Многие годы линейные аудио усилители определяли лидирующие позиции на рынке. Но современные технологии в конструировании новых типов транзисторов и драйверов управления устанавливают новую эру цифровых аудио усилителей мощности класса D. Об этом и пойдет речь в данной статье.

По эффективности усилители класса D значительно превосходят усилители класса АВ. В связи с этим схемы, выполненные с применением ключевых усилителей, становятся все более популярными. Цифровые усилители менее склонны к влиянию внешних параметров ключевого усилителя, у таких усилителей значительно выше коэффициент отношения размер/мощность, чем у усилителей класса АB, при этом они обеспечивают лучшую линейность и низкий выходной импеданс.

Как и у любого усилителя, качественные показатели являются результатом тщательного подбора компонентов схемы. Выбор ШИМ драйвера и полевых транзисторов, включенных между силовыми линиями, как будет показано ниже, не является достаточным для решения проблемы линейности усилителя. Сегодня, используя различные ИС, усилитель класса D может достигать высоких показателей линейности усилителя без особых усилий. Однако высокий коэффициент линейности аудио усилителя это только один из немногих качественных показателей его работы. Во многих приложениях для цифровых аудио усилителей, таких как телевизоры с жидкокристаллическим экраном, преимущество схем цифровых аудио усилителей значительно подчеркивается:

аудио усилитель класса D мощностью 100 Вт передает около 95 % входной мощности в нагрузку, имея при этом низкие значения потерь, по сравнению с аудио усилителем класса АВ, где значение входной мощности, переданной в нагрузку, имеет значение 65–75 %. При мощности нагрузки до 20 Вт, в цифровом аудио усилителе, значение эффективности снижается до значения 85 %. При тех же самых условиях значение эффективности передачи мощности от входа к выходу усилителя класса АВ не превышает 25 %. Как известно телевизоры с жидкокристаллическим экраном при изменении температуры изменяют свою цветовую гамму, поэтому усилители класса АВ не допустимы к использованию в таких устройствах.

Эффективность усилителей класса D определяет и широкая полоса пропускания сигнала. Аудио усилитель класса АВ во многих заявлениях обеспечивает полосу пропускания сигнала в диапазоне 10–20 кГц. Высококачественные линейные усилители могут расширить спектр полосы пропускания сигнала до значения 100 кГц. Усилители класса D обеспечивают точную обработку сигнала при полосе пропускания сигнала до 1 МГц, для этого пользователю необходимо правильно выбирать не только используемые компоненты, но и провести трассировку печатной платы в соответствии с требованиями схемы.

Для реализации успешного проекта усилителя класса D мощностью 100 Вт следует учитывать следующее:

Существенным для усилителей класса D является выбор полевых транзисторов. Большой кристалл транзистора не всегда обеспечит высокую эффективность. Существует оптимальные параметры кристалла транзистора, обеспечивающие необходимое требование для каждого проекта. Одним из них является мощность потерь ключа, которая состоит из потерь на переключение (1) и потерь при проводимости (2).

Рпровод = (ID(RMS))2RDS(ON) (1)

где RDS(ON) — сопротивление транзистора в открытом состоянии; ID(RMS) — ток транзистора.

Рперекл = VfSWQG (2)

где V — напряжение полумоста транзистора; fSW — частота кГц; QG — заряд затвора нКл.

Потери на переключение транзистора и потери на проводимость являются основными значениями при его разработке компаниями производителями. Как показано на рис. 1, увеличение размера кристалла минимизирует сопротивление открытого канала ключа, но увеличивает емкость затвора, тем самым замедляя его переключение и увеличивая мощность потерь на переключение. Уменьшение размера кристалла ведет к увеличению сопротивления проводящего канала транзистора, но уменьшает емкость затвора, что увеличивает мощность потерь на проводимость.

Рисунок 1. Графики потерь мощности транзисторов

Современные компании изготовители транзисторов, работающие с кремниевыми технологиями, ищут наилучшие оптимизации параметров транзистора для обеспечения решения конкретной задачи в аудио усилителях класса D. Это говорит о том, что эффективность ключей для таких приложений в настоящее время далеко от идеального, в отличии от линейных аудио усилителей. Один из способов выбора транзисторов пользователем для цифровых аудио усилителей должен заключаться в оценке сопротивления открытого канала и емкости затвора.

