Driver amplifier что это
Обновлено: 07.07.2024
Сейчас уже можно разделить светодиоды на два основных подтипа: индикаторные и осветительные. Осветительные светодиоды – относительно новые элементы светотехники. Первые модели применялись как индикаторы еще лет 30 назад. Но прогресс на месте не стоит. Инженерам удалось получить большую яркость при минимальном размере и потребляемом токе в сравнение с лампами. Кроме того, светодиоды имеют намного большую механическую прочность. Как лампочку их уже не разобьешь.
Светодиодная осветительная продукция серьезно потеснила практически все другие источники света. Светодиоды могут обеспечить освещение не хуже лампового. А их энергоэффективность намного выше. Обычно источники света на основе светодиодов окупаются в течение года. Сейчас их можно встретить в качестве домашнего освещения, уличных фонарей. Они устанавливаются в световое оборудование автомобилей. Даже в мониторах и телевизорах они заменили лампы подсветки .
Назначение.
Светодиод весьма чувствителен к качеству электропитания. Если пониженное напряжение ему не сделает ничего плохого, то повышенные напряжения и токи очень быстро снижают ресурс этих перспективных источников света. Многие видели, наверное, как на автомобилях хаотично моргают огни. Этот светодиод уже отслужил.
Для обеспечения стабильного электропитания (поддержания заданного напряжения и тока) необходима дополнительная электронная схема – блок питания или драйвер питания. Часто его называют led driver.
Принцип работы.
Электронная схема должна обеспечить строго стабилизированные напряжение и ток, подводимые к кристаллу. Небольшое превышение в цепи питания существенно снижает ресурс светоизлучателя.
В простейшем и самом дешевом случае просто ставят ограничительный резистор.
Питание диода через ограничивающий резистор.
Это простейшая линейная схема. Она не способна автоматически поддерживать ток. С ростом напряжения, он будет расти, при превышение допустимого значения произойдет разрушение кристалла от перегрева. В более сложном случае управление реализуется через транзистор. Недостаток линейной схемы – бесполезное рассеивание мощности. С ростом напряжения будут расти и потери. Если для маломощных LED-источников света такой подход еще допустим, то при использовании мощных светоизлучающих диодов такие схемы не используются. Из плюсов только простота реализации, низкая себестоимость, достаточная надежность схемы.
Можно применить импульсную стабилизацию. В простейшем случае схема будет выглядеть так:
Пример.Импульсная стабилизация (упрощенно)
Категорически не стоит путать светодиодный драйвер и ПРА для люминесцентных ламп, у них разные принципы работы.
Характеристики драйверов, их отличия от блоков питания LED ленты.
Если сравнивать драйвер и блок питания, то у них есть различия в работе. Драйвер – это источник тока. Его задача поддерживать именно определенную силу тока через кристалл или светодиодную линейку.
Задача стабилизированного блока питания в выдаче именно стабильного напряжения. Хотя блок питания – понятие обобщенное.
Источник напряжения применяется в основном со светодиодной лентой, где диоды включены в параллель. Соответственно через них должен проходить равный ток, при неизменном напряжении. При использовании одного светодиода важно обеспечить определенную силу тока через него. Отличия есть, но оба выполняют одну и туже задачу – обеспечение стабильного питания.
Для подключения светодиодной ленты необходимы, как правило, блоки питания, выдающие 12, либо 24 В. Второй параметр – это мощность. Блок питания должен выдавать мощность не равную, а несколько большую, чем мощность подключаемой светодиодной линейки. В противном случае, яркость свечения будет недостаточна. Обычно запас по мощности рекомендуется в пределах 20-30 процентов от суммарной мощности.
При выборе драйвера нужно учесть:
- Мощность,
- Напряжение,
- Предельный ток.
Кроме того, существуют и регулируемые источники питания. Их задача – регулировка яркости освещения. Но различаются принципы – регулировка напряжения, либо силы тока.
Для подключения led-линейки потребуется большая сила тока при неизменном напряжении.
Суммарная мощность будет рассчитываться по формуле P = P(led) × n, где Р – мощность, Р(led) – мощность единичного диода в линейке, n – их количество.
Сила тока через линейку будет рассчитываться по аналогичной формуле.
Если есть желание самостоятельно изготовить источник питания для светодиодов, то самый простой вариант – импульсный без гальванической развязки.
Схема простого led-драйвера без гальванической развязки.
Схема проста и надежна. Делитель основан на емкостном сопротивлении. Выпрямление производится при помощи диодного моста. Электролитический конденсатор (перед L7812) сглаживает пульсации после выпрямления. Конденсатор после L7812 сглаживает пульсации на светодиодах. На работу схемы он не влияет. L7812 – собственно сам стабилизатор. Это импортный аналог советских микросхем серии КРЕНхх. Та же самая схема включения. Характеристики несколько улучшены. Однако предельный ток составляет не более 1.2А. Это не позволит создать мощный светильник. Существуют неплохие варианты готовых источников питания.
Как выбрать драйвер для светодиодов.
От выбора драйвера зависит срок службы светодиодов. При этом светодиод достигает своих номинальных характеристик, так как получает необходимую ему мощность.
