MERUS - многоуровневые аудиоусилители класса D для сверхкомпактных приложений. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2019

Rien Oortgiesen, Jens Tybo Jensen, Infineon Technologies

При проектировании компактных приложений, таких как портативные потребительские звуковые системы и интеллектуальные колонки, разработчики, использующие традиционные усилители класса D, сталкиваются с серьезными проблемами. Эти проблемы включают относительно низкий КПД, большое тепловыделение даже на низких и средних уровнях громкости и необходимость в громоздких и дорогих фильтрах для снижения внеполосного шума.

Относительно новая линейка усилителей класса D устраняет эти ограничения, используя так называемое многоуровневое усиление. Такой подход улучшает энергопотребление, одновременно снижая уровни помех и внеполосных шумов. Кроме того, за счет исключения или минимизации использования фильтров снижаются производственные затраты и экономится проектное пространство.

1 Введение

В последние десятилетия предпочтение отдавалось импульсным методам усиления звука. Различные схемы с импульсными усилителями, известные под общим названием усилители класса D, приобрели популярность из-за их низкого энергопотребления, небольшого размера и низкого тепловыделения, особенно, в сравнении с более ранними усилителями класса AB.

КПД традиционных усилителей класса D может достигать 90 процентов или, при больших уровнях мощности, еще более высоких значений. Однако при уровне громкости, типичном для прослушивания музыки, КПД составляет лишь порядка 50 процентов, или даже меньше. Эти и другие ограничения вдохновили разработчиков аудио продуктов MERUS компании Infineon на создание нового поколения усилителей с высоким КПД на всех уровнях громкости – многоуровневых усилителей класса D. Этот новый класс усилителей превосходен в устройствах, которые должны иметь небольшие размеры, низкое тепловыделение и/или низкое энергопотребление, что типично для растущего числа компактных и требовательных аудиоприложений.

1.1 Эволюция технологии усилителей

Кремниевые полупроводниковые приборы были предметом интенсивных исследований и разработок, и, по понятным причинам, усилителям класса D сейчас отдают предпочтение в большинстве портативных и чувствительных к потреблению приложений, заменяя более ранние усилители линейных классов, такие как усилители класса AB. Хотя с точки зрения выходной мощности усилители класса AB не уступают усилителям класса D, они значительно проигрывают в КПД, а значит, требуют больших радиаторов и, следовательно, занимают намного больше места, чем это допустимо для подавляющего большинства аудиоприложений.

Технологический скачок при переходе от усилителей класса AB к усилителям класса D был значительным. Теперь разработчики аудио продукции делают следующий большой шаг в улучшении характеристик: от традиционных усилителей класса D к многоуровневым.

2 Традиционные усилители класса D

2.1 Принцип работы традиционных усилителей класса D

Принцип работы выходного каскада традиционного усилителя класса D показан на Рисунке 1. Он состоит из двух MOSFET, обозначенных M1 и M2 на Рисунке 1, каждый из которых управляется широтно-модулированным (ШИМ) сигналом. Коэффициент заполнения импульсов ШИМ модулируется аудио сигналом, подаваемым на вход усилителя. Обычно это происходит внутри контура регулирования.

Рисунок 1.	Выходной каскад традиционного усилителя класса D.

Коммутационный узел (V_PWM) схемы на Рисунке 1 передает усиленный сигнал ШИМ. Обратите внимание, что для очистки аудиосигнала от сигнала ШИМ до того, как усиленный аудиосигнал достигнет динамика, используется LC-фильтр. Хотя для небольших устройств, таких как мобильные телефоны, этот фильтр не требуется из-за низкой выходной мощности аудиоусилителя, приложениям с уровнями выходного сигнала, превышающими значение порядка 20 Вт, обычно нужны LC-фильтры.

2.2 Ограничения традиционных усилителей класса D

Из списка ограничений традиционных усилителей класса D можно выделить:

• Большие размеры, обусловленные габаритами фильтра и теплоотвода;
• Высокую цену, обусловленную необходимостью использования фильтров;
• Низкий КПД при типичных уровнях громкости;
• Проблемы тепловыделения во время работы.

2.2.1 При типичных уровнях громкости КПД составляет порядка 50%

Традиционные усилители класса D имеют двухуровневый выходной каскад (полумост). Это означает, что каждый полумост может иметь потенциал либо 0 В, либо PVDD. Поэтому они имеют относительно высокое энергопотребление даже в режиме ожидания или на малой выходной мощности. Частично это связано с постоянным переключением каждого полумоста между шинами питания, что необходимо для максимального улучшения динамических характеристик.

На Рисунке 2 показана зависимость КПД традиционного усилителя класса D от уровня выходной мощности. Горизонтальная ось представлена в логарифмическом масштабе, чтобы нагляднее отобразить начальный участок шкалы выходной мощности. При типичных для комфортного прослушивания уровнях громкости от 0.1 до 1 Вт выходной мощности на канал КПД редко достигает 50%. Для неискаженного воспроизведения возникающих время от времени пиков музыкального сигнала обычно используется запас мощности выше 1 Вт. Из Рисунка 2 видно, что КПД традиционного усилителя класса D может достигать 90 процентов, однако только для уровней выше 10 Вт (в данном случае от 40 Вт), – уровней, которые редко достигаются реальными звуковыми сигналами в течение продолжительных временных интервалов.

Рисунок 2.	Зависимость КПД традиционного усилителя класса D от мощности в нагрузке.

На нижнем конце шкалы выходной мощности общий КПД определяется мощностью (входной мощностью), потребляемой усилителем в состоянии ожидания, то есть, в условиях, когда выходной сигнал отсутствует, и ток нагрузки равен нулю.

