Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Wzmacniacze klasy D cz.3 - przetwornica obniżająca (podstawowe problemy)

W poprzednim odcinku omówiliśmy główne problemy, występujące we wzmacniaczach klasy D. A oto kolejne szczegóły.
Article Image

Czy wzmacniacz klasy D to przetwornica obniżająca?

Koniecznie trzeba zauważyć, że klasyczne rozwiązanie wzmacniacza klasy D jest w sumie odmianą... przetwornicy obniżającej, na co wskazuje rysunek 1, pokazujący uproszczony schemat wzmacniacza klasy D i synchronicznej przetwornicy obniżającej (buck, step-down). Przypomnijmy jeszcze raz, że „cewka nie lubi zmian prądu”. Jeżeli we wzmacniaczu klasy D mamy indukcyjność cewki fi ltru L i do tego obciążenie o charakterze indukcyjnym w postaci głośnika, to nie można w nich bezkarnie przerywać przepływu prądu, ponieważ cewka zawsze reaguje na to wytworzeniem ogromnego przepięcia.

Dlatego także we wzmacniaczach klasy D trzeba pamiętać o stworzeniu dróg przepływu prądu, które nie grożą powstaniem destrukcyjnych przepięć. A źródłem problemu są też tranzystory – klucze. Problem jest oczywisty: zawsze przy włączeniu między szyny zasilania szeregowego połączenia dwóch tranzystorów, trzeba wykluczyć możliwość ich jednoczesnego przewodzenia nawet na króciutkie chwile, bowiem powodowałoby to zwarcie źródła zasilania i przepływ ogromnego prądu.

Rys.1 Wzmacniacz klasy D jest odmianą przetwornicy obniżającej

Jeden, mniejszy problem to dodatkowe straty w tych króciutkich momentach, i drugi, znacznie poważniejszy: możliwość uszkodzenia (spalenia) kluczy tak dużym prądem. We wszelkich tego rodzaju układach konieczne jest wprowadzenie tzw. czasu martwego (dead time). Najprościej mówiąc, należy jeden tranzystor całkowicie wyłączyć, dla pewności odczekać króciutką chwilę i dopiero włączyć drugi tranzystor.

Idea jest prosta, tylko jeżeli w obwodzie występują indukcyjności, to w chwili wyłączenia obu tranzystorów prąd musi gdzieś nadal płynąć. W najprostszym przypadku popłynie przez pasożytnicze diody zawarte w strukturach MOSFET-ów, ale to wiąże się z dodatkowymi stratami.

Przy okazji trzeba poruszyć pewien pokrewny wątek. Często w innych układach impulsowych, na przykład w impulsowych regulatorach silników, jako orientacyjną wartość czasu martwego (dead time) przyjmuje się „1 mikrosekundę lub mniej”. W wielu zastosowaniach jest to dobra, bezpieczna, akceptowalna wartość. We wzmacniaczach klasy D problem zwykle jest znacznie większy niż w innych urządzeniach.

Otóż jeśli częstotliwość impulsów wynosi 1MHz, a jest wiele takich wzmacniaczy, to cały cykl trwa 1 mikrosekundę! Przy wypełnieniu 50% „dodatnia połówka” impulsu trwa 500ns, „ujemna” też 500ns. Jeżeli czasu przełączania są krótkie, rzędu kilku nanosekund, to nie ma problemu z uzyskaniem króciutkich impulsów o wypełnieniu nawet 1% (czyli czasie trwania 10ns). Sytuacja wyglądałaby mniej więcej jak z lewej strony rysunku 2.

I właśnie we wzmacniaczach klasy D modulacja (PWM) powinna powodować zmianę współczynnika wypełnienia od 0 do 100%. Jeżeli jednak czasy przełączania będą dłuższe, rzędu 100ns, to już przy wypełnieniu 10% czy 90% pojawi się problem, bo czas impulsu (przerwy) powinien być taki, jak czas przełączania. Ilustrują to przebiegi z prawej strony rysunku 2. Suma czasów przełączania wynosi 200ns, więc trudno, a wręcz nie sposób wytworzyć impulsów o wypełnieniu 1%, 2% czy choćby 5%.