В зависимости от степени защиты драйвер можно применять либо дома, либо на улице. Внешне драйвер может быть открытым, в корпусе из перфорированного металла, либо – закрытый, размешенный в герметичной металлической коробке. Для дома достаточно негерметизированного пластикового корпуса, в котором расположен электронный блок.
Сразу стоит учесть, что ограничивающий резистор – это не самый лучший вариант. Он не избавит ни от скачков питающей сети, ни от импульсных помех. Любое изменение напряжения приведет в скачку тока. Линейные стабилизаторы также не являются достойным средством запитки светоизлучающих диодов. Его способности ограничиваются низкой эффективностью.
Выбор драйвера производится только после того, как известна суммарная мощность, схема подключения и количество светодиодов.
Сейчас много подделок и одни и те же по типоразмерам диоды могут обеспечивать разные мощности. Лучше использовать только известные марки электротехнической продукции.
На корпусе драйвера для подключения светодиодов, всегда размещена спецификация. Она включает:
- класс защищенности от пыли и жидкости,
- мощность,
- номинальный стабилизированный ток,
- рабочее входное напряжение,
- диапазон выходного напряжения.
Достаточно популярны бескорпусные led-драйверы. Плату потребуется разместить в корпусе. Это необходимо для безопасного использования. Платы больше подходят для радиолюбителей-энтузиастов. У них входное напряжение может быть либо 12 В, либо 220 В.
Также стоит продумать о размещении драйвера. Температура и влажность влияют на надежность системы освещения.
Виды драйверов.
По типу их можно подразделить на:
Линейные. Они наиболее подходящие, если входное напряжение не стабильно. Отличаются улучшенной стабилизацией. Распространены мало по причине низкого КПД. Выделяет большее количество тепла, подходит для маломощной нагрузки.
Внутреннее устройство драйвера
Внешний вид и схема драйвера LED 1338G7.
Импульсные. Основаны на микросхемах ШИМ. Обладают высоким КПД. Отличаются малым нагревом и длительным сроком службы.
Микросхемы ШИМ создают значительный уровень электромагнитных помех. Людям с кардиостимуляторами не рекомендовано находится в помещениях, где применяются такие драйвера для питания светодиодов.
Драйвер, работающий с диммером. Принцип основан на использовании ШИМ-контроллера. Принцип состоит в том, что регулируется сила тока на светодиодах. Низкокачественные изделия дают эффект мерцания.
Драйвер с диммером.
LED драйвер на 220 В.
Существует немало уже готовых светодиодных драйверов промышленного производства. Естественно, они обладаю различными характеристиками. Их особенность в том, что они питаются от сети 220 В переменного напряжения и могут работать в широком диапазоне питающего напряжения. Задача, у них все та же. Выдать определенную силу тока. Многие промышленные изделия уже имеют гальваническую развязку. Гальваническая развязка предназначена для передачи электроэнергии без непосредственного соединения входной и выходной частей схемы. Это дополнительные очки в плане электробезопасности (простейшей и исторически первой гальванической развязкой считается обычный трансформатор). Обычно они имеют нестабильность не более 3 %. В подавляющем большинстве сохраняют работоспособность от 90-100 Вольт и до 260 Вольт. В магазинах очень часто их могут называть:
- блок питания (БП),
- источник тока,
- адаптер питания,
- источник питания.
Это все одно и тоже устройство. Продавцы не обязаны обладать техническим образованием.
Рекомендуемые производители светодиодных драйверов.
Многие светодиодные энергосберегающие лампы уже имеют встроенный драйвер. Тем не менее лучше не приобретать безымянную продукцию родом из Китая. Хотя временами и попадаются достойные внимания экземпляры, что в прочем явление редкое. Существует огромное количество поддельных осветителей. Многие модели не имеют гальванической развязки. Это представляет опасность для светодиодов. Такие источники тока при выходе из строя могут дать импульс и сжечь led-ленту.
Но тем не менее рынок в основном занят именно китайской продукцией. Российские поставщики известны не широко. Из них можно ответить продукцию фирм Аргос, Тритон ЛЕД, Arlight, Ирбис, Рубикон. Большинство моделей может работать и в экстремальных условиях.
Из иностранных можно смело выбрать источники тока от Helvar, Mean Well, DEUS, Moons, EVADA Electronics.
Во-первых, в данном переводе могут быть серьёзные проблемы с переводом терминов, я не занимался электротехникой и схемотехникой достаточно, но всё же что-то знаю; также я пытался перевести всё максимально понятно, поэтому не использовал такие понятия, как бутсрепный, МОП-транзистор и т.п. Во-вторых, если орфографически сейчас уже сложно сделать ошибку (хвала текстовым процессорам с указанием ошибок), то ошибку в пунктуации сделать довольно-таки просто.
И вот по этим двум пунктам прошу пинать меня в комментариях как можно сильнее.
Теперь поговорим уже больше о теме статьи — при всём многообразии статей о построении различных транспортных средств наземного вида (машинок) на МК, на Arduino, на <вставить название>, само проектирование схемы, а тем более схемы подключения двигателя не описывается достаточно подробно. Обычно это выглядит так:
— берём двигатель
— берём компоненты
— подсоединяем компоненты и двигатель
— …
— PROFIT!1!