Для каждого значения мощности потери на проводимость обратно пропорциональны импедансу нагрузки. Как известно, потери на переключение компонентов схемы являются функцией ШИМ частоты. Поэтому оптимальный размер кристалла есть функцией номинальной мощности, импеданса нагрузки. К примеру, транзистор IRF6645 выпускаемый компанией International Rectifier, выполненный по технологии trench MOSFET, имеет заряд затвора 14 нКл и 28 мОм — сопротивление канала. На частоте 400 кГц и мощности нагрузки 100 Вт процентное соотношение полных потерь в ключе будет следующим: 60 % — потери на переключение, 40 % — потери на проводимость. Данный транзистор является специально оптимизированным для одновременного обеспечения высокого КПД, коэффициента нелинейных искажений и объемной плотности энергии. Помимо оптимизированного для подобных приложений кристалла, немалый вклад в повышение качества аудио-усилителя вносит и сама технология изготовления корпуса транзистора DirectFET. Благодаря существенному снижению индуктивности выводов, что позитивно влияет на характеристики переключения, снижается уровень помех. Тепловые характеристики транзистора обеспечивают уверенную работу аудио усилителя класса D при выходной мощности 100 Вт на нагрузку 8 Ом без применения радиаторов. Это обеспечивает значительное улучшение массо-габаритных характеристик и снижение его цены. На рис. 2 представлен внешний вид транзистора IRF6645.

Рисунок 2. Внешний вид транзистора IRF6645

Выходной ток цифрового усилителя определяет способ переключения транзисторов полумоста. В ZVS (переключение при переходе напряжения через ноль) схемах выходной ток усилителя всегда меньше чем ток катушки индуктивности. В случае «жесткого» переключения транзисторов, выходной ток значительно превосходит ток индуктивности. В ZVS режиме работы ток переключения не содержит выбросов большого значения и не течет через обратные диоды во время интервалов изменения полярности на индуктивности. В жестком режиме переключения с включением полевого транзистора начинает восстанавливаться обратный диод противоположного транзистора, который поддерживал ток в цепи в течении паузы на переключение. В данный момент происходит генерирование высокочастотной составляющей, а на форме тока появляется импульс большого значения. Кривая коэффициента гармонического искажения усилителя является хорошим индикатором неверной работы схемы усилителя. К примеру, график на рис. 3 представлен график работы усилителя в режиме ZVS.

Рисунок 3. График коэффициента гармонического искажения аудио-усилителя класса D

Деградация коэффициента гармонического искажения, на графике рис. 3 при мощности нагрузки 2 Вт, происходит из-за выхода из режима ZVS и переход в режим жесткого переключения. Качественная работа аудио усилителей в большом диапазоне мощностей при ее низком значении составляет сегодня фундаментальную проблему.

Это выражается в появлении в выходном сигнале слышимого шума, происходит сбой ШИМ сигнала, на который влияет жесткое переключение ключей. Поэтому разработчикам аудио усилителей, работающих во всем диапазоне мощностей, рекомендуется уменьшать связи между положительной и отрицательной шиной питания. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier. Данный тип транзисторов представляет собой полумост, выполненный на полевых N-канальных транзисторах, нормированных на напряжения 55, 100, 150 и 200 В. Помимо низкого сопротивления канала их отличает ультранизкий уровень заряда затвора (от 8.9 до 19 нК) и переключения (от 4.3 до 6.8 нК), что позволяет обеспечить чрезвычайно низкий уровень коэффициента нелинейных искажений и генерируемых помех. В табл. 1 представлены основные параметры транзисторов серии IRFI4024x-117P.

Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит и от драйвера. Разработчик должен помнить, что полевой транзистор работает в линейной области только в течении режима переключения. Компания International Rectifier выпускает несколько семейств драйверов для цифровых усилителей. Основные параметры драйверов для аудио усилителей приведены в табл. 2.

