Przetwornica synchroniczna we wzmacniaczu klasy D

Rys. 1. Układ wzmacniacza klasy D jest podobny do układu obniżającej przetwornicy DC-DC

Wada ta występuje we wzmacniaczach z przeciwsobnym stopniem wyjściowym w układzie półmostkowym (rys. 1, u góry) przy niskich częstotliwościach, w zakresie pracy subwoofera. Wzmocnienie stopnia mocy klasy D jest wprost proporcjonalne do napięcia zasilania, zatem niestabilność tego napięcia, wpływając na wzmocnienie, staje się źródłem zniekształceń.

Energia w impulsowym stopniu wzmacniacza klasy D przepływa na przemian w dwóch kierunkach, chwilami zatem energia zmagazynowana w dławiku dolnoprzepustowego filtra wyjściowego kieruje się do zasilacza. Zasilacz nie może zaabsorbować tego ładunku, więc w wyniku tego procesu na jego kondensatorze wyjściowym wzrasta napięcie (efekt pompowania) i wywołuje fluktuacje.

Efekt ten nie występuje natomiast we wzmacniaczach z przeciwsobnym stopniem wyjściowym w układzie pełnomostkowym, ponieważ energia "odbijana" z jednej gałęzi mostka jest wykorzystywana w drugiej gałęzi (rys. 1, u dołu).

W wysokiej jakości wzmacniaczach klasy D, pracujących w trybie półmostkowym, kondensatory zasilaczy +B i -B (rys. 2, po prawej) muszą przy niskiej częstotliwości sygnału przyjmować zwrotny ładunek.

Synchroniczna przetwornica zasilająca

Rys. 2. W tym półmostkowym wzmacniaczu klasy D kondensatory wyjściowe zasilaczy +B i -B muszą dostarczać ładunku, który w układzie pełnomostkowym jest dostarczany przez drugą część mostka. To właśnie jest przyczyną pompowania

W zasilaczu synchronicznym zjawisko pompowania nie występuje. Niech za przykład posłuży synchroniczny zasilacz impulsowy przedstawiony na rysunku 3. Jest to przetwornica o współczynniku wypełnienia bliskim 50%. Wtórny stopień wyjściowy działa w trybie podwajania prądu, umożliwiającego jego dostarczanie do obciążenia poprzez synchronizowane MOSFET-y przez 98% czasu.

Punkt P1 uzwojenia wtórnego dodatniego napięcia i bramka T2 (rys. 4) są w fazie, analogicznie jak ich dopełniające odpowiedniki P2 i T1. Prąd przewodzenia płynie w każdej z połówek cyklu albo przez T1, albo przez T2 (odpowiednio linie zielone i niebieskie) i dostarcza ładunek do obciążenia. Tak jak w układach podwyższających działanie jest podobne do dwufazowej przetwornicy podwyższającej z wypełnieniem 50%, czyli prąd jest dostarczany i pobierany przez 100% czasu (z uwzględnieniem oczywiście wspomnianego poprzednio czasu martwego). W czasie dostarczania prądu przetwornica synchroniczna działa identycznie jak asynchroniczna (z diodami w miejsce FET-ów), tylko z wyższą sprawnością.

Rys. 3. Strzałki pokazują kierunek przepływu prądu w dodatnim wtórnym uzwojeniu przetwornicy synchronicznej z rysunkiem 3. Niebieskie i zielone oznaczają prąd dostarczany w alternatywnych cyklach, a czerwone prąd pobierany

Gdyby przetwornica działała asynchronicznie, przełączany prąd płynący ze wzmacniacza klasy D (przerywane linie czerwone) wpływałby do kondensatora 1000 µF zasilacza. Jego impedancja przy 20 Hz [Z=1/2(πfC)] wynosi 8 Ω. Kondensator ten i indukcyjność filtra wyjściowego wzmacniacza klasy D tworzą obwód LC, włączony w szereg z rezystancją obciążenia. Częstotliwość graniczna tego obwodu RLC wyznacza częstotliwość audio, poniżej której pompowanie zasilacza staje się problemem.

Zmniejszenie przyrostu napięcia wywoływanego pompowaniem zasilacza można osiągnąć trzema sposobami:

• zwiększeniem pojemności kondensatorów wyjściowych zasilaczy,
• podwyższeniem minimalnej częstotliwości sygnału audio - pompowanie zasilania stwarza trudności przy częstotliwościach audio 200-500 Hz,
• zmniejszeniem mocy i (lub) zwiększeniem impedancji obciążenia (zmniejszenie pompowanej energii).

Wyniki doświadczalne

Rys. 4. Tętnienia 9 V w trybie asynchronicznym są wywołane pompowaniem zasilacza przy sygnale 25 W w kanale obciążonym przez 4 W. Częstotliwość tętnień 20 Hz jest taka sama jak testująca częstotliwość audio (u góry). Wynoszące tylko 2 V tętnienia w trybie synchronicznym powstają przy sygnale 75 W w kanale obciążonym przez 4 W

Zalety zasilania wzmacniacza audio klasy D przez przetwornicę synchroniczną są zilustrowane obserwacjami oscyloskopowymi. Górna część rysunku 5 przedstawia przebiegi w przetwornicy asynchronicznej, a dolna część w synchronicznej. W tym przypadku tętnienia mają częstotliwość dwukrotną (40 Hz) częstotliwości wywołanej dwufazowością przetwornicy działającej w trybie pobierania prądu. Amplituda tętnień w przetwornicy asynchronicznej wynosi 9 V przy 25 W mocy na kanał, a w synchronicznej 2 V przy trzykrotnie wyższej mocy wyjściowej, 75 W.

Przy sygnale o mocy 75 W asynchroniczna przetwornica zasilająca, o ile do jej wyjścia nie przyłączono dodatkowych kondensatorów, wywołuje znaczne zniekształcenia. Zastosowanie przetwornicy synchronicznej skutkuje istotnym zmniejszeniem zniekształceń THD+N (z 0,4457 do 0,00685, czyli o 36 dB) przy maksymalnej mocy wyjściowej. Dla częstotliwości wyższych od 200 Hz zmniejszenia zniekształceń już się nie obserwuje.

Wzrost tętnień napięcia zasilającego, oprócz zwiększenia zniekształceń, wywołuje dla układów wzmacniacza nadnapięciowe zagrożenie o potencjalnie katastrofalnych skutkach. Dlatego na przykład wzmacniacz klasy D IRS20955 firmy International Rectifier jest zaopatrzony w ochronę nadnapięciową, która wyłączy wzmacniacz, gdy napięcie zasilania przekroczy poziom zaprogramowany przez użytkownika. A przetwornica synchroniczna nie dopuści do powstania zagrożenia.

KKP