Преимущества усилителей класса D в - Гамма Санкт

Gamma-SPb
Преимущества усилителей класса D в
автомобильных аудиосистемах. Интегральные
усилители класса D фирмы NXP.
Поскольку аудиосистемы премиум-класса с каждым днем увеличиваются в размерах и
потребляют все больше мощности, то для того, чтобы удовлетворять специальным
требованиям, предъявляемым к автомобильной электронике, были разработаны звуковые
усилители класса D.
Так как мультимедийные и информационные автомобильные системы состоят из все
большего количества модулей и подсистем, то появляются ограничения для головного
модуля аудиосистемы и модуля, расположенного в багажнике. Конструкторы автомобильных
аудиосистем ищут высококачественное низкозатратное решение. Во многих случаях,
грамотное использование высокоэффективных усилителей класса D является наилучшим
возможным вариантом.
Автомобильные системы класса hi-end, в частности, многоканальные и многополосные,
становятся все более распространенными. Задача для инженеров, конструирующих
аудиосистемы для автомобилей – сохранить – или даже улучшить – высокие уровни усиления
аудиосигналов при низких искажениях, чего и ожидает покупатель.
Специфическим примером, отражающим потребность в более высоких уровнях
мощности, является тенденция к использованию двух- или трехполосных акустических
систем и сабвуферов.
В отличие от разработчиков бытовых мультимедийных систем, разработчики
автомобильных аудиосистем не могут просто взять и повысить мощность, и вынуждены
находить изощренные способы управления качеством звука, чтобы достигнуть этих целей.
Допустимое рассеяние тепла и пространственные ограничения под приборной панелью
являются весьма жесткими. Напряжение питания также ограничено подвержено всплескам и
влиянию других электронных и электромеханических систем автомобиля.
С каждым годом в конструкции автомобиля появляются новые подсистемы, такие как
видео или навигация и GPS. Больше акустических систем, больше каналов, более высокие
требования к мощности, и обычно, меньше места для установки звукоусилительной системы.
Несомненно, требования к мощности звука возрастают. Существуют два изначальных
способа для удовлетворения данных потребностей. Стандартный подход – добавить
дополнительные каналы со стандартными усилителями звука. Это решение уже применяется
в активных системах, где на каждый динамик приходится по усилителю. Но такой подход
становится сложным и все более несостоятельным в качестве общего решения из-за
большого количества каналов.
Второй подход – повысить выходную мощность либо путем понижения импеданса
громкоговорителя либо путем повышения напряжения питания при помощи DC/DC
конвертора. При таком решении один усилитель может работать на два или три
громкоговорителя и при этом выдавать высококачественных звук.
Хотя второе решение является менее сложным, у обоих методов есть много общего: и
там и там повышается рассеиваемая мощность. Поэтому, для достижения допустимых
значений рассеиваемой мощности, критичным является использование более эффективных
усилителей.
Из-за потребности в более эффективных усилителях тема усилителей звука класса D
стала часто подниматься в дискуссиях звукоинженеров.
Данные усилители обычно работают в режиме насыщения, поэтому их рассеиваемая
мощность очень мала
PT, общ = US * Imax
где US – напряжение насыщения транзистора, Imax – максимальный выходной ток
При эффективности до 95 % – по сравнению с 50 % для усилителей класса АВ –
усилители класса D могут эффективно использовать потребляемую мощность и при этом
качественно усиливать звук. Высокая эффективность означает, что для данных усилителей
необходим радиатор меньшего размера, что, в свою очередь, означает, что для электроники
можно выделить больше места в ограниченном пространстве головного модуля. Однако
усилители класса D являются более дорогими, чем усилители класса АВ и обладают
некоторыми конструктивными особенностями.
На рисунке 1 показана относительная эффективность усилителей класса АВ (рис. 1а) и
класса D (рис 1b) при различных выходных мощностях.
Усилители класса AB
n(%)
Усилитель TDA8595J
Эффективность при различных Pвых (Rl=2 Ом)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Pвых(Вт)
Class-D
0
0
n(%)
100
10
20
30
40
Эффективность при различных Pout
80
Rl=2 Ом
Vp=14.4 В
60
fe=1кГ
цz
Режим BD
40
20
0
0
10
20
Pout(Вт)
30
Рисунок 1. Усилители класса D обеспечивают лучшую эффективность в широком диапазоне.
