Kompatybilność elektromagnetyczna wzmacniaczy mocy klasy D

Piątek, 08 czerwca 2007 | Technika

Nowe techniki modulacji i filtry we wzmacniaczach klasy D oprócz poprawy kompatybilności elektromagnetycznej zrównują ich koszty i parametry audio z osiąganymi przez wzmacniacze klasy AB. Technologia wzmacniaczy klasy D w ciągu ostatnich lat posunęła się szybko naprzód, zwłaszcza w aplikacjach mniejszej mocy, poniżej 50W na kanał. Sprawność wzmacniaczy tej klasy z samej natury jest wyższa niż klasy AB, ponieważ ich stopnie końcowe pracują impulsowo i nie tracą niepotrzebnie mocy przy pracy w stanie aktywnym. Zaleta wyższej sprawności wzmacniaczy klasy D dotychczas nie przeważała nad wadą większego kosztu podzespołów, gorszych parametrów audio (w porównaniu z AB) i konieczności filtracji sygnału wyjściowego. Ale ocenę tę zmieniły ostatnio dwa ważne czynniki.

Kompatybilność elektromagnetyczna wzmacniaczy mocy klasy D

Rys. 1. Dzięki lustrzanym przebiegom sygnałów wyjściowych wzmacniaczy klasy D z tradycyjną techniką modulacji szerokości impulsów ich sygnał wspólny (dolny przebieg) jest praktycznie zerowy.

Po pierwsze zmieniły się wymagania rynku. Dzięki większej sprawności końcowych stopni klasy D przeznaczonych do telefonów komórkowych w trybach głośnikowym i push-to-talk (PTT) czas między ładowaniami akumulatora może być dłuższy. Oprócz tego wysoka sprawność wzmacniacza klasy D oznacza mniej ciepła generowanego w układzie, które ujemnie wpływa na kontrast kolorowego wyświetlacza. Zatem jakość obrazu, która pogarsza się w podwyższonej temperaturze, może być lepsza. Po drugie, wzmacniacze klasy D są coraz lepsze pod względem technicznym i tańsze. Szereg producentów oferuje podzespoły do klasy D w cenie nie wyższej niż klasy AB, a nowe rozwiązania modulacji wyjściowej ułatwiają walkę z zaburzeniami elektromagnetycznymi.

Niektóre nowe układy, wywodzące się ze starszych systemów z modulacją szerokości impulsów wykorzystują wyrafinowane techniki modulacji, pozwalające w układach małej mocy działać „bezfiltrowo”. Wprawdzie producenci takich układów zapewniają, że w praktyce właściwe rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej i krótki przebieg przewodów głośnikowych obniżają zaburzenia EM w stopniu dostatecznym do spełnienia wymagań CE, rozwiązania te nie cieszą się dużą popularnością. Niektórzy projektanci podejrzewają, że podzespoły opierające się na tych technikach wywołają mnóstwo problemów z kompatybilnością elektromagnetyczną i zaburzeniami wysokiej częstotliwości.

W niektórych aplikacjach rozmieszczenie elementów nie pozwala uniknąć długich przewodów głośnikowych. Emisja w.cz. z układu musi być wtedy starannie sprawdzana, przewody te bowiem działają jak anteny. Im ich długość jest większa, tym przy niższej częstotliwości efekt antenowy zaczyna dawać się we znaki. Ograniczenia emisji w.cz. są w niektórych aplikacjach ostrzejsze od wymaganych przez CE. Może to dotyczyć motoryzacji, czy konieczności unikania interferencji z innymi obwodami przy niższych częstotliwościach.