Но для построения более сложных схем, чем для простого кручения моторчика с ШИМ в одну сторону через L239x, обычно требуется знание о полных мостах (или H-мостах), о полевых транзисторах (или MOSFET), ну и о драйверах для них. Если ничто не ограничивает, то можно использовать для полного моста p-канальные и n-канальные транзисторы, но если двигатель достаточно мощный, то p-канальные транзисторы придётся сначала обвешивать большим количеством радиаторов, потом добавлять кулеры, ну а если совсем их жалко выкидывать, то можно попробовать и другие виды охлаждения, либо просто использовать в схеме лишь n-канальные транзисторы. Но с n-канальными транзисторами есть небольшая проблема — открыть их «по-хорошему» подчас бывает довольно сложно.
Поэтому я искал что-нибудь, что мне поможет с составлением правильной схемы, и я нашёл статью в блоге одного молодого человека, которого зовут Syed Tahmid Mahbub. Этой статьёй я и решил поделится.
Во многих ситуациях мы должны использовать полевые транзисторы как ключи верхнего уровня. Также во многих ситуациях мы должны использовать полевые транзисторы как ключи как и верхнего, так и нижнего уровней. Например, в мостовых схемах. В неполных мостовых схемах у нас есть 1 MOSFET верхнего уровня и 1 MOSFET нижнего уровня. В полных мостовых схемах мы имеем 2 MOSFETа верхнего уровня и 2 MOSFETа нижнего уровня. В таких ситуациях нам понадобится использовать драйвера как высокого, так и низкого уровней вместе. Наиболее распространённым способом управления полевыми транзисторами в таких случаях является использование драйвера ключей нижнего и верхнего уровней для MOSFET. Несомненно, самым популярным микросхемой-драйвером является IR2110. И в этой статье/учебнике я буду говорить о именно о нём.
Давайте для начала взглянем на блок-схему, а также описание и расположение контактов:
Рисунок 1 — Функциональная блок-схема IR2110
Рисунок 2 — Распиновка IR2110
Рисунок 3 — Описание пинов IR2110
Также стоит упомянуть, что IR2110 выпускается в двух корпусах — в виде 14-контактного PDIP для выводного монтажа и 16-контактного SOIC для поверхностного монтажа.
Теперь поговорим о различных контактах.
VCC — это питание нижнего уровня, должно быть между 10В и 20В. VDD — это логическое питание для IR2110, оно должно быть между +3В и +20В (по отношению к VSS). Фактическое напряжение, которое вы выберете для использования, зависит от уровня напряжения входных сигналов. Вот график:
Рисунок 4 — Зависимость логической 1 от питания
Обычно используется VDD равное +5В. При VDD = +5В, входной порог логической 1 немного выше, чем 3В. Таким образом, когда напряжение VDD = +5В, IR2110 может быть использован для управления нагрузкой, когда вход «1» выше, чем 3 (сколько-то) вольт. Это означает, что IR2110 может быть использован почти для всех схем, так как большинство схем, как правило, имеют питание примерно 5В. Когда вы используете микроконтроллеры, выходное напряжение будет выше, чем 4В (ведь микроконтроллер довольно часто имеет VDD = +5В). Когда используется SG3525 или TL494 или другой ШИМ-контроллер, то, вероятно, придётся их запитывать напряжением большим, чем 10В, значит на выходах будет больше, чем 8В, при логической единице. Таким образом, IR2110 может быть использован практически везде.
Вы также можете снизить VDD примерно до +4В, если используете микроконтроллер или любой чип, который даёт на выходе 3.3В (например, dsPIC33). При проектировании схем с IR2110, я заметил, что иногда схема не работает должным образом, когда VDD у IR2110 был выбран менее + 4В. Поэтому я не рекомендую использовать VDD ниже +4В. В большинстве моих схем уровни сигнала не имеют напряжение меньше, чем 4В как «1», и поэтому я использую VDD = +5V.
Если по каким-либо причинам в схеме уровень сигнала логической «1» имеет напряжение меньшее, чем 3В, то вам нужно использовать преобразователь уровней/транслятор уровней, он будет поднимать напряжение до приемлемых пределов. В таких ситуациях я рекомендую повышение до 4В или 5В и использование у IR2110 VDD = +5В.
Теперь давайте поговорим о VSS и COM. VSS это земля для логики. COM это «возврат низкого уровня» — в основном, заземление низкого уровня драйвера. Это может выглядеть так, что они являются независимыми, и можно подумать что, пожалуй, было бы возможно изолировать выходы драйвера и сигнальную логику драйвера. Тем не менее, это было бы неправильно. Несмотря на то что внутренне они не связаны, IR2110 является неизолированным драйвером, и это означает, что VSS и COM должны быть оба подключены к земле.
HIN и LIN это логические входы. Высокий сигнал на HIN означает, что мы хотим управлять верхним ключом, то есть на HO осуществляется вывод высокого уровня. Низкий сигнал на HIN означает, что мы хотим отключить MOSFET верхнего уровня, то есть на HO осуществляется вывод низкого уровня. Выход в HO, высокий или низкий, считается не по отношению к земле, а по отношению к VS. Мы скоро увидим, как усилительные схемы (диод + конденсатор), используя VCC, VB и VS, обеспечивают плавающее питания для управления MOSFETом. VS это плавающий возврат питания. При высоком уровне, уровень на HO равен уровню на VB, по отношению к VS. При низком уровне, уровень на HO равнен VS, по отношению к VS, фактически нулю.