Nawet jeśli częstotliwość impulsów wynosi 250kHz (a większość współczesnych niedużych wzmacniaczy klasy D pracuje przy częstotliwościach 250...600kHz), to okres wynosi 4 mikrosekundy, a przy wypełnieniu 2% impuls ma trwać 80ns.

Rys.2 Problem nieidealnego przełączania

Rysunek 2 wskazuje także, że problem nieidealnego przełączania, zarówno z uwagi na opóźnienia, jak i na ewentualną niesymetrię obu zboczy, na pewno ma też wpływ na nieliniowość. Jak widać, we wzmacniaczach klasy D MOSFET-y muszą być przełączane jak najszybciej. Wymaga to zastosowania i odpowiednich tranzystorów, i odpowiednich układów sterujących (driverów).

Optymalne rozwiązania („szybki” driver i MOSFET „o małej pojemności”) pozwalają uzyskać czasy przełączania rzędu kilku nanosekund. Ale wtedy nasilają się inne problemy: wzrasta poziom generowanych zakłóceń, a przy tak bardzo szybkich zboczach impulsów dużą rolę zaczyna odgrywać indukcyjność połączeń, a nawet indukcyjność doprowadzeń. A w kwestii indukcyjności doprowadzeń znacznie lepsze właściwości mają tranzystory zamknięte w optymalizowanych obudowach SMD, a nie klasycznych obudowach przewlekanych – i oto mamy kolejny aspekt problemów związanych ze wzmacniaczami klasy D.

Przy okazji można też wspomnieć, że praca przy wypełnieniu 0% i 100%, co może nastąpić przy przesterowaniu wzmacniacza zbyt silnym sygnałem wejściowym, wiąże się z kolejnym istotnym problemem. Mianowicie we wzmacniaczach, gdzie zasada pracy umożliwia uzyskanie wypełnienia 0% i 100% (co oznacza zanik impulsów i ciągłe włączenie jednego z tranzystorów), powrót ze stanu takiego „nasycenia” do normalnej pracy impulsowej wiąże się z dodatkowymi zniekształceniami.

Dlatego w wielu wzmacniaczach klasy D dodaje się obwody zabezpieczające przez wejściem w taki stan „nasycenia”, co często oznacza zastosowanie mniej lub bardziej skomplikowanego ogranicznika, uniemożliwiającego przesterowanie w szczytach sygnału.

„Pulsowanie” energii

Wróćmy do tego, że omawiany wzmacniacz klasy D jest w sumie synchroniczną przetwornicą obniżającą (rysunek 1) z jej specyfiką, zaletami i wadami. Jak wiadomo, teoretycznie przetwornica indukcyjna może bezstratnie zmienić wartości napięć, ale w praktyce trzeba pamiętać o podstawach i ograniczeniach takiego procesu. Otóż zmiana wartości napięć i prądów możliwa jest dzięki „pulsowaniu”, przekazywaniu porcji energii między gromadzącymi energię elementami L, C, baterią i obciążeniem, a w normalnych warunkach pracy występowanie na cewce napięcia nieodłącznie wiąże się ze zmianami prądu cewki.

Nas interesuje sytuacja w stanie spoczynku wzmacniacza, przy braku wejściowego sygnału audio, gdy napięcie na głośniku (teoretycznie) jest równe zeru. Prostokątne impulsy napięcia na wyjściu kluczy powodują, że prąd płynący przez cewkę L na przemian ładuje i rozładowuje wyjściowy kondensator C filtru. Możemy przyjąć, że dzięki odpowiednio dużej wartości pojemności kondensatora C, tętnienia napięcia na głośniku są równe zeru (bardzo bliskie zeru).

Możemy więc też przyjąć, że na cewce filtru L występuje przebieg prostokątny pochodzący z kluczy MOSFET. W spoczynku ma on wypełnienie 50%, a to oznacza, że w cewce na przemian w obie strony płynie wtedy prąd o kształcie trójkątnym. Właśnie w spoczynku, przy braku sygnału audio, do głośnika nie jest przekazywana energia, natomiast prąd płynący przez cewkę w dwóch kierunkach na przemian przenosi energię w jedną i w drugą stronę. Wszystko wydaje się proste. Ale występują tu dwa problemy.

