable micropower voltage reference.
- TI (2017). LM35 Precision centigrade temperature sensor.
- TI (2018). LM339 Quad differential comparators.
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