Высокий сигнал LIN означает, что мы хотим управлять нижним ключом, то есть на LO осуществляется вывод высокого уровня. Низкий сигнал LIN означает, что мы хотим отключить MOSFET нижнего уровня, то есть на LO осуществляется вывод низкого уровня. Выход в LO считается относительно земли. Когда сигнал высокий, уровень в LO такой же как и в VCC, относительно VSS, фактически земля. Когда сигнал низкий, уровень в LO такой же как и в VSS, относительно VSS, фактически нуль.
SD используется в качестве контроля останова. Когда уровень низкий, IR2110 включен — функция останова отключена. Когда этот вывод является высоким, выходы выключены, отключая управление IR2110.
Теперь давайте взглянем на частые конфигурации с IR2110 для управления MOSFETами как верхних и нижних ключей — на полумостовые схемы.
Рисунок 5 — Базовая схема на IR2110 для управления полумостом
D1, C1 и C2 совместно с IR2110 формируют усилительную цепь. Когда LIN = 1 и Q2 включен, то C1 и С2 заряжаются до уровня VB, так как один диод расположен ниже +VCC. Когда LIN = 0 и HIN = 1, заряд на C1 и С2 используется для добавления дополнительного напряжения, VB в данном случае, выше уровня источника Q1 для управления Q1 в конфигурации верхнего ключа. Достаточно большая ёмкость должна быть выбрана у C1 для того чтобы её хватило для обеспечения необходимого заряда для Q1, чтобы Q1 был включён всё это время. C1 также не должен иметь слишком большую ёмкость, так как процесс заряда будет проходить долго и уровень напряжения не будет увеличиваться в достаточной степени чтобы сохранить MOSFET включённым. Чем большее время требуется во включённом состоянии, тем большая требуется ёмкость. Таким образом меньшая частота требует большую ёмкость C1. Больший коэффициент заполнения требует большую ёмкость C1. Конечно есть формулы для расчёта ёмкости, но для этого нужно знать множество параметров, а некоторые из них мы может не знать, например ток утечки конденсатора. Поэтому я просто оценил примерную ёмкость. Для низких частот, таких как 50Гц, я использую ёмкость от 47мкФ до 68мкФ. Для высоких частот, таких как 30-50кГц, я использую ёмкость от 4.7мкФ до 22мкФ. Так как мы используем электролитический конденсатор, то керамический конденсатор должен быть использован параллельно с этим конденсатором. Керамический конденсатор не обязателен, если усилительный конденсатор — танталовый.
D2 и D3 разряжают затвор MOSFETов быстро, минуя затворные резисторы и уменьшая время отключения. R1 и R2 это токоограничивающие затворные резисторы.
+MOSV может быть максимум 500В.
+VCC должен идти с источника без помех. Вы должны установить фильтрующие и развязочные конденсаторы от +VCC к земле для фильтрации.
Давайте теперь рассмотрим несколько примеров схем с IR2110.
Рисунок 6 — Схема с IR2110 для высоковольтного полумоста
Рисунок 7 — Схема с IR2110 для высоковольтного полного моста с независимым управлением ключами (кликабельно)
На рисунке 7 мы видим IR2110, использованный для управления полным мостом. В ней нет ничего сложного и, я думаю, уже сейчас вы это понимаете. Также тут можно применить достаточно популярное упрощение: HIN1 мы соединяем с LIN2, а HIN2 мы соединяем с LIN1, тем самым мы получаем управление всеми 4 ключами используя всего 2 входных сигнала, вместо 4, это показано на рисунке 8.
Рисунок 8 — Схема с IR2110 для высоковольтного полного моста с управлением ключами двумя входами (кликабельно)
Рисунок 9 — Схема с IR2110 как высоковольтного драйвера верхнего уровня
На рисунке 9 мы видим IR2110 использованный как драйвер верхнего уровня. Схема достаточно проста и имеет такую же функциональность как было описано выше. Есть вещь которую нужно учесть — так как мы больше не имеем ключа нижнего уровня, то должна быть нагрузка подключённая с OUT на землю. Иначе усилительный конденсатор не сможет зарядится.
Рисунок 10 — Схема с IR2110 как драйвера нижнего уровня
Рисунок 11 — Схема с IR2110 как двойного драйвера нижнего уровня
Я видел как на многих форумах, люди бьются с проектированием схем на IR2110. У меня тоже было много трудностей прежде чем я cмог уверенно и последовательно строить успешные схемы драйвера на IR2110. Я попытался объяснить применение и использование IR2110 довольно тщательно, попутно всё объясняя и используя большое количество примеров, и я надеюсь, что это поможет вам в ваших начинаниях с IR2110.
Предлагаю вашему вниманию разработку прототипа усилителя звука мощностью 600 Вт
В усилителе используется микросхема TPA3255 производства компании Texas Instruments. Это высокоэффективный, высококачественный четырехканальный усилитель класса D.