Следует помнить, что эти два подхода не являются полностью взаимоисключающими.
Фактически, при инновационных разработках часто используются гибридные решения и
автомобильные усилители не являются исключением. Конструкторы принимают решения на
основе нескольких ключевых соображений:
 Размер, потребляемая мощность и рассеиваемая мощность головного модуля.
 Стоимость аудиосистемы
 Многоканальный интерфейс с другим электронным и электромеханическим
оборудованием
Основные сведения об усилителях
Для лучшего понимания достоинств и недостатков усилителей класса D ниже приведен
краткий обзор типов усилителей.
 Выходные каскады усилителей класса А проводят ток постоянно в течение всего цикла.
Другими словами, через выходной каскад всегда течет ток смещения. Усилители класса А
обладают самой высокой линейностью и поэтому вносят меньше всего искажений.
Недостатком является низкая эффективность, которая составляет примерно 20 %.
 Выходные каскады усилителей класса В проводят ток в течение половины
синусоидального цикла (один каскад – в течение положительной полуволны, второй – в
течение отрицательной). При отсутствии входного сигнала ток через выходные каскады
не течет. Усилители класса В обладают максимальной эффективностью 78,5 % при
максимальной выходной мощности. Но из-за интервала между временем открывания
одного каскада и закрывания другого возникает проблема линейности в точке перехода
через ноль.
 Усилители класса АВ комбинируют в себе 2 указанных выше типа. Оба каскада открыты
в одно и то же время (хотя это время минимально) в окрестностях точки перехода через
ноль. Каждый каскад открыт больше, чем в течение полупериода, но меньше, чем в
течение целого периода, и, благодаря этому, преодолевается нелинейность выходных
каскадов усилителя класса В. эффективность усилителей класса АВ составляет около 50
%. Они являются в настоящее время одним из наиболее часто используемых типов
усилителей мощности.
 Усилители класса D являются переключающими или ШИМ-усилителями. Структура и
принцип работы усилителя показаны на рис 2.
Генератор на входе вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с
постоянной частотой следования fS. Следующий за ним интегратор преобразует
прямоугольные импульсы в треугольные. Функцию непосредственно модулятора выполняет
компаратор, который модулирует эти сигналы с входными НЧ сигналами. Сигнал на выходе
компаратора имеет последовательности прямоугольных импульсов с частотой следования fS.
Ширина импульсов при этом пропорциональна амплитуде (мгновенным значениям входного
сигнала). Затем данная последовательность поступает на усилитель мощности, работающий в
ключевом режиме (в режиме насыщения).
Поскольку ключи всегда полностью открыты или полностью закрыты, потери в
выходных каскадах существенно сокращаются. Подтвержденная эффективность составляет
90 - 95 %. Фильтр НЧ подавляет насущую fS, ее гармоники и боковые полосы спектра
модуляции, после чего на выходе получается усиленный аналоговый сигнал. Как следует из
теоремы отсчетов, частота дискретизации fS должна быть, как минимум, вдвое больше
максимальной частоты передаваемого сигнала fe. Процессы коммутации (как и нелинейные
элементы схемы) вызывают появление боковых полос с частотами nfS±mfe. Поэтому для
облегчения фильтрации частота дискретизации выбирается в пределах fS = 200… 500 кГц. В
каскадах компараторов наряду с быстродействующими биполярными транзисторами
применяются и полевые транзисторы МОП структуры.
Сравнение усилителей класса D с усилителями класса AB
В силу существенных причин усилители класса АВ являются сегодня стандартом для
автомобильных аудиосистем. Технология хорошо развита и понятна, так что применять ее
сравнительно легко, нет необходимости в изменениях и переработке. Благодаря высоким
объемам производства и сильной конкуренции между производителями интегральных схем
цены на данные усилители являются умеренными. Расходы на материалы невелики,
поскольку для усилителей класса АВ требуется очень мало навесных элементов. И по
сравнению с первоначально предлагаемыми усилителями класса D, характерным
преимуществом усилителей класса АВ является то, что они не создают электромагнитных
помех.
Недостатки усилителей класса АВ – относительно высокая потребляемая мощность и
рассеяние тепла, по причине которого эффективность работы составляет около 50 % –
приобретают значение, только по мере усложнения аудиосистем. Новый недостаток
головного модуля состоит в том, что усилители класса АВ не работают с напряжением
питания выше 18 В (повышение напряжения используется для повышения выходной
мощности) из-за возрастающего рассеяния мощности.
