Компоненты компании International Rectifier

Главная | Статьи | Компоненты компании IR | ИС для цифровых аудио усилителей класса Д компании International Rectifier

ИС для цифровых аудио усилителей класса Д компании International Rectifier

 

Современные требования, предъявляемые к компактным и мощным усилителям мощности звука, делают сегодня усилители класса Д очень популярными. Многие компании предлагают разработчикам интегрированные сборки для построения цифровых усилителей. Но из всех представленных на рынке интегральных схем только интегрированные схемы компании International Rectifier обеспечивают максимальную гибкость и надежность в разнообразных схемотехнических задачах.

Конструкторы высокопроизводительного звукового оборудования, начиная от домашнего кинотеатра и заканчивая мощными усилителями звука, сегодня все чаще обращают внимание на размеры и потребляемую мощность своих изделий. Именно поэтому они строят усилители по топологии класса Д. К сожалению, сегодня не все разработчики знакомы с практикой построения ключевых усилителей класса Д, поэтому они строят свои устройства по классической схеме усилителей класса АБ. Еще одним аргументом для конструирования именно цифровых усилителей мощности является незначительное число компонентов по сравнении с традиционными линейными усилителями. Такое построение позволяет разработчику достичь компактных размеров, оставив при этом мощность и качество звучания на прежнем уровне. Усилители класса Д могут не использовать радиаторы для отвода тепла от транзисторов при управлении транзисторами нагрузкой в соотношении 1/8 от их полной мощности, что является безопасным для их теплового режима и приводит к экономию не только материалов, но и средств.

Как известно, в цифровых аудио усилителях класса Д аналоговый сигнал накладывается на ШИМ составляющую с переменной скважностью. Надежная настройка ШИМ составляющей, высокая частота, различного рода защиты — это ключевые факторы, позволяющие разработчику создать надежное и высококачественное устройство. Основным критическим элементов в схеме цифрового усилителя является силовой транзистор, который может быть в двух состояниях: включено или выключено.

Для управления выходными транзисторами усилителя используется ШИМ эквивалент аудио сигнала. Работая в коммутационном режиме транзисторы цифрового усилителя обеспечивают КПД на уровне 95 и более процентов, при этом аналогичный по мощности усилитель класса АБ показывает эффективность на уровне 30 %, кроме того, он имеет значительные геометрические размеры и тепловые режимы работы. Неправильно выполненный проект построения цифрового усилителя может демонстрировать отказы во время работы или, при видимой работоспособности, демонстрировать невысокое качество звучания. Ошибки в таком проекте крайне тяжело обнаружить, к тому же это приводит к увеличению стоимости изделия и потери времени.

На рис. 1 приведены базовые узлы построения цифрового усилителя мощности класса Д. Изучая блок-схему построения усилителя можно сделать вывод, что усовершенствовать выходную часть или фильтр не представляется возможным, поскольку они используют габаритные дискретные элементы. Поэтому компания International Rectifier сосредоточила внимание на цепи обратной связи и узлах управления. Цифровой усилитель включает в себя четыре основных блока — усилитель ошибки, ШИМ компаратор, драйвер управления транзисторами, защиту от перегрузок. Данные узлы были интегрированы в единый кристалл интегральной схемы, чтобы уменьшить влияние человеческого фактора на ошибки в усилителе.

Блок схема построения аудио усилителя класса Д

Рисунок 1. Блок схема построения аудио усилителя класса Д

Это позволило в значительной мере снизить коэффициент искажения и повысить желаемое качество звучания. Таким образом, компания International Rectifier приступила к производству не драйвера усилителя класса Д, имеющего аналога у конкурентов, что позволит увеличить гибкость проектов. В результате интеграции четырех критических функций в одну ИС ШИМ стадия преобразования полностью перекладывается на разработчиков кристалла. Пользователям остается произвести только настройку схемы в зависимости от поставленной перед ним задачи путем установки внешних компонентов. Интегрированный драйвер IRS2092 усилителя класса Д обеспечивает все необходимые виды защит и свойства для построения одно или многоканального цифрового усилителя класса Д мощностью от 50 до 500 Вт. ИС IRS2092 может быть использована и для управления нагрузкой до 1000 кВт включительно, если ее применять в схеме с мостовой конфигурацией. Для уменьшения выходного фильтра и параметров цепи обратной связи ИС позволяет полностью оптимизировать частоту переключения ключами.

Одна из проблем которую необходимо решать разработчику в звуковом усилителе — это шумы и полное гармоническое искажение (THD). В усилителях класса Д они возникают из-за паузы на переключение транзисторов и колебания электропитания. Степень уменьшения влияния данных факторов на работу усилителя в значительной мере определяет усилитель ошибки, который производит сравнение входного звукового сигнала с выходным и корректирует выходной сигнал на выходе. Шумы, влияющие на работу усилителя класса Д, в отличие от предшествующих классов усилителя АБ, требуют подбора операционного усилителя ошибки с определенными параметрами. ИС IRS2092 включает в свою внутреннюю структуру такой оптимизированный операционный усилитель с высокой стойкостью к воздействию шумов и полосой пропускания до 5 МГц, что в значительной мере упрощает выходной фильтр. При этом, как показано на рис. 2, с помощью ИС IRS2092 достигается коэффициент гармонических искажений всего 0.005 %.