Модель платы усилителя
Принцип работы достаточно простой. На вход микросхемы подается аналоговый сигнал, он преобразуется в PWM и подается на выходные силовые каскады.
Нас интересует один из режимов работы микросхемы, PBTL параллельное мостовое включение выходных каскадов. Этот режим обеспечивает максимальную выходную мощность.
Конфигурирование режимов работы микросхемы осуществляется подключением входов управления в заданные состояния, что позволяет работать усилителю без управляющего микроконтроллера.
Кроме режима PBTL микросхема поддерживает другие режимы работы, основные из них:
SE – четыре отдельных канала с выходной мощностью до 148 Вт на канал в зависимости от выходной нагрузки и допустимых искажениях;
PBL – два канала с выходной мощностью до 315 Вт на канал в зависимости от выходной нагрузки и допустимых искажениях.
Кроме этого, внешние входы синхронизации позволяют включать несколько микросхем параллельно и суммировать выходную мощность для получения более 600 Вт.
Схема включения микросхемы TPA3255
Рассмотрим включение микросхемы более детально
PVDD силовое питание выходных каскадов усилителя 53.5 В;
GVDD питание драйверов затворов 12 В;
VDD питание схемы управления и подготовки сигнала 12 В.
Кроме этого, внутри микросхемы есть источник опорного напряжения VBG, источник питания аналоговой части AVDD 7.75 В, источник питания цифровой части DVDD 3.3 В. Эти источники не предназначены для использоваться снаружи микросхемы, но должны быть подключены к внешним фильтрующим конденсаторам емкостью 1 мкФ.
Режим работы PBTL задается подключением входов M1 и M2 к общему проводу, и заземлением аналоговых входов INPUTC и INPUTD. В этом режиме на входы INPUTA и INPUTB подается балансный аудиосигнал с номинальным уровнем 2 V RMS. Выходы OUTA и OUTC включаются параллельно, выходы OUTB и OUTD включаются параллельно.
Время задержки при включении задается конденсатором на выводе C_START, для режима PBTL его емкость должна быть 47 нФ.
Частота PWM сигнала задается резистором на выводе FREQ_ADJ
Номинал резистора на выводе FREQ_ADJ
Чем выше частота, тем больше динамические потери в выходных каскадах. И тем легче отфильтровать частоту PWM в выходном сигнале.
Защита от перегрузки и короткого замыкания выходных каскадов настраивается резистором на выводе OC_ADJ .
Контроль перегрузки реализован отдельно для верхнего и нижнего транзистора каждого выходного полумоста.
Схема защиты от перегрузки может работать в двух режимах CB3C (Cycle By Cycle Current Control) и Latching Over Current.
В режиме CB3C ограничение тока происходит непосредственно на каждом цикле PWM с выводом нулевого сигнала на выход статуса CLIP_OTW, при этом для каждого цикла, в котором сработала защита, увеличивается счетчик перегрузки для каждого цикла PWM, без перегрузки – счетчик перегрузки уменьшается. Когда счетчик перегрузок доходит до максимального значения (например, при коротком замыкании на выходе) каскад полностью отключается, устанавливается статус на выходе FAULT в ноль, вплоть до сброса состояния микросхемы сигналом RESET.
В режиме Latching Over Current при обнаружении перегрузки выходной каскад отключается, устанавливается статус на выходе FAULT в ноль, вплоть до сброса состояния микросхемы сигналом RESET.
Режим работы схемы защиты устанавливается номиналом резистора подключенного к входу OC_ADJ
Сопротивление резистора подключенного к входу OC_ADJ
Режим работы схемы защиты
Уровень тока при срабатывании защиты
Для нашего применения мы используем режим CB3C с током ограничения 17 А. Выбираем резистор сопротивлением 22 кОм.
Микросхема имеет защиту от перегрева с двумя уровнями:
Overtemperature Warning – OTW , температура кристалла микросхемы превысила 120°C с выводом нулевого уровня на выход статуса CLIP_OTW. При охлаждении микросхемы состояние возвращается в рабочий режим.
Overtemperature Error – OTE, температура кристалла микросхемы превысила 155°C, каждый выходной канал переводится в отключенный режим, на выход статуса FAULT выводится низкий уровень. Микросхема вернется в рабочий режим после сброса сигналом RESET.
Выходы FAULT и CLIP_OTW сообщают о состоянии внутренних схем защиты. Оба выхода типа ’открытый коллектор’ с внутренней подтяжкой к 3.3 В. Оба выхода имеют низкий активный уровень. По сути, выход CLIPOTW символизирует о необходимости уменьшить уровень входного сигнала, а выход FAULT означает о наличии серьезного сбоя в работе усилителя.
Выходы BSTA BSTB BSTC BSTD предназначены для подключения конденсаторов питания драйверов затворов верхних транзисторов соответствующего полумоста.
Описание схемы
Для питания усилителя требуется источник питания на 53,5 В. Пиковая мощность, которую может выдать усилитель 600 Вт. В зависимости от характера музыки средняя мощность может составлять 15% – 30% процентов от пиковой. Источник питания должен обеспечивать среднюю мощность, а пиковая мощность будет браться с конденсаторов, расположенных на плате усилителя. Нужно обратить внимание, что при пиковой мощности 600 Вт токи, протекающие по плате, превышают 10 А, сама плата и компоненты должны обеспечивать работоспособность при таких токах с запасом.