Oczywistym przykładem jest zastosowanie wzmacniacza stereo klasy D w płaskim odbiorniku TV, w którym głośniki są rozmieszczone na brzegach monitora i długich przewodów głośnikowych nie da się uniknąć. Wtedy stłumienie podstawowej częstotliwości przełączania jest konieczne dla uniknięcia interferencji z sygnałem wideo jest kłopotliwe. Jeśli potrzebne będą tradycyjne filtry LC, dobrze współpracujące ze starszym rodzajem wzmacniaczy z przełączaniem PWM, trzeba sprawdzić, czy będą skutecznie tłumić przebiegi przejściowe w.cz. przełączania, powstające w nowszych wzmacniaczach.

Wzmacniacze klasy D z PWM

Rys. 2. Przebiegi wyjściowe w układzie MAX9704 ze zmienionym sposobem modulacji nie zachowują lustrzanego podobieństwa w kształcie, zatem poziom jego sygnału wspólnego jest niemały.

Tradycyjne wzmacniacze klasy D bazują na modulacji szerokości impulsów (PWM), a ich stopień wyjściowy może być skonfigurowany jako pojedynczy, albo jako w pełni mostkowy. Na rys. 1 przedstawiono przebiegi sygnału zwykłego wzmacniacza klasy D z obciążeniem mostkowym i przełączaniem PWM. Dzięki krótkiemu czasowi przełączania i niemal zero-jedynkowemu przewodzeniu, sprawność tego rodzaju wzmacniacza jest bardzo wysoka. Natomiast szerokie widmo jego sygnału wyjściowego jest źródłem silnej emisji zaburzeń w.cz., do których tłumienia trzeba stosować filtry wyjściowe.

Jak widać na rysunku, skutkiem dobrego dopasowania lustrzanych kształtów przebiegu odwróconego i nieodwróconego sygnał wspólny w głośniku i przewodach (przebieg dolny) jest bardzo mały. Trzeba pamiętać, że współczynnik wypełnienia 50% odpowiada zerowemu sygnałowi wejściowemu. Można więc skonstruować różnicowy filtr dolnoprzepustowy, tłumiący wielkie częstotliwości wywołane szybkim przełączaniem, ale przepuszczający przeznaczone dla głośnika niskie częstotliwości.

Rosnące zainteresowanie wzmacniaczami klasy D pobudziło do działania wielu producentów. Opracowali oni nowe sposoby modulacji z niezależnym sterowaniem obu połówek mostka H. Dzięki tym rozwiązaniom przy braku sygnału i przy bardzo małym jego poziomie na obciążeniu niemal nie pojawia się przełączanie różnicowe. Dzięki temu pobór prądu zerowego w porównaniu do układów z PWM jest mniejszy. Dodatkowo minimalne przełączanie w trybie wspólnym redukuje przebiegi przejściowe włączania i wyłączania. Przy braku sygnału wejściowego poziom stałoprądowy na każdej z gałęzi obciążenia mostkowego jest bliski zeru, minimalizując wpływ każdego niedopasowania elementów filtra lub pojemności rozproszonych, mogące wywoływać słyszalne stuki w trakcie włączania i wyłączania wzmacniacza.

Rys. 3. Dla tradycyjnego filtra biernego LC (a) charakterystyka częstotliwościowa sygnału różnicowego (b) różni się sporo od charakterystyki sygnału wspólnego (c).

Nowe techniki mają niewątpliwe zalety, ale sygnały wyjściowe nie są swoimi lustrzanymi obrazami (rys. 2). Przedstawione na nim przebiegi dla wzmacniacza stereo MAX9704 pokazują istnienie znacznego poziomu sygnału wspólnego. Wymagania dla filtra wyjściowego są zatem inne niż w przypadku tradycyjnego wzmacniacza z przeciwsobnymi wyjściami różnicowymi PWM. Użycie tradycyjnego filtra różnicowego przyniesie kiepskie wyniki. Rys. 3a pokazuje tradycyjny filtr wyjściowy LC wzmacniacza klasy D z PWM z elementami o idealnych wartościach. Dla uproszczenia będący obciążeniem głośnik jest przedstawiony jako czysta rezystancja 8Ω, a rezystancje indukcyjności przyjęto za zerowe. Rys. 3b pokazuje charakterystykę częstotliwościową filtra z „a” wysterowanego różnicowym sygnałem wejściowym. Każdy z sygnałów wyjściowych jest przedstawiony względem masy. Wynik przedstawia krzywą o nachyleniu drugiego rzędu powyżej 30kHz. Opóźnienie grupowe około 4μs jest płaskie w paśmie audio.