Кроме выгод, вытекающих из 90 % эффективности работы, усилители класса D
обладают тем преимуществом, что могут конструироваться с цифровой коммутацией с
цифровым сигнальным процессором (DSP), который обрабатывает звук и тем самым
сокращает цену DSP на стоимость интегрированного аналого-цифрового преобразователя.
(Усилители класса АВ являются по сути, аналоговыми, но называть усилители класса D
«цифровыми» – это неправильно.) Наконец, усилители класса D можно подключить к сети
питания с напряжением 60 В.
Усиление шестиканального сигнала
Большинство изготавливаемых сегодня автомобилей оборудовано четырьмя
аудиоканалами, звук которых воспроизводится восьмью динамиками. Кроме того, усилитель
должен поддерживать полный частотный диапазон, басовые и среднечастотные динамики
обычно устанавливаются на один и тот же канал с высокочастотными динамиками. При
четырехканальной конфигурации может возникнуть резонанс в двери (см. рис. 2)
6-канальная система
4-канальная система
ЛЗ
Усилитель
класса АВ
Полный
частотный
диапазон на
всех каналах/
Большая
мощность
«пищалка»
ЛП
ПП
ПЗ
door
Басов
ый/
средн
ечаст
отны
й
Басов
ый/
средне
частот
ный
«пищалка»
Усилитель
класса АВ
«Пищалка»/
среднечастот
ный динамик
Усилитель
класса D
Отдельные
басовые
каналы
«пищалка»
Л
Среднечастотник
Л
Басовый левый
Басовый правый
Под
сидением
Под
сидением
Дверь
Среднечастотник
П
«пищалка»
П
Рисунок 2. Четырех- и шестиканальная архитектура
При добавлении двух каналов решается несколько проблем одновременно. Во-первых,
Это позволяет независимо питать басовые динамики, испытывающие нехватку мощности,
через два новых канала. Басовые динамики располагаются при этом под передним сидением.
Резонанс дверей при этом исключается. Безукоризненное качество воспроизведения высоких
частот также возможно, поскольку все динамики не должны работать во всем частотном
диапазоне.
Но любой конструктор автомобильных аудиосистем скажет, что пространственные
ограничения и ограничения на допустимое рассеяние тепла ограничивают рассеяние тепла
головным модулем до 20 Вт. Обычный способ решения этой проблемы – питание нескольких
динамиков от внешнего усилителя, расположенного в багажнике. Однако данное решение
увеличивает стоимость и сложность системы в целом.
Низкозатратное решение заключается в грамотном применении усилителей класса D.
Усилитель класса АВ с обычными параметрами (эффективность 55 %) рассеивает 4.5 Вт.
Работающий с эффективностью 95 % усилитель класса D рассеивает при этом 0,6 Вт.
При использовании 6-канального усилителя класса АВ общая рассеиваемая мощность
составляет 27 Вт – на 7 Вт больше типичного допустимого максимального значения для
головного модуля (см. рис 3, вариант А). Но при совместном использовании двух типов
усилителей рассеиваемая мощность будет находиться в допустимых пределах, даже при
использовании только двух усилителей класса D, которые, вероятнее всего, используются
только для басовых динамиков. В нижней строке на рис. 3 показана разница между
допустимым рассеянием в 20 Вт и общим рассеянием тепла в конкретной конфигурации.
Выходная мощность
Конфигурация каналов
Вариант А
6 х класс АВ
Рассеяние тепла
6 х 4.5 Вт
усилителем класса АВ
Рассеяние тепла
усилителем класса D
Общее рассеяние тепла
27 Вт
Мощность, рассеиваемая + 7 Вт
головным модулем.
Ограничение 20 Вт
Вариант В
4 х класс АВ +
2 х класс D
4 х 4.5 Вт
Вариант С
2 х класс АВ +
4 х класс D
2 х 4.5 Вт
Вариант D
6 х класс D
2 х 0,6 Вт
4 х 0,6 Вт
6 х 0.6 Вт
19,2 Вт
-0.8 Вт
11,4 Вт
-8.6 Вт
3.6 Вт
- 16.4 Вт
Таблица 1. Использование, как минимум, двух усилителей класса D позволяет создать 6канальную систему с оптимальной стоимостью, которую можно использовать в головном
модуле.