Суммарная емкость конденсаторов на плате по питанию 53.5 В превышает 10000 мкФ. Разряженная емкость для источника питания равносильна короткому замыканию, у большинства источников питания будет срабатывать перегрузка и они не смогут запуститься и выйти на рабочий режим. Для успешной работы с усилителем источник питания должен поддерживать два режима работы: стабилизации напряжения и ограничения по току. Такой источник при старте ограничивает ток в нагрузку, плавно заряжая емкости по питанию в схеме усилителя. Когда напряжение на емкостях достигает заданного уровня, источник переходит в режим стабилизации напряжения.
Для работы усилителя с любым источником питания в усилитель добавлена схема ограничения тока, реализованная на транзисторах Q3 и Q4.
Микросхеме усилителя требуется напряжение 12 В, понижающий преобразователь питания реализован на микросхеме LM2596HVS-ADJ (или LM2596HV-12), обратите внимание, что требуется применять высоковольтный вариант этой микросхемы, именно HV.
Напряжение 3.3 В получаем линейным стабилизатором LM1117-3.3 или ее аналогом.
Для управления вентилятором радиатора охлаждения реализована отдельная схема на терморезисторе TH1 10 кОм, операционном усилителе U1 и транзисторе Q6. Терморезистор начальным сопротивлением 10 кОм в корпусе 0603 размещен под микросхемой усилителя и косвенно измеряет температуру, исходя из этого, температуру включения вентилятора разумно выбрать в районе 45°C – 50°C , несмотря на то, что терморезисторы в таком типоразмере бывают с различными температурными коэффициентами, сопротивление этих резисторов уменьшается в два раза от начального в диапазоне температур от 40°C до 50°C В схеме я использую резистор R45 4,7 кОм для установки уровня срабатывания вентилятора, запаивая параллельный резистор R30 можно уменьшить сопротивление и тем увеличить температуру срабатывания. На операционном усилителе заведена положительная обратная связь для реализации гистерезиса на включение/отключение вентилятора.
Была мысль реализовать плавное включение вентилятора, пропорционально температуре. Сделать это можно либо плавно изменяя напряжение на вентиляторе, либо использовать вентилятор с входом PWM для управления оборотами. В случае с плавным изменением напряжения регулирующий транзистор придется ставить достаточно мощный и на нем будет рассеиваться мощность до трех ватт, что для любительского применения возможно, но вряд ли допустимо в серийном изделии на мой взгляд. Для варианта с регулировкой оборотов вентилятора через вход PWM необходим микроконтроллер, что для данного прототипа мне показалось избыточным, и требуется вентилятор с данным входом.
Охлаждение микросхемы усилителя. Сверху корпуса микросхемы расположена площадка для передачи тепла на радиатор, в отличии от микросхем у которых площадка расположена со стороны платы, такая схема отвода тепла позволяет сократить тепловое сопротивление между корпусом микросхемы и радиатором, тем самым понижая температуру и позволяя увеличить максимальную отдаваемую мощность. У производителя Texas Instruments есть варианты микросхем усилителей с площадкой со стороны платы с меньшей выходной мощностью. При ориентировочном КПД усилителя в 90%, при пиковой мощности, в радиаторе потребуется рассеять около 60 Вт.
Для охлаждения микросхемы заложено крепление штатного радиатора для процессоров Intel под сокет LGA1150/LGA1155/LGA1156. Для передачи тепла от микросхемы на радиатор используется дополнительная пластина.
На вход усилителя требуется подавать дифференциальный сигнал (балансный), это позволяет значительно сократить наводку синфазной помехи на сигнальный кабель.
Для ввода балансного сигнала в усилитель использован разъем профессиональной аудио аппаратуры типа XLR.
Балансный сигнал используется преимущественно в профессиональной звуковой аппаратуре, в других сферах довольно затруднительно найти источник дифференциального сигнала. Для подключения однопроводных источников сигнала в схеме реализована схема согласования на операционных усилителях U3, U4, U5.
На операционном усилителе U4 реализована классическая схема активного регулятора громкости профессиональной звуковой аппаратуры. Эта схема реализует логарифмическую функцию регулировки громкости от угла поворота переменного резистора линейного типа. Второй операционник U4B дополнительно усиливает сигнал в десять раз.
На операционном усилителе U5 реализовано формирование дифференциального сигнала для подачи на микросхему TPA3255.
Как и для большинства импульсных силовых микросхем трассировка печатной платы определяет характеристики и качество работы прибора в целом. Для платы усилителя следует применять стеклотекстолит FR-4 с медной фольгой двойной толщины (2 oz – двухунцевый стеклотекстолит).
Мне довольно трудно оценить насколько интересна тема разработки электроники читателям Хабра и насколько детально имеет смысл описывать устройство, конструкцию или принцип работы. Кроме того, так как при разработке данного проекта отсутствовало реальное техническое задание, то какие то аспекты могут показаться чрезмерными, а какие-то недостаточно проработанными. Если у вас возникло желание реализовать или встроить в свой прибор данный усилитель я готов внести изменения под реальные потребности.