Из Рисунка 3 видно, что в отсутствие входного сигнала мощность, рассеиваемая обычным усилителем класса D, работающем при напряжении питания 18 В, близка к 1 Вт. Из-за далеко не идеальной формы кривой аудиоусилитель легко может занять доминирующее положение в энергопотреблении всей аудиосистемы – не только при высокой выходной громкости, но даже между нулевой и средней громкостью.

Рисунок 3.	Зависимость входной мощности от мощности нагрузки для традиционного усилителя класса D.

2.2.2 Вопросы размеров и стоимости

Обычной практикой для традиционных усилителей класса D является применение синфазного LC-фильтра для снижения уровня электромагнитных помех и улучшения электромагнитной совместимости.

Кроме того, традиционные конструкции класса D могут включать в себя две дополнительные резисторно-конденсаторные схемы, которые также увеличивают общие размеры решения:

• Цепь Цобеля – это последовательный RC-фильтр, используемый для демпфирования LC-фильтра;
• Для еще большего подавления электромагнитных помех на переключающей стороне фильтра обычно добавляется последовательный RC-фильтр.

Использование фильтров ухудшает характеристики приложений, так как фильтры:

• Увеличивают цену;
• Имеют большие размеры и занимают много места на печатной плате;
• Увеличивают потребление энергии.

3 Истинно многоуровневые усилители класса D

3.1 Принцип работы многоуровневых усилителей класса D

Для достижения низкого энергопотребления (нормированного на максимальную выходную мощность), в том числе, при низких и нулевых уровнях громкости, в многоуровневых усилителях класса D используется многоуровневый силовой каскад (полумост).

Усилители семейства MERUS создают выходной сигнал с помощью силового каскада с уникальной архитектурой, в которой для каждого полумоста используются четыре биполярных транзистора или MOSFET вместо двух, которые мы привыкли видеть в традиционных усилителях (Рисунок 4). Многоуровневый выходной каскад обеспечивает замечательную гибкость и позволяет конфигурировать усилитель для оптимизации потребляемой мощности в любом приложении.

Рисунок 4.	Многоуровневый выходной каскад.

Полумост устанавливает несколько выходных уровней ШИМ от одного источника. Каждый полумост содержит четыре MOSFET (на Рисунке 4 они обозначены M1 … M4), и каждый MOSFET управляется индивидуальным ШИМ-сигналом. Конденсатор C_FLY, который «плавает» между верхним и нижним MOSFET, постоянно заряжается отдельной схемой, поддерживающей на нем неизменный потенциал. Поэтому «плавающий конденсатор» функционирует, по существу, как дополнительная шина питания. Таким образом, каждый полумостовой силовой каскад формирует в выходном коммутационном узле трехуровневый выходной сигнал: 0 В, ½ PVDD и PVDD.

В полномостовой конфигурации (Рисунок 5), которая образуется путем объединения двух трехуровневых полумостов, коммутируемых по определенной схеме, шаблон переключения каждого полумоста модулируется с фазовым сдвигом 90° относительно другой стороны. Таким образом, для дифференциально подключенного динамика результирующий силовой каскад может обеспечивать до пяти уровней шаблонов модуляции.

Рисунок 5.	Многоуровневый полномостовой выходной каскад.

Поскольку результирующая выходная частота выше, а отдельные ступени напряжения меньше, это намного лучше приближает выходной аудиосигнал к входному сигналу, чем обычные усилители класса D.

Пятиуровневая система по своей сути в четыре раза увеличивает частоту переключения в выходных узлах, и при этом на дифференциально подключенном громкоговорителе выделяются значительно более низкие уровни внеполосных остаточных шумов переключения. Высокий КПД и лучший контроль электромагнитных помех и факторов электромагнитной совместимости позволяют эффективно настроить усилитель для работы без фильтра.

На Рисунке 6 показан результирующий пятиуровневый дифференциальный выходной сигнал при полномостовой конфигурации для одного периода синусоиды.

Рисунок 6.	Пятиуровневый выходной сигнал при полномостовом подключении нагрузки.

В этом случае частота переключения в нагрузке в четыре раза превышает частоту переключения MOSFET в выходных узлах полумостов. Заметьте, что схема переключения дает три состояния (в отличие от одного в обычном усилителе класса D), где происходит полное подавление остаточных внеполосных шумов переключения, а именно при –½ PVDD, 0 В и +½ PVDD. В этих точках выходы двух полумостов либо оба равны 0 В, либо оба имеют идеально «зеркальные» выходные коэффициенты заполнения 50%.

Для реального приложения это непосредственно означает снижение пульсаций тока в выходной секции аудиосистемы. Если нет необходимости подавления внеполосных шумов или артефактов переключения, многие приложения не требуют использования синфазного LC-фильтра.

Рисунок 7.	Нулевые состояния многоуровневого усилителя.

Рисунок 7 позволяет оценить эффект от снижения пульсаций тока. При нормировании на ток пульсаций традиционного усилителя класса D (фиолетовая линия) модулированные выходные сигналы трехуровневых или полумостовых (зеленая линия) и пятиуровневых или полномостовых (оранжевая линия) каскадов имеют значительно меньшие пульсации тока. Обратите внимание на нулевые состояния для трех- и пятиуровневых сигналов – точки, в которых пульсации тока отсутствуют. В дополнение к принципиально более эффективному методу коммутации транзисторов, также, благодаря меньшему току пульсаций во внешних компонентах, значительно снижаются общие потери мощности.

Материалы по теме

Окончание