В силу стоимости усилителей класса D, случай В, возможно, является самым
предпочтительным вариантом для автомобилей среднего класса. Но в будущем – особенно
для рынка аудиосистем премиум-класса (и при использовании более высокого напряжения) –
рыночная доля усилителей класса D вероятно возрастет.
Аудиосистемы, используемые в автомобилях премиум-класса, могут поддерживать от 8
до 22 каналов – и многие из них могут устанавливаться в багажнике. Если не включать в
систему усилители класса D, то поддержка большого числа каналов может стать почти
невыполнимой задачей.
При бесконечном балансировании между ценой и качеством конструкторы применяют
множество комбинаций усилителей класса АВ и D. Первоначально ниша усилителей класса
D находилась там, где было критичным низкое рассеяние тепла и также (иногда неожиданно)
в тех применениях, где требовалась очень высокая выходная мощность. Например,
стереофонические усилители класса D хорошо подходят для систем с мощностью более 90
Вт. Опции, вероятно, подразделяются на 4 категории:
 Премиум: от 8 до 22 каналов с комбинацией усилителей класса АВ и D при мощности
более 28 Вт/канал.
 Аудиосистемы среднего класса, оптимизированные для низкого рассеяния мощности:
от 4 до 6 каналов с усилителями класса D с мощностью более 25 Вт/канал.
 Аудиосистемы среднего класса, оптимальные по цене: от 4 до 6 каналов с комбинацией
усилителей класса АВ и D.
 Базовая аудиосистема: от 2 до 4 каналов с усилителями класса АВ с модностью менее 28
Вт/канал.
Применение усилителей класса D для автомобильных аудиосистем.
Разработки фирмы NXP
Применение в автомобиле усилителей класса D является сложной задачей. При
конструировании качественного конечного продукта потребуются все знания и навыки
производителей полупроводниковых приборов в сочетании с опытом в конструировании
усилителей класса D и автомобильных систем.
Для начала, должно быть включено управление через интерфейс I²C, поскольку этого
требует конструкция автомобиля. Кроме этого, существуют более сложные задачи. Выходное
напряжение усилителей класса D зависит, например, от напряжения питания, а величина
напряжения питания в автомобиле не является постоянной. Следует принять меры для
подавления пульсаций напряжения питания. Оптимальным способом является использование
петли отрицательной обратной связи. Наилучшее подавление пульсаций напряжения питания
достигается при использовании обратной связи второго порядка.
Как упоминалось раньше, электромагнитная интерференция, возникающая при
переключении, является самой серьезной и трудно решаемой проблемой для усилителей
класса D. На уровне разработки электромагнитную интерференцию можно уменьшить при
помощи разнесения фаз, скачкообразной перестройки частоты и AD/BD модуляции
(модуляция по двум уровням импульсов/модуляция по трем уровням импульсов).
Но фирма NXP сделала еще один шаг, разработав и запатентовав способ подавления
электромагнитной интерференции в самом усилителе.
Всплески тока, вызывающие электромагнитную интерференцию, возникают как
результат появления бестоковой паузы между транзисторами при коммутации усилителя. Во
время бестоковой паузы на диоде накапливается заряд и данный заряд разряжается в виде
всплеска тока, как показано на рисунке 3, где красная линия обозначает всплеск.
Рисунок 3. Бестоковая пауза, при которой появляется всплеск тока, вызывающий
электромагнитную интерференцию.
Очевидное решение состоит в том, чтобы сократить время простоя. Для достижения
этого, фирма NXP провела экспертизу процесса изготовления полупроводников. Технология
«кремний на диэлектрике» (КНД) является практически идеальной, поскольку все
компоненты изолированы слоем оксида. Когда выход падает ниже нулевого уровня, на
подложке устройства не накапливается заряд, который сокращает время обратного
восстановления и не возникает перекрестных наводок с другими каналами.
Для изготовления усилителей класса D фирма NXP применяет технологию SOI
Advanced Bipolar - CMOS-DMOS (ABCD) (КНД передовая биполярная – КМОП – ДМОП).
Кроме уменьшения электромагнитной интерференции данный процесс обладает другим
преимуществом над массовой технологией Bipolar – CMOS - DMOS (BCD) (биполярная –
КМОП – ДМОП). Устройства, изготовленные по данной технологии не подвержены
нарушениям срабатывания, которые могут их разрушить.
Усилители класса D фирмы NXP
Описание
Выходной
каскад
Напр.
питания
Выходная
мощность,
коэфф.
гармоник 0,5 %
Выходная
мощность,
коэфф.
гармоник 10
%
Коэфф
гармоник
на
частоте 1
кГц
Коэфф.
усиления
, дБ
Перекрес
тные
искажени
я (дБ)
TDA8925ST
Вых. Каскад
2x25Вт
SE
+/12.5..30
2x21 Вт (4 Ом,
+/-19 В)
2x25 Вт (4
ОМ, +/-19
В)
0.07%
23
TDA8925J
Вых. Каскад
2x25Вт
SE
+/12.5..30
2x21 Вт (4 Ом,
+/-19 В)
2x25 Вт (4
Ом, +/-19 В)
0.07%
TDA8922BT
H
Один
кристалл
2x25..50Вт
SE/BTL
+/12.5..30
2x40 Вт (6 Ом,
+/-26 В)
2x50 Вт (6
Ом, +/-26 В)
TDA8922BJ
Один
кристалл
2x25..50Вт
SE/BTL
+/12.5..30
2x40 Вт (6 Ом,
+/-26 В)
TDA8931T
PoВт comp
1x20 Вт
Dolbесть
compliant
SE
12..34
(OVP
27V)
TDA8920BT
H
Один
кристалл2x5
0..100 Вт
SE/BTL
TDA8920BJ
Один
кристалл
2x50..100 Вт
TDA8939TH
Вых.
каскад150 Вт
Тип
Смещени
е пост.
составля
ющей
Напр.
шума
(мВ)
Защита
Откл.
звука
73
155
OVC, OV,
UV
ЕСТЬ
SIL17P
Эфф=90%
23
73
155
OVC, OV,
UV
ЕСТЬ
SIL17P
Эфф=90%
0.02%
30
75
< 150
210
OC (8 A),
OV, UV
ЕСТЬ
HSOP24
Эфф=90%
2x50 Вт (6
Ом, +/-26 В)
0.02%
30
75
< 150
210
OC (5 A),
OV, UV
ЕСТЬ
SIL23P
Эфф=90%
12 Вт (4 Ом,
22V) 11.8 Вт (8
ОМ, 29 В)
2x16 Вт (4
Ом, 22 В)
2x15 Вт (8
Ом, 29 В)
0.014%
(AES17)
20
75
128
OC (4 A),
ODP, OV(37
В), UV
ЕСТЬ
SO20L
Эфф=90%,
ампл. Вых
сигнала
равна напр.
питания
+/12.5..30
2x70 Вт (4 Ом,
+/-27 В)
2x90 Вт (4
Ом, +/-27 В)
0.02%
30
75
< 150
210
OC (8 A),
OV, UV
ЕСТЬ
(вне
ш)
HSOP24
Эфф=90%
SE/BTL
+/12.5..30
2x70 Вт (4 Ом,
+/-27 В)
2x90 Вт (4
Ом, +/-27 В)
0.02%
75
< 150
210
OV (8 A),
OV, UV
ЕСТЬ
(вне
ш)
SIL23P
Эфф=90%
BTL
20..60V
2x120 Вт (6Ом,
50 В)
2x150 Вт (6
Ом, 50 В)
0.02%
OVC, OV,
UV
ЕСТЬ
(вне
ш)
HSOP24
Эфф=90%
Корпус
Прим.
Примечание.
OC – защита от перегрузки по току
OV – защита от перегрузки по напряжению
UV – защита от слишком низкого напряжения
Таблица 2. Популярные интегральные усилители класса D фирмы NXP
Заключение
Усилители класса D все шире применяются в автомобильных аудиосистемах и
продолжают отвоевывать все большую долю рынка. К 2015 году их доля на рынке
автомобильных аудиосистем составит 30 %.
Благодаря большому опыту в изготовлении потребительской электроники фирма NXP
накопила множество знаний об усилителях класса D. Данный опыт сочетается с большим
опытом разработки и изготовления автомобильной электроники, в частности, автомобильных
радиоприемников, благодаря чему NXP является лидером данного направления.
Образцы микросхем усилителей компании NXP можно заказать в ООО "Гамма-СанктПетербург". Дополнительную информацию по микросхемам компании NXP Вы можете
найти на web-сайте производителя www.standardtics.nxp.com, а так же запросить в ООО
"Гамма-Санкт-Петербург".