Так же, если у вас есть предложения разработать какую-то плату или схему для публичного доступа, или совместной разработки, готов рассмотреть.
Внес мелкие корректировки в схему. Обновил репозитарий на github. В репозитарий добавил модели в LTspice симуляции схемы заряда емкостей питания и симуляции предусилителя. (LTspice успешно работает в Linux под wine)
Всё началось с проекта моих новых колонок. Я давно увлекаюсь, в качестве хобби, разными аудиопроектами, иногда довольно долгими и сложными. В этот раз, моё хобби совпало с возможным будущим направлением профессиональной деятельности.
В последние несколько лет все более широкое распространение в силовой электронике получают нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы. Благодаря своим выдающимся характеристикам, эти транзисторы играют все большую роль в миниатюрных импульсных преобразователях разных типов, обладающих очень высокой плотностью мощности, нередко превышающей 100 Ватт/см 3 . КПД преобразователей, основанных на GaN-транзисторах может достигать 99.5%. За счет расширения области частот преобразования в сторону единиц МГц, магнитные компоненты (дроссели, трансформаторы) также уменьшаются в размерах в разы.
Однако, разработчики преобразовательной техники сталкиваются с многочисленными сложностями с имплементацией практических конструкций на GaN-транзисторах. Наилучшие представители поставляются в бескорпусном исполнении, драйверы управления GaN-транзисторами также весьма миниатюрны. Существует значительная проблема оптимизации схемотехники и топологии затворных цепей в виду огромных скоростей переключения. Также следует напомнить, что в нитрид-галлиевых транзисторах фактически отсутствуют всем знакомые по MOSFET-ключам паразитные body-диоды, что влияет на особенности применения.
Учитывая значения действующих токов и напряжений относительно размеров силовых элементов, становится понятным, что необходим новый подход к конструированию устройства, в части топологии печатной платы, теплоотвода и обеспечению области безопасной работы во всех режимах.
В результате поисков технического решения, появилась идея создания интеллектуального модуля усилителя постоянного тока (УПТ) на основе GaN-транзисторов со следующими параметрами:
Напряжение питания до 80 В, выходной ток до 20 А
Синусоидальная выходная мощность не менее 600 Ватт
КПД на половинной мощности не менее 98%, на полной мощности не менее 96%
Полоса пропускания не менее 50 кГц
Частота несущей около 1 МГц, предельная частота переключения до 10 МГц
Скорость нарастания на выходах полумостов не менее 50 В/нс
«Мертвое время» в полумосте 1.5-15 нс
Диагностика и установка параметров по последовательному интерфейсу (SMBus)
В модуле используется недорогая микросхема программируемой логики (ПЛИС) Lattice MachXO2, и сделано это неспроста. Основной задачей ПЛИС является поддержание безопасных режимов работы силовых ключей и выходного дросселя вне зависимости от параметров входного сигнала, в частности, ограничение индекса модуляции и ограничение минимальной входной частоты управляющих сигналов. Другими словами, при падении частоты входного сигнала ниже установленной, ПЛИС начинает вырабатывать дополнительные импульсы, предотвращающие срабатывание UVLO-детекторов из-за разряда бутстрепных конденсаторов верхнего плеча в драйверах полумостов, а через некоторое время срабатывает программируемый таймер, и ПЛИС переводит модуль в режим аварии. Также ограничивается минимально возможная длина импульсов для ограничения среднего тока заряда бутстрепных конденсаторов. При соответствии параметров входного сигнала введенным ограничениям, сигнал со входов передается на драйверы полумостов асинхронно, с задержкой менее 5 нс и минимальными временными искажениями. Все ограничения и таймеры программируются через SMBus и могут быть деактивированы пользователем.
Проблема теплоотвода решается комплексным способом. Применена многослойная печатная плата с фольгой 35мкм на внешних слоях и 70мкм на внутренних слоях, переходные отверстия заполнены медью. Модуль размещен в алюминиевом корпусе размером 76 х 36 х 18 мм, изготовленном на ЧПУ, на последнем этапе сборки выполняется вакуумная заливка специализированным двухкомпонентным компаундом, обладающим очень высокой теплопроводностью.
Корпусированные прототипы.
Разработка выходного демодулирующего дросселя превратилась в отдельную НИОКР, связанную с необходимостью детального изучения параметров новейших силовых высокочастотных ферритов, выпускаемых компаниями TDK/Epcos и Ferroxcube, но не имеющих достаточных, для точных расчетов, данных в документации. Мне пришлось найти возможность изготовить образцы дросселей с различными зазорами и различным количеством витков и подробно их изучить. Это заняло не один месяц, с соответствующими расходами.
Частота собственного резонанса, измерение с помощью векторного анализатора цепей.