Rys. 3c pokazuje charakterystykę częstotliwościową tego samego filtra, wysterowanego sygnałem wspólnym. Podobnie, każdy z sygnałów wyjściowych jest przedstawiany względem masy. Otrzymana charakterystyka wykazuje ostry pik i oczywiście silne niedotłumienie. Łatwo to zrozumieć, jeśli wziąć pod uwagę, jak filtr reaguje na sygnał wspólny. Ponieważ przyjęto idealnie dopasowane indukcyjności i kondensatory, sygnał różnicowy na obciążeniu rezystywnym jest zerowy. W następstwie tego obwody LC nie są tłumione.

Ostry pik charakterystyki częstotliwościowej dokumentuje oddziaływanie L1 z C1 (podobnie jak L2 z C3). W domenie czasowej zjawisku temu odpowiada silny przerzut i oscylacje. Przy sterowaniu sygnałem wspólnym C2 wprowadza zero, oznaczające częstotliwość odcięcia filtra, a dokładniej w tym przypadku jego częstotliwość rezonansową, która jest wyższa niż przy sterowaniu różnicowym. Nie stanowi to prawdopodobnie problemu, gdy w widmie wyjściowym przy tej częstotliwości występuje zero energii wspólnej. Jeśli częstotliwość piku zbiega się z częstotliwością przełączania wzmacniacza klasy D, na głośniku i przewodach wystąpią wielkie skoki napięcia.

Układ MAX9704 może pracować także w trybie z rozpraszaniem widma. Wtedy amplituda zaburzeń jest obniżana przez randomizowanie okresu przełączania z okresu na okres, co w układach bezfiltrowych zmniejsza podatność na EMI. Ale nie wolno tego trybu pracy traktować jako panaceum na zaburzenia elektromagnetyczne, gdyż rozpraszanie widma może produkować powyżej pasma audio zakłócenia znacznej energii pobudzając nietłumiony filtr.

Możliwe rozwiązania

Jednym z rozwiązań zapewniających uzyskanie kompatybilności elektromagnetycznej jest zachowanie podstawowego układu z rys. 3a, ale z dodaniem obwodów tłumiących silnie rezonansowe składowe trybu wspólnego. Dwa szeregowe układy RC pomiędzy wyjściami a masą są widoczne na rys. 4a. Jeśli sprawność nie musi być wysoka, wystarczy użyć samych rezystorów. Ale kondensatory C4 i C5 ograniczają straty w R1 i R2.

Rys. 4. Dodanie do wyjść tradycyjnego filtra LC obwodów RC (a) nie pogarsza charakterystyki sygnału różnicowego (b) i poprawia charakterystykę sygnału wspólnego (c).

Pojemności C4 i C5 są narzucone kompromisem. Muszą być na tyle duże, aby umożliwić R1 i R2 tłumienie piku, ale na tyle małe, aby ograniczyć straty wysokich częstotliwości audio (poniżej 20kHz). Kompromis ten staje się łatwiejszy, jeżeli częstotliwość odcięcia w trybie wspólnym uczynić znacznie wyższą od częstotliwości w trybie różnicowym, przez zwiększenie stosunku C2 do C1 i C3. Po zwiększeniu częstotliwości odcięcia dla, można obniżyć pojemności C4 i C5, a zwiększyć rezystancje R1 i R2, obniżając w nich straty. Zbytnie jednak zwiększenie częstotliwości odcięcia zwiększa również poziom sygnału wspólnego w przewodach, trzeba więc przyjąć rozsądną granicę stosunku sygnału różnicowego do wspólnego w punktach -3dB. W przedstawionym filtrze przyjęto stosunek 1:5.

Na rys. 4b przedstawiono charakterystykę częstotliwościową filtra z rys. 4a sterowanego różnicowo, a na rys. 4c, sterowanego wspólnie. Na rys. 4c widać, że częstotliwość odcięcia sygnału wspólnego jest wyższa (-3dB przy ok. 110kHz w stosunku do 28kHz różnicowego), a pik łagodny, chociaż wyraźnie zaznaczony. Odcięcie to mieści się sporo powyżej najwyższych częstotliwości audio, a poniżej podstawowej częstotliwości przełączania klasy D, nie powoduje więc żadnych kłopotów.

Niektóre układy scalone wzmacniaczy klasy D, o niskich częstotliwościach przełączania (200 do 300kHz), nie nadają się do takiego rozwiązania. Trzeba więc dla nich zastosować inne. Układ MAX9704 najlepiej działa w trybie częstotliwości ustalonej (FFM) przy 940kHz (rys. 5, FS1=niska, FS2=wysoka). Dla tego układu wyborem wyprowadzenia ustala się jeden z pośród trzech możliwych okresów przełączania FFM, w zależności od danej aplikacji.

Rys. 5. Typowy schemat aplikacyjny wzmacniacza mocy MAX9704 klasy D.

Na rys. 6 i 7 przedstawiono w trybie czasowym sygnały z filtra z rys. 4 wysterowanego przez wzmacniacz klasy D MAX9704. W obu torach użyto rezystywnego obciążenia 8Ω. Rys. 6 pokazuje nałożone sygnały FILT1 i FILT2 (krzywe górne) i różnicowy przebieg wyjściowy (krzywa dolna). Szumy górnych przebiegów są śladami sygnału przełączania po ich odfiltrowaniu (układ jest zasilany napięciem 15V).

Na rys. 7 pokazano przebiegi z rys. 6 w powiększeniu. Tętnienia, głównie częstotliwości przełączania 940kHz, pojawiają się w obu kanałach jako wspólne. Można zauważyć brak wyższych harmonicznych, co pokazuje skuteczność tłumienia częstotliwości EMI (promieniowane EMI pojawiają się zwykle powyżej 30MHz).

Pokazane układy filtrów zostały dostosowane do obciążenia 8Ω. Indukcyjność cewki większości głośników dynamicznych zwiększa ich impedancję powyżej około 20kHz. Umożliwia to stosowanie układów bezfiltrowych, jednak dla optymalizacji wartości elementów, przy dodatkowej filtracji wyjściowej tłumiącej EMI, rosnącą impedancję głośnika trzeba uwzględniać.

Projektanci odczuwają potrzebę stosowania filtrów podczas laboratoryjnych pomiarów parametrów wzmacniaczy klasy D. Nawet jeśli takie wzmacniacze bez filtra spełniają wymagania EMC, to przy ich wyborze i ocenie mogą wyłonić się trudności. Sporo analizatorów audio, przeznaczonych do pomiaru całkowitej zawartości harmonicznych i szumów (THD+N), lub charakterystyk amplitudowych, konwencjonalnych wzmacniaczy audio, przy pomiarze bezfiltrowych wzmacniaczy klasy D może dawać błędne wyniki.

Rys. 6. Nałożone na siebie sygnały z wyjść FILT 1 i FILT2 układu MAX9704 z rys. 5 (u góry) tworzą razem wyjściowy sygnał różnicowy (u dołu).

Rys. 7. Główną składową tętnień na filtrowanych wyjściach układu z rys. 5 jest składowa podstawowa częstotliwości przełączania (w tym przypadku 940kHz). Wszystkie harmoniczne są silnie tłumione przez filtr drugiego rzędu o dużym nachyleniu charakterystyki. Sygnał wspólny niemal w całości sprowadza się do tętnień.

Krzysztof Pochwalski