Jeden problem to omawiane już straty energii w rezystancjach ESR cewki i kondensatora podczas przepływu tego „jałowego” prądu w jedną i drugą stronę (patrz rysunek 11 w poprzednim odcinku cyklu).

Ale jest jeszcze jeden problem: mamy tu do czynienia z przetwornicą synchroniczną o napięciu wyjściowym równym zeru i zerowym prądzie wyjściowym. Przetwornica ta na przemian przekazuje energię z jednego źródła energii do drugiego. Najpierw porcja energii za pośrednictwem cewki L przekazywana jest z baterii zasilającej do kondensatora wyjściowego C, a potem ten kondensator stanowi źródło energii i pobrana wcześniej porcja energii zwracana jest z powrotem do baterii. Niby proste i oczywiste, ale diabeł tkwi w szczegółach...

Rys.3 Synchroniczna przetwornica zasilana jest symetrycznie

Nie ma tu jednak znaczenia fakt, który mógłby zaniepokoić początkujących: jak tu mówić o kondensatorze wyjściowym C jako źródle energii, jeżeli napięcie na nim jest równe zeru?. Jeśli ma on bardzo dużą pojemność, to napięcie na nim jest bardzo bliskie zeru, ale najpierw gromadzi on wspomnianą porcję energii i potem staje się źródłem tej energii.

Ważniejsze jest to, że w tym przypadku synchroniczna przetwornica zasilana jest symetrycznie, czyli niejako mamy dwie oddzielne, jednakowe baterie zasilające połączone w szereg. W najprostszy sposób ilustruje to rysunek 3. W spoczynku, gdy nie ma sygnału audio, wypełnienie jest równe 50% i napięcie na kondensatorze C w głośniku jest równe (bliskie) zeru. W części cyklu pracy porcja energii przekazywana jest z baterii „dodatniej” (B1) przez cewkę L do kondensatora C, a potem w drugiej połowie cyklu ta zgromadzona energia, której nie zużył głośnik, zostaje z powrotem odprowadzona do baterii... tak, ale baterii „ujemnej” (B2).

Czy to znaczy, że energia z baterii B1 będzie ciągle ładować baterię B2?

Nie! Rysunek 3 dotyczy połowy jednego okresu. W kolejnej połowie będzie dokładnie odwrotnie: porcja energii zostanie pobrania z baterii „ujemnej” B2 i przekazana do kondensatora C, a potem niezużyta zostanie zwrócona do „dodatniej” baterii B1 według rysunku 4.

Rys.4 Synchroniczna przetwornica - kolejne ćwiartki cyklu

Widzisz problem?

Otóż po pierwsze w spoczynku nie tylko w obwodach filtru LC będą płynąć impulsy prądu. Wywołają one spadki napięć i straty mocy we wszystkich szeregowych rezystancjach, co zmniejszy sprawność energetyczną wzmacniacza.

Po drugie w praktyce źródłem energii nie są dwie baterie, tylko podwójny, symetryczny zasilacz sieciowy (w obecnych czasach zwykle impulsowy). Zasadniczo zasilacz sieciowy, czy to klasyczny, czy impulsowy, nie może energii „przyjąć z powrotem”. A więc podczas pracy wzmacniacza klasy D porcje energii zwracanej z filtru LC nie mogą wrócić do sieci.

Aby zlikwidować problem, w obwodach wyjściowych zasilania muszą być zastosowane kondensatory magazynujące (filtrujące szyny zasilania) o takiej pojemności, żeby „powracające z filtru LC” porcje energii nie powodowały znaczącego okresowego podwyższania napięcia w szynach zasilania.

Przy zastosowaniu klasycznych, transformatorowych zasilaczy sieciowych duże pojemności filtrujące są normą, ale w wielu innych zastosowaniach (np. gdy w zasilaczu pracuje przetwornica impulsowa) trzeba pamiętać o tym problemie „pulsowania energii” i tętnieniach w szynach zasilania związanych z opisywanym „pulsowaniem energii”.

Dobrze byłoby, żeby te porcje energii były jak najmniejsze, a to zależy od kolejnych szczegółów, do których jeszcze wrócimy. W następnym odcinku zajmiemy się problemem indukcyjności głośnika.

Tematyka materiału: wzmacniacze klasy D
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich lipiec 2019
Udostępnij
UK Logo