В результате, в предельно скромных габаритах, были изготовлены дроссели номиналом 33 мкГн, диапазоном линейного тока до 20 А и частотой собственного резонанса более 10 МГц. К сожалению, дросселей с подобными характеристиками всемирная промышленность не выпускает, пришлось выпускать свои. Достаточно большой сложностью было найти надежного производителя, обладающего технологией намотки медной шины "на ребро", так как от применения литцендрата я решил отказаться по многим причинам. Популярные в усилителях Д-класса дроссели на кольцевых магнитопроводах из "распыленного" железа обладают крайне низкой линейностью (в частности, зависимостью индуктивности от тока), впрочем, в отличии от ферритовых, не склонны к резкому насыщению.
График тока насыщения, шунт 0.003 Ом
Точно также пришлось изучать реальные характеристики различных пленочных конденсаторов для выходного демодулирующего LC-фильтра и остановить свой выбор на изделиях с полифенилсульфидным диэлектриком. Керамические конденсаторы для данных целей не подходят совершенно, в виду их огромной нелинейности.
Структурно, усилитель представляет собой полностью дифференциальную самоосциллирующую схему с достаточным запасом устойчивости. В качестве усилителя ошибки используется высококачественный быстродействующий компаратор с малым временем апертурной неопределенности. Уникальной особенностью УПТ является полное отсутствие зависимости коэффициента нелинейных искажений (КНИ) от частоты входного сигнала во всей полосе пропускания, и малая зависимость КНИ от уровня входного сигнала, что, как известно, является важным признаком высококачественного звукового усилителя. КНИ на мощности 10 Ватт не превышает 0.005%, на половинной мощности 0.015%, в точке "-0.5dB" - 0.035%. Возможно подключение внешнего дополнительного "усилителя ошибки", снижающего КНИ до 0.0005% и менее, такая схема подключения будет использоваться нашими коллегами, использующими данный модуль в поверочном электротехническом оборудовании.
Типичный спектр гармоник на мощности 10 Вт.
Практические испытания показали, что при выходной синусоидальной мощности до 200 Ватт модуль вообще не потребует дополнительного охлаждения при установке на печатную плату и работе внутри корпуса с естественной конвекцией.
На верхнюю плоскость корпуса выведен трехцветный многорежимный индикатор режимов работы. Отображается наличие и характер ошибок и причина аварийного режима. При возникновении ошибок, выходной сигнал ERR становится активным и код ошибки можно считать через SMBus-интерфейс.
Из-за крайне высоких dV/dt и dI/dT в силовых цепях модуля, при работе возникают довольно значительные всплески потенциала между силовой и сигнальной землями модуля. Пришлось установить гальванические развязки на управляющие сигналы.
Время нарастания/спада на выходе полумоста менее 2 нс, размах около 50В.
Гальваническая развязка опционального ШИМ-входа (его можно выбрать с помощью подачи соответствующей команды) выполнена на широкополосном трансформаторе, так как существующие модели интегральных гальванических развязок (ADuM12x и прочие) могут вносить заметные временные искажения управляющих импульсов.
УПТ сохраняет высокую устойчивость в широком диапазоне импеданса нагрузки и обладает хорошей переходной характеристикой даже в режиме жесткого ограничения:
Синий луч - выходное напряжение, зеленый луч - управляющий сигнал.
Для управления и конфигурации модуля мой коллега написал удобную утилиту:
В качестве интерфейсного устройства используется известный и распространенный переходник USB->I2C на базе микросхемы CH341A. Коллеге пришлось немного поколдовать над библиотеками, найденными в Сети, прежде чем всё заработало.
В разработке находятся универсальный двухфазный модуль без выходного демодулирующего фильтра, на котором можно построить широкий спектр преобразователей постоянного тока с различными топологиями (buck-, boost- или LLC) и трехфазный вариант силового модуля со схожими параметрами для применения в приводах.
Универсальный двухфазный модуль.
Я столкнулся с большими проблемами логистики в течении всего этого сумасшедшего года, а также с большой ложью поставщиков некоторых компонентов. В частности, от драйверов производства компании PSemi вообще пришлось отказаться, и начать всё заново - первые прототипы сгорали, как свечки, по необъяснимым причинам. В течении считанных месяцев, PSemi ухудшали заявленные изначально ключевые параметры микросхем драйверов PE29102, даже не удосужившись при этом изменять версию документации и не отвечали на неудобные вопросы, а к концу года вообще поставили статус NRND для данных микросхем. Нельзя не отметить сложности с моделированием схем с нитрид-галлиевыми ключами, с моделями от производителя, не имеющими в себе хотя бы толику паразитных индуктивностей, и некоторые их откровенно дерзкие референс-дизайны, работающие только сами по себе, в отрыве от окружающей действительности.
Тем не менее, выражаю признательность европейскому офису EPC за поддержку, хотя и после довольно оживленной переписки, связанной с нахождением в документации на транзисторы некоторых неточностей.
Итогом этой большой работы, продлившейся, в общей сложности, около двух лет, является хорошее понимание возможностей нитрид-галлиевой силовой электроники, выработан целый ряд архитектурных, схемотехнических, топологических и конструктивных решений, позволяющих теперь уже в короткие сроки разрабатывать широкий спектр различных устройств на прорывных электронных компонентах. Назвал я своё детище RevoGaN 8020.
Приятной новостью последних дней уходящего года стал пресс-релиз НИИЭТ о начале выпуска отечественных силовых нитрид-галлиевых транзисторов с изолированным затвором.
Читайте также: