STIKALNI MOČNOSTNI TONSKI OJAČEVALNIK M. Bezjak"!, M. Milanovič2, R. Babič2 1 Šolski center Ptuj, Poklicna in tehniška elektro šola, Slovenija 2 Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Slovenija Ključne besede: ojačevalniki močnostni stikalni tonski, D-razred ojačevalniki, ojačevalniki močnostni, način delovanja stikalni, ojačevalniki tonski, modulatorji pulznoširinski, pretvorniki stikalni, pretvorniki navzdol, sitanizkoprepustna, MOSFET elementi stikalni, pretvorniki mostični, pretvorniki močnostni, sheme blokovne, vezja eleKtrična Povzetek: Članek opisuje izvedbo tonskega ojačevalnika v stikalni tehniki za ojačenje signalov v nizkofrekvenčnem področju od 10 do1000 Hz. Tako izvedbo ojačevalnika označujemo kot D razred delovanja, ki vsbuje štiri ločene stopnje: analogno vhodno stopnjo, pulzno širinski modulator, močnostnostikalno stopnjo in nizkoprepustno sito. Posebni povdarekje bil podan pri izvedbi močnostne izhodne stopnje, ki Jo predstavlja mostični DC-DC pretvornik. Zanj smo uporabili študijo dinamičnega obnašanja z metodo povprečenja v prostoru stanj. Na podlagi te metode je ocenjena frekvenčna karakteristika izhodne stopnje ki jo predstavljata mostično DC-DC pretvorniško vezje ter sito z bremenom. Switching Type Audio Power Amplifier Keywords: switching type audio power amplifiers, Class-D amplifiers, power amplifiers, switching mode of operation, audio amplifiers, pulse width modulators, switching converters, down converters, lowpass filters, MOSFET switching elements, bridge converters, power converters, block diagrams, electrical circuits Abstract: A Class-D amplifier which amplifies an analog input signal in the low frequency range from 10Hz to 1000Hz through pulse width modulation techniques is presented in this article. This frequency range which is only one part of audio frequency range is selected with active frequency switch. Class D amplifier can be easily explained in four stages; analog input stage, audio modulation stage, pulse width modulation power stage and low pass filtering stage. The audio modulation stage changes the analog input signal to a constant frequency, varying duty cycle. This operation is accomplished with integrated circuit SN3524. For power stage amplifier realization the expenences with DC-DC converters are used and for pulse width gain stage the DC-DC Buck converter with continuous input current in bridge configuration is used. The mode of operation is very similar to switch mode power suppliers. The main goal for this decision is better power efficiency over Class-AB power amplifiers and its reduction in heat dissipation. This is in audio power amplifiers of great importance just at low frequencies. Design requirements are as follows; output voltage 28 V on the load resistance of 8 Ohms and the switching frequency is 150 kHz. The simulation and experimental results of frequency response are presented. In the expected frequency range the output power of 100 Wis obtained at total harmonic distortion of 2,3% and power efficiency of 87%. The increasing of the output power up to 1000 W is possible without difficulties. 1. Uvod Klasični tonski ojačevalniki izdelani v analogni tehniki v A oziroma AB razredu imajo relativno male izkoristke. Posebej je to prisotno pri malih izkrmiljenjih. Glede na lastnosti tonskega signala lahko tudi pri izvedbi tonskih ojačevalnikov uporabimo stikalni način delovanja za doseganje večje moči na izhodu. Zato analogni signal s pomočjo pulzno širinskega modulatorja preoblikujemo v diskretni signal, ki ga neposredno ojačimo s stikalno izhodno stopnjo /2/. Izhodna stopnja z nizko-prepustnim sitom in zvočnik pa poskrbita za pretvorbo digitalnega signala spet v analogno obliko. Stikalni tonski ojačevalniki, ki jih označujemo tudi kot ojačevalnike moči v D razredu, omogočajo delovanje z zelo visokim izkoristkom tudi pri malih signalih, kar je njihova velika prednost /9/, /10/. Iz izkušenj je znano, da je 80% moči tonskega signala prisotno v nizko frekvenčnem delu. Če z aktivno kretnico razdelimo celotni tonski signal že v predojačeval-niku na področja nizko frekvenčnih, srednje frekvenčnih in visoko frekvenčnih signalov, bomo lahko posamezne signale ojačevali s posebnimi ojačevalniki. Srednje in visoke tone ojačujemo z manjšima tonskima ojačevalnikoma, narejenima v linearni, analogni tehniki. Nizke tone pa preko kretnice vodimo na stikalni tonski ojačevalnik. V članku je opisan stikalni tonski ojačevalnik za ojačenje nizkofrekvenčnega tonskega področja med 10 Hz in 1 kHz. Sestavljen je iz štirih stopenj: analogne vhodne stopnje, pulzno širinskega modulatorja, močnostne izhodne stopnje in nizkoprepustnega sita. Močnostno izhodno stopnjo smo izvedli z mostičnim DC-DC pretvornikom, ki se sicer uporablja v pretvor-niške in napajalne namene. Načrtali smo jo tako, daje imela izhodno moč 100 W, brez večjih težav pa bi izhodno moč lahko povečali do 1000 W. Za frekvenco delovanja stikalnega ojačevalnika smo izbrali 150 kHz, kar je najbolj uporabljana in priporočena frekvenca delovanja pulznoširinskih modulatorjev stikalnega ojačevalnika glede na pasovno širino /2/, /10/. Ker je bila uporabljena mostična izhodna stopnja, je bilo mogoče za dinamično analizo uporabiti metodo povprečenja v prostoru stanj. S tem smo delovanje mostičnega stikalnega pretvornika lahko opisali z delovanjem pretvornika navzdol /1/, /3/, /4/, /5/. Delovanje pretvornika navzdol in njegova povezava z mostičnim stikalnim pretvornikom sta prikazani v drugem poglavju /1/. Projektiranje polprevodniških komponent izhodne stikalne stopnje je obdelano v tretjem poglavju. Obdelan je problem izbire močnostnih stikalnih elementov ter problem galvanske ločitve krmilnega signala od izhodne stikalne stopnje /6/, /8/. V četrtem poglavju smo analizirali frekvenčne odzive izhodnega sita, ki bistveno vpliva na frekvenčno mejo ojačevalnika in frekvenčni odziv celotnega ojačevalnika ter primerjali dobljene rezultate z obstoječimi standardi /7/. Glede na funkcijo in uporabo ločimo dve vrsti ojačevalnikov v D-razredu. V prvo skupino sodijo ozkopasovni ojačevalniki /11/, ki ojačujejo le vhodno napetost določene frekvence. Vhodno stopnjo imajo v obliki omejevalnika signala, ki vhodni signal pretvori le v pravokotno obliko.V drugo skupino sodijo širokopasovni ojačevalniki, njihovo delovanje je v blokovni obliki prikazano na sliki 1.1. Vhodni analogni signal vodimo na pulzno širinski modulator, ki nam ga pretvori v pravokotni signal. Tako dobljene napetostne impulze pravokotne oblike peljemo na stikalni ojačevalnik. Med ojačevalnikom in bremenom imamo nizkopasovno sito, ki nam izloči koristen signal iz pulznoširinskega močnostnega signala. signal pulzno širinski modulator stikalni ojačevalnik nizkopasovno sito Slika 1.1: Širokopasovni ojačevainik i/ D razredu kvalitetni, saj je kvaliteta celotnega ojačevalnika močno odvisna od vhodnega dela. Celotna shema vhodnega dela je prikazana na sliki 2.2. »An 2. Vhodna stopnja Vhodnastopnja je v bločni strukturi prikazana na sliki 2.1. tonski signal premik pulzno prilagodilno nivoja širinski vezje za tonskega modulator krmiljenje signala PŠM prožilne stopnje krmilni signal Slika 2.1: Blokovna shema vhodnega dela Premik nivoja tonskega signala je potreben zaradi prilagoditve signala iz predojačevalnika na PŠM vezje. Prilagodilno vezje za krmiljenje prožilne stopnje je zgrajeno iz diskretnih elementov in nam signal fazno zamakne za 180°. Pomembno je, da so elementi zelo Slika 2.3: Princip PŠM a) vhodni signal primerjamo s signalom trikotne napetosti b) vhodni signal in izhodni pravokotni signal, ki se mu spreminja širina v odvisnosti od vhodnega Jedro vhodnega dela predstavlja pulzno širinski modulator, ki spremeni analogni vhodni signal v digitalno obliko s konstantno frekvenco, pri čemer se spreminja prevajalno razmerje d. V osnovi je sestavljen iz primer-jalnika, ki primerja posebej generirano trikotno vhodno napetost in vhodni analogni signal. Na izhodu primer-jalnika dobimo impulze, katerih širina je linearno odvisna od vhodne napetosti. Princip pulzno širinske modulacije je prikazan na sliki 2.3. + i5v IC3=TDA2320 IC4=SN3524 IC5=LM319 1 1 2 1 3 14 4 IC4 13 5 1 6 11 7 1 8 9 Slika 2.2: Vhodni del vezja PSM smo izvedli z integriranim vezjem SN3524 /8/, ki vsebuje poleg PŠM-ja še operacijski ojačevalnik na vhodu, ki se uporablja kot ojačevalnik pogreška, tokovni senzor, ki izklopi PŠM ob morebitni prekoračitvi nastavljenega toka, ter poseben priključek za prenape-tostno zaščito. Vgrajen ima oscilator trikotnih impulzov, katerih frekvenco določimo z zunanjimi elementi in jo kasneje med delovanjem več ne spreminjamo. Operacijski ojačevalnik, ki služi kot tokovni senzor, ima na svojem invertirajočem vhodu termično stabilen izvor napetosti 200mV. Kadar padec napetosti zaradi toka, ki ga merimo kot napetost naznanem uporu Rs, prekorači to vrednost napetosti, PŠM preneha delovati. Slaba stran integriranega vezja je v tem, da je vhodno napetostno območje premaknjeno v pozitivno področje med 0,8V in 3,5V. Pri vhodni napetosti 0,8V je prevajalno razmerje d= 0%, pri vhodni napetosti 3,5V pa je d = 45%. Na izhodu integriranega vezja imamo še dva tranzistorja, ki imata dve funkciji. Prva Je močnostno ojačenje z dovolj velikim izhodnim tokom, l=50mA, za krmiljenje enostavne izhodne stopnje druga pa inverti-ranje izhodnega signala iz PŠM. Kerje vhodna napetost našega ojačevalnika izmenična z amplitude 2V, smo za pravilno krmiljenje PŠM izdelali ojačevalno vezje za premik napetostnega nivoja. 3. Močnostna izhodna stopnja Za ojačenje pulzno širinskega moduliranega signala iz vhodne stopnje smo uporabili mostično izhodno stopnjo, ki je bila izvedena z dvema DC-DC pretvorniškima vezjema. Pretvorniško vezje deluje po principu pretorbe navzdol v področju zveznegatokain je prikazan na sliki 3.1. V izhodni mostični močnostni stopnji smo breme vezali na protifazna izhoda pretvornikov. energijo, ki je ostala shranjena v dušilki in kondenza-torju.Zaradi lastnosti stikalnih komponent v pretvorniku navzdol ločimo pri njem dva načina delovanja: - zvezno področje delovanja, ko trenutna vrednost toka skozi tuljavo v periodi delovanja nikoli ne doseže vrednosti nič; - nezvezno področje delovanja, področje trganega toka, trenutna vrednost toka skozi tuljavo v periodi delovanja doseže vrednost nič. V primeru ojačevalnika v D razredu želimo zvezni način delovanja. Zanj je značilno, da tok skozi tuljavo izpolnjuje pogoj iL(t)>0. Zvezno področje delovanja pretvornika navzdol se konča na meji med zveznim in nezveznim tokom. Mejo nezveznosti toka dosežemo, ko doseže tok tuljave ničelno vrednost natanko ob koncu periode. Temensko vrednost toka il lahko izrazimo s srednjo vrednostjo toka na meji zveznosti, ki jo bomo označili z Ilm /1/: 'lm nap uq) (3.2) V primeru, ko se izhodna napetost spreminja v mejah od OV do Unap, Ilm vseeno pade na vrednost nič. 3.1 Mostična močnostna izhodna stopnja Slika 3.2 kaže mostično močnostno izhodno stopnjo z bremenom in LC sitom. Mostični pretvornik in nizkopre-pustni siti sta vezani simetrično. Izhodna napetost Up = Vpi - Vp2 je plavajoča napetost. V praksi je Vpi - Vp2 visokofrekvenčni signal impulzne oblike. Siti izločita visokofrekvenčni signal s stikalno frekvenco. Uo ; BREME Slika 3.1: Pretvornik navzdol 4 Krmiljenje stikal Si in S2je izvedeno s stopnjo, ki ima en izhod invertiran. Preklapljanje je izvedeno s konstantno frekvenco fs, spreminja se le prevajalno razmerje d. Izhodno napetost Uo izračunamo z izrazom ^U = dU •"•nap ^^NAP X (3.1) kjer je Uo izhodna napetost, toN je čas, ko je stikalo v sklenjenem položaju, Ts je čas trajanja periode in Unap je napajalna napetost. S spreminjanjem prevajalnega razmerja vplivamo na izhodno napetost. Koje sklenjeno stikalo Si, se energija pretaka iz izvora proti bremenu, ko pa je sklenjeno stikalo S2, se breme napaja z Slika 3.2: Mostični pretvornik Mostična stopnja ima dve stanji: v prvem stanju sta stikali Si in S3 sklenjeni, S2 in S4 pa razklenjeni. Potencial Vpi je enak Unap, Vp2 pa je enak O, v drugem stanju sta sklenjeni stikali S2 in S4, Si in S3 pa ne. Potencial Vp2je enak Unap, medtem ko je Vpi enaka 0. Efektivni izhodni signal na bremenu dobimo s pomočjo izraza Uo(t) = To dTo UNApdt UNApdt dT» (3.3) Končno izvedbo mostične močnostne ojačevalne stopnje prikazuje slika 3.3. Močnostni del ojačevalnika je sestavljen iz dveh delov. V prvem delu imamo močnostne tranzistorje, ki so vezani v mostič. Ob vsakem tranzistorju imamo zaščitno razbremenilno vezje. Na plavajoče sponke mostiča imamo simetrično vezana izhodni siti. V drugem delu imamo integrirani vezji IC1 in IC2, ki služita za krmiljenje stikalnih tranzistorjev s tokom do 2A. Krmilna stopnja je izvedena z vezjem 1R2110. To je visokonapetostno, zelo hitro MOS močnostno vezje z galvansko ločenim visokim in nizkim prožilnim izhodom. Logični vhodi so kompatibilni z standardnimi CMOS izhodi ali z LSTTL izhodi z uporabo dvižnih uporov. Izhodni gonilniki so nizkoohmski za kratkočasne tokovne konice. Plavajoči kanal je lahko uporabljen za proženje N-kanalnih močnostnih MOS-FET ali IGBT. Pri tako izbrani prožilni stopnji, vezje IR 2110 dovoljuje tudi 500V priključene napetosti na tranzistorje. Med izhodom integriranih vezij in vrati tranzistorjev imamo vezane upore, ki nam omejijo trenutne tokove ob vklopu in zmanjšajo možnost uničenja integriranega vezja v času prehodnih pojavov. Za izboljšanje lastnosti D-razreda ojačevalnika (nelinearna popačenja, popačenj zaradi PŠM) bi morala biti stikalna frekvenca 150 krat večja od najvišje frekvence želene pasovne širine signala /10/. Za Hi-Fi tonske ojačevalnike, ki imajo zgornjo frekvenčno mejo pri 20kHz bi to pomenilo, da bi bila stikalna frekvenca D-razreda ojačevalnika v tem primeru 3MHz. Za takšen ojačevalnik pa je težko najti tranzistorje, ali pa so ti zelo dragi. Pri izvedbi našega ojačevalnika, ki ojačuje le frekvenčni pas od 10Hz do 1 kHz smo izbrali frekvenco 150kHz, saj smo pri pregledu literature /2/ugotovili, da tudi drugi avtorji uporabljajo takšne vrednosti. Za stikalne elemente smo uporabili MOSFET tranzistorje. Prednost MOSFET močnostnih tranzistorjev pred bipolarnimi je predvsem v področju višjih stikalnih frekvenc. Izvedba krmiljenja je dokaj preprosta. Krmilimo jih v bistvu napetostno, vendar ne smemo pozabit tudi na polnjenje parazitnih kondenzatorjev Cgs, ki so prisotni med vrati (G) in izvori (S). Za manjše stikalne čase je potreben večji krmilni tok. Iz enačbe (3.4) lahko izračunamo amplitude toka, ki je potrebna ob vklopu tranzistorjev /5/ Slika 3.3: Shema močnostnega dela ojačevalnika Pri preklapljanju induktivnih tokokrogov pride do pojava, ko kljub izklopljenemu tranzistorju ni možna nenadna sprememba toka. Ta pojav nam povzroča dodatne stikalne izgube na tranzistorjih. S pomočjo preprostega kriterija /3/ ^ON + ^OFF - JI 10 (3.4) smo določili najkrajši čas periode in s tem najvišjo dovoljeno frekvenco preklopov. Morda je kriterij (3.3) na prvi pogled nekoliko prestrog, vendar se moramo zavedati, da na stikalnem elementu nastajajo stikalne izgube, ki so lahko tudi večje od prevodnih izgub. Pri tranzistorjih, ki smojih uporabili pri našem ojačevalniku, je bila vrednost vsote časov vklopa in izklopa 465ns, kar določa najvišjo frekvenco delovanja stikalnega vezja 215kHz. UgsCQS - ^K^vk (3.5) 4. Nizko prepustno sito Nizko prepustno sito predstavlja obenem vezje za digitalno analogno pretvorbo pulzno moduliranega visoko-frekenčnega signala. Običajno se uporablja Butter-worthovo sito druge stopnje z L in C elementom. Prenosno funkcijo sita nam podaja izraz u IZH 1 U VH ^^2s + 1 (4.1) Zaradi mostične vezave izhodne stopnje sito ustrezno razdelimo kot je prikazano na sliki 4.1. Vrednosti za posamezni tuljavi in kondenzatorja dobimo s primerjavo prenosne funkcije vsakega posameznega vezja in izraza (4,1). L, /YYYV U VH C, u o u IZH Zzv C, Slika 4.1: Izhodno sito polnomostičnega ojačevalnika Izbira tuljave in kondenzatorja predstavlja kompronnis tudi glede na dovoljeno valovitost /1/. Valovitost napetosti izračunamo iz kjer je 2 f^ ia 2 ^ ^ vfsy (4.2) intervalih in so tokovne konice lahko precej visoke. Zato smo izbirali le med kondenzatorji, ki so namenjeni za stikalne namene, saj imajo le-ti du/dt bistveno večji od običajnih kondenzatorjev. 5. Rezultati Prenosna funkcija pretvornika je podana z /1/ 27CVlC (4.3) Tuljavi Li in L2 sta prvi energijski posodi v izhodnem situ. Njeni induktivnosti morata biti čim večji, to pomeni manjšo valovitost izhodnega toka okrog želene vrednosti; shraniti morata toliko energije, kolikor jo potrebuje breme v eni periodi; njune fizične dimenzije morajo biti čim manjše, ker to pomeni prihranek prostora in denarja, linearni del histerezne zanke mora biti dovolj velik, da med delovanjem ne bi zašli v nasičenje. Kondenzatorja Ci in C2 sta druga od elementov, ki sta sposobna skladiščiti energijo. Vendar pa v naši aplikaciji nimata tako velikega pomena kot dušilka. Kondenzator skrbi bolj za giajenje izhodne napetosti. Kapacitivnosti ne smemo večati v nedogled, saj s tem nižamo zgornjo frekvenčno mejo. Pri izbiri želenega kondenzatorja smo se srečali še z enim problemom. Zraven omejitve, da mora ustrezati napetostnim zahtevam, imajo kondenzatorji, ki so namenjeni za stikalno uporabo, tudi podatek o maksimalni dopustni spremembi napetosti na njem, du/dt. Iz enačbe ic-C^ ^ dt (4.4) UoM d(s) dU NAP s'LC + s- + 1 R (5.1) Na sliki 5.1 je prikazan simulirani in izmerjeni amplitudni in fazni frekvenčni odziv celotnega vezja. izhodna napetost S\lka 5.2: Časovna oblika izhodnega signala s frekvenco 500Hz na bremenu vidimo, da nam ta podatek podaja maksimalni tok, s katerim lahko polnimo kondenzator. Seveda je to za nas pomembno, saj polnimo kondenzator v zelo kratkih Ce primerjamo izmerjeno in simulirano prenosno karakteristiko vidimo, da se dokaj dobro ujemata. OJAČENJE 20 [dB] REALNA SIMULIRANA PRHNOSNA KARAKTERISTIKA REALNA SIMULIRANA EAZNA KARAKTERISTIKA IZMERJENA PRENOSNA KARAKTERISTIKA lOk flH/J ---IZMERJENA FAZNA KARAKTERISTIKA riiizi Slika 5.1: Frekvenčna in fazna karakteristika Razlika je v strmini upadanja ojačenja in faze. Pri simulaciji prenosne karakteristike je upoštevana še serijska izgubna upornost tuljave in kondenzatorja. Rezultati meritev izhodnega signala so prikazani na naslednjih dveh slikah. Na sliki 5.2 je izrisana časovna oblika signala na bremenu, ki ima frekvenco 500Hz, na sliki 5.3 pa je izrisan normirani frekvenčni spekter. Iz njega vidimo razmerje med osnovno harmonsko komponento in višjimi harmonskimi komponentami, ki s frekvenco močno upadajo. 1 0.9 0.8 • 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 O V-.. Ü lOk 20k 30fc 40k SOI. Slika 5.3: Normirani frel