Диаграмма сравнения коэффициента гармонических искажений ИС IRS2092 и линейного усилителя

Рисунок 2. Диаграмма сравнения коэффициента гармонических искажений ИС IRS2092 и линейного усилителя

Общеизвестно, что построение топологии усилителя класса Д требует, чтобы входные и выходные каскады схемы располагались как можно ближе друг к другу. При дискретном построении схемы разработчик должен также определить способ изолирования чувствительной входной аналоговой части схемы и ее шума от вредного коммутационного шума на высокой стороне. ИС IRS2092 использует патентованный метод изоляции, исключающий появление шума на высокой стороне преобразования. Развязка аналоговой и цифровой схем в монолитном решении происходит за счет электрической изоляции. На рис. 3 представлена блок схема работы ИС IRS2092 в цифровом аудио усилителе класса Д.

Блок-схема работы ИС IRS2092 в цифровом аудио усилителе

Рисунок 3. Блок-схема работы ИС IRS2092 в цифровом аудио усилителе

Рассмотрим кратко ее работу. В начале каждого такта усилитель ошибки обрабатывает входной звуковой сигнал, внутренний компаратор превращает аналоговый сигнал в импульсы, модулированные по ширине (оранжевая область на рис. 3). Выходной сигнал у усилителя класса Д отличается от входного только амплитудой. На следующей стадии ШИМ сигнал сравнивается в усилителе ошибки в области драйвера управления транзисторами (зеленая область на рис. 3). Преобразователь уровня верхнего драйвера сдвигает его относительно шины плюс, тем самым с помощью транзисторов начинается перемещение потенциала и идет передача входного сигнала (желтая область на рис. 3). Несмотря на разницу двухполярного питания напряжение передается аналогично идеальному дифференциальному усилителю.

Во время переключения верхнего и нижнего драйверов между переключениями вставляется временная пауза, необходимая для защиты от сквозных токов в полумосте. Драйвер ИС подает импульс управления с наименьшим искажением на открытие транзистора, что позволяет минимизировать паузу на переключение транзисторов. Ток управления затворами транзисторов у IRS2092 достигает 1.2 А. Точный контроль затворов транзисторов является основой для достижения хорошего звукового качества. При проектировании цифровых усилителей мощности время паузы на переключение транзисторов принято считать критическим параметром. Специальный узел контроля этого параметра, примененный в интегральной схеме, позволяет оптимизировать его, не допуская появления разрушающего схему сквозного тока, при этом обеспечивая приемлемую линейность. В интегральной схеме IRS2092 время паузы задается внешними компонентом (25, 45, 75,105 нс) и может быть установлено пользователями в зависимости от емкости затворов выбранных транзисторов, а встроенный внутренний блок контроля паузы переключения исключает наихудший сценарий в работе схемы. Настройка работы усилителя с различной мощностью нагрузки или числом каналов достигается за счет подбора соответствующего параметра транзисторов, что в свою очередь положительно влияет на EMI помехи. Рекомендации компании IR по выбору транзисторов, в зависимости от мощности нагрузки, приведены в табл. 1, 2. Схема включения ИС IRS2092 представлена на рисунке 4.

Диаграмма сравнения коэффициента гармонических искажений ИС IRS2092 и линейного усилителя

Рисунок 4. Схема включения ИС IRS2092

Поскольку рассеиваемая мощность в MOSFET транзисторах пропорциональна квадрату тока нагрузки, схема защиты контролирует ток нагрузки в каждой стадии переключения. В интегрированном блоке защит ИС защита от перегрузок по току каждого ключа определяется через сопротивление транзистора MOSFET во время проводимости. Внешний шунт, используемый ранее для пропорциональной оценки действующего значения тока, теперь исключен из схемы. Интегрированная схема отключает ШИМ сигнал управления транзисторами, если превышено значение допустимого тока, установленного пользователем. Внутренняя схема защиты также контролирует тепловой режим работы драйвера.

Конфигурация транзисторов в схеме может быть различной — полный мост или полумост в зависимости от системных требований. Анализируя эффективность использования мостовых и полумостовых схем, можно дать следующие рекомендации по выбору топологии схемы: если мощность нагрузки цифрового аудио усилителя находится в диапазоне 50–200 Вт — полумост, 200–500 Вт полумостовая или мостовая схема включения, 500–1000 Вт — мостовая схема включения, выше 1 кВт — составная мостовая схема. Следует учитывать, что для полумостовой конфигурации схемы необходимо подавать двухполярное питание. Схема усилителя с использованием полного моста будет питаться от однополярного источника питания. Разный тип питающего напряжения выходного каскада вызван особенностью работы диффузора динамика.

Для упрощения освоения новых приборов предлагается демонстрационный полумостовой 120 Вт стерео усилитель IRAUDAMP5 на базе IRS2092 и IRF6645 с КПД 96 % при 120 Вт, коэффициентом нелинейных искажений 0.005 % при 1 кГц, мощностью 60 Вт на нагрузке 4 Ом. Внешний вид демонстрационного набора аудио усилителя класса Д IRAUDAMP5, приведен на рис. 5. Демонстрационный набор состоит из двух плат: материнской платы и платы с расположенными на ней драйверами каждого канала. Гербер файлы демонстрационного набора IRAUDAMP5 Вы можете получить в офисе компания Rainbow Technologies.

Внешний вид демонстрационного набора IRAUDAMP5

Рисунок 5. Внешний вид демонстрационного набора IRAUDAMP5

Более детально с работой цифрового драйвера усилителя класса Д Вы можете ознакомиться на сайте компании производителя www.irf.com или в офисе официального дистрибьютора — компании Rainbow Technologies (ООО «РТЭК»): 03035, г. Киев, ул. Урицкого, 32, оф. 1, тел./факс: (044) 520-04-77, 520-04-78, 520-04-79
www.rtcs.ru, www.rainbow.com.ua

Назад

© 2006 Integral