Одной из последних разработок драйверов такого класса компанией стал драйвер IRS20955S. Применение драйвера ключей верхнего и нижнего уровней IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Данный драйвер совместим с логикой 3.3 В/5 В. Высокий уровень защиты обеспечивается интегрированной программируемой двунаправленной токовой ОС с возможностью автоматической переустановки, что позволяет ИС определять точное текущее положение на диаграмме цикла переключения и оптимизировать работу контура защиты по току. Встроенный защитный контрольный блок обеспечивает надежную защиту в работе устройства в случае возникновения токовой перегрузки. Это уменьшает габариты за счет отсутствия сильноточного, низкоомного, безиндуктивного шунта. Двухканальный встроенный токовый сенсор позволяет детектировать токовые перегрузки как в положительном, так и в отрицательном значении фазы выходного сигнала совместно с внешним шунтом. ИС обеспечивает возможность самоподстройки ШИМ составляющей в зависимости от входного сигнала. Интегрированные в ИС функции защиты экономят до 11 компонентов схемы. Внутренний генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального значения качественных параметров аудио усилителя, таких как низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Пауза на переключение может быть установлена на значения 15, 25, 35, 45 нс. ИС IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, а также в мостовых схемах с однополярным питанием. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P пользователь сможет добиться от схемы 50 % снижения площади печатной платы в аудио усилителях мощностью до 500 Вт и вдвое снизить требуемое число силовых ключей.

Обычно импеданс напряжения в полевых транзисторах связан с индуктивностью и обеспечивает отрицательную обратную связь, которая уменьшает скорость переключения. Критическое значение может вызывать «звон» емкостей драйвера и выходной емкости, что влияет, в свою очередь, на качественные показатели усилителя мощности. Уйти от этого можно путем применения высокочастотных методов проектирования печатной платы. При таком условии проектирования существенную роль оказывает применение транзисторов с поверхностным исполнением.

В стерео усилителях на печатных платах проведение общих каналов довольно проблематично. Маршруты этих каналов следует располагать отдельно для обеспечения высоких качественных показателей. На рис. 4 приведена схема включения ИС IRS20955S в демонстрационном наборе IRAUDAMP4, а на рис. 5 представлена топология печатной платы аудио усилителя.

Рисунок 4. Схема включения ИС IRS20955S в демонстрационном наборе IRAUDAMP4

Рисунок 5. Печатная плата двухканального усилителя мощности класса D

Идеальным решением для расположения двух каналов на печатной плате является использование отдельных печатных дорожек для каждого вывода транзистора, что исключает появление наведенного шума в смежных каналах. Располагать проводники печатной платы нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления высокочастотной составляющей. Особенно важно это правило применять при трассировке минусовых шин. Поэтому выходные минусовые линии нуждаются в устранении высокочастотной составляющей сигнала и наводок с силовых линий. Это можно просто сделать, установив керамические конденсаторы с номинальным значением 1 нФ и 10 нФ. Применение этих трех фундаментальных аспектов проектирования аудио усилителей класса D поможет улучшить качественные показатели усилителя, уменьшить шумовые показатели. На рис. 6 представлена печатная плата демонстрационного набора IRAUDAMP4.

Рисунок 6. Демонстрационный набор IRAUDAMP4

Схема IRAUDAMP4, представляет собой 120-ваттную полу-мостовую схему и обеспечивает КПД 96 % на нагрузке 4 Ом, для этого используется 200-вольтовая ИС драйвера для цифровых аудио усилителей IRS20955 и полевой транзистор IRF6645. Схема демонстрационного набора имеет и защитные функции: от превышения допустимого тока, от повышения или понижения напряжения, от превышения значения постоянной составляющей сигнала на выходе и от перегрева. Напряжение питания 5 В в IRAUDAMP4 используются для аналоговой обработки сигнала в предусилителе, а +12 В используются для питания выходных каскадов. В двухканальной схеме IRAUDAMP4 может меняться мощность и количество каналов. Применение транзисторов, выполненных по технологии DirectFet позволяет отказаться от использования радиатора при работе в нормальном режиме.

Более подробно с работой описанных в статье ИС, транзисторов и демонстрационного набора, Вы можете ознакомиться, прочитав документацию на сайте производителя www.irf.com. Получить гербер файлы демонстрационного набора и приступить к производству усилителей без затраты времени на разработку Вы можете, обратившись к официальному дистрибьютору на территории Украины — компании Rainbow Technologies (ООО «РТЕК»):
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