Многоуровневые аудио усилители MERUS класса D для сверхкомпактных приложений от компании Infineon
Часть 2: начало здесь
Аудио усилители MERUS класса D
3.2 Преимущества многоуровневых усилителей класса D
Перечень преимуществ инновационных многоуровневых усилителей класса D включает в себя следующие пункты:
- Меньшие размеры решения и боле низкая цена с меньшей зависимостью от фильтров;
- Более высокий КПД при типичных уровнях громкости;
- Снижение тепловыделения за счет значительного уменьшения потерь мощности;
- Более точное воспроизведение сигнала, улучшающее качество звука.
3.2.1 Высокий КПД при типичных уровнях громкости
Многоуровневые аудио усилители MERUS класса D очень эффективны при сниженном общем потреблении мощности, когда преобладают потери почти холостого хода, что делает их отличной альтернативой традиционным усилителям класса D.
Когда многоуровневый аудио усилитель MERUS работает на холостом ходу, каждый MOSFET в каждом полумостовом выходном каскаде управляется ШИМ-сигналом с коэффициентом заполнения 50%. Как видно из Рисунка 8, реальный выходной узел содержит только сигнал постоянного тока (14 PVDD). В комбинированной полномостовой конфигурации дифференциальная нагрузка динамика в режиме ожидания в идеале будет «видеть» только нулевой сигнал.
В системе многоуровневого усиления аудио, в выходном узле которой на холостом ходу не происходит никаких переключений, значительно снизить потери мощности помогают два основных механизма:
- Устранение потерь проводимости на холостом ходу в силовом каскаде, фильтре и динамике (которые, как известно, являются бесполезной нагрузкой). Это касается как потерь проводимости, так и магнитных потерь.
- Эффективное снижение емкостных потерь переключения благодаря внутреннему умножению частоты, используемому для уменьшения частоты переключения MOSFET.
Например, многоуровневый аудио усилитель MERUS MA12040 в отсутствие входного сигнала рассеивает всего 250 мВт, как это видно из графика потребления мощности на Рисунке 9. Обратите внимание на то, что вблизи малых мощностей эта характеристика относительно плоская и расположена значительно ниже, чем у обычного усилителя класса D, вплоть до выходной мощности до 2 Вт на канал.
Поскольку общее энергопотребление определяется средними потерями мощности, и поскольку в нем преобладают потери на низких уровнях громкости при воспроизведении обычных аудиосигналов, многоуровневые усилители, по сравнению с большинством обычных аудио усилителей класса D, демонстрируют общий коэффициент улучшения КПД, равный четырем или более.
Важная роль сниженного энергопотребления дополнительно подтверждается графиком зависимости КПД от выходной мощности (Рисунок 10). Оба графика на Рисунках 9 и 10 построены для аудио усилителя MERUS МА12040 с максимальной выходной мощностью 40 Вт на нагрузке 4 Ом при напряжении шины питания 18 В.
Используя цифровой интерфейс управления для выбора метода модуляции и частоты переключения, можно установить различные режимы потребления мощности. Во время работы усилителя встроенный алгоритм управления питанием автоматически выбирает режим потребления, оптимальный для данного уровня мощности. Плавный переход между режимами питания минимизирует потери во всем диапазоне выходных мощностей, обеспечивая при этом высокой качество звука и низкий уровень электромагнитных помех.
Благодаря низкому энергопотреблению, как в режиме ожидания, так и при средних уровнях громкости звука, портативные аудиосистемы могут конструироваться в расчете на значительное увеличение срока службы батарей или же на уменьшение их размеров. Аудио усилители MERUS позволяют разработчикам создавать одни из самых эффективных в мире портативных аудиоустройств, адресованных огромному рынку экологически сознательных потребителей, нуждающихся в инновационных продуктах.
3.2.2 Уменьшение размеров и снижение цены
Содержание помех в сигнале многоуровневой модуляции ниже, чем в сигнале традиционного усилителя класса D. Улучшены также характеристики электромагнитной совместимости. На Рисунке 11 показан спектр электромагнитных излучений, измеренных на оценочной плате Infineon MERUS.
Из графика видно, что ограничения, установленные стандартом EN55022-B (красная линия), выполняются со значительным запасом. EN55022-B (Радиопомехи от оборудования информационных технологий. Нормы и методы измерений) — это один из самых строгих стандартов для потребительскихтоваров.
Для демонстрации использования многоуровневых усилительных устройств MERUS в ультракомпактных и малопотребляющих приложениях Infineon разработала оценочный набор в виде небольшой печатной платы (Рисунок 12).
Рисунок 12. Оценочная плата Infineon с многоуровневым усилителем MERUS.
Несмотря на размеры всего 40 мм * 45 мм, выходная мощность этой платы достигает 80 Вт на канал. Все, что требуется — это разместить на каждом полумостовом выходе усилителя фильтр электромагнитных помех с SMD ферритовой бусиной типоразмера 1210 и SMD конденсатором емкостью 1.0 нФ типоразмера 0402.
Благодаря отсутствию необходимости в значительной фильтрации для борьбы с нежелательными помехами, многоуровневые усилители могут управлять динамиками напрямую, часто без использования LC- и RC-фильтров, даже в устройствах с повышенной мощностью, что снижает стоимость приложения. Если же разработчик все-таки захочет использовать LC-фильтры, они могут быть меньше, чем те, которые используются для традиционных усилителей класса D.
Как показано, многоуровневые усилители идеально подходят для ультракомпактных решений, и их легче интегрировать в целевое приложение, чем традиционные усилители.
3.2.3 Меньшее выделение тепла при работе
Более низкие потери мощности напрямую определяют меньшее тепловыделение и более низкую температуру внутри устройства. В большинстве случаев для эффективного отвода тепла достаточно возможностей самой печатной платы схемы, даже в относительно мощных приложениях, для которых традиционно требуется специальный радиатор.
Более низкая температура внутри работающего аудиоустройства оставляет значительно больший запас времени для периодов с повышенной выходной мощностью, например, во время воспроизведения музыки на высоких уровнях громкости.
Защита усилителя и динамиков от возможных повреждений при возникновении различных неисправностей обеспечивается нескольким интегрированными функциями защиты, включающими, в частности, встроенные датчики температуры. Более низкая температура при работе замедляет тепловое старение, что также повышает надежность аудио-приложений.
3.2.4 Исключительное качество звука
Для более эффективного подавления источников ошибок, способных ухудшить качество звука, в многоуровневые аудиоуси-лители MERUS включена петля обратной связи четвертого порядка. Широтно-импульс-ная модуляция аудиосигнала в многоуровневом усилителе происходит внутри контура регулирования четвертого порядка.
По сравнению с более традиционной петлей регулирования второго порядка, петля четвертого порядка дает гораздо лучшее усиление и, соответственно, лучшее подавление источников ошибок. Это гарантирует очень низкие искажения сигнала, отличное качество звука и невосприимчивость к несовершенствам реальной системы, таким, например, как неидеальное напряжение на шине источника питания, создающее помехи и пульсации.
В усилители MERUS, как в аналоговые, так и в цифровые версии, полностью интегрированы цепи обратной связи. Это позволяет разработчикам обеспечить хорошие характеристики и устойчивость схемы при минимальных затратах усилий на проектирование, без трудоемкой процедуры выбора и оптимизации компонентов внешнего фильтра цепи обратной связи.
4 Заключение
В этой статье рассмотрены преимущества истинно многоуровневых усилителей класса D, представленных продуктами MERUS как примерами первой в мире многоуровневой аудиотехнологии.
Благодаря сверхвысокой энергоэффективности и очень компактным решениям, технология истинно многоуровневого усиления, доступная как в аналоговой, так и в цифровой версиях, дает разработчикам потребительских аудиоприложений дополнительную свободу проектирования.
Работая от источника фиксированного напряжения, многоуровневый усилитель значительно снижает потери мощности при нормальных уровнях громкости и в большинстве приложений не требует LC- и RC-фильтров.
Многоуровневые усилители класса D превосходны в приложениях, требующих небольших размеров, низкого тепловыделения или низкого энергопотребления, включая:
- Колонки с автономным питанием
- Звуковые панели
- Беспроводные колонки
- Многокомнатные аудиосистемы
- Системы домашних театров
Многоуровневые усилители обеспечивают сочетание более мощного звука с самым низким энергопотреблением и наименьшей занимаемой площадью для устройств как с батарейным, так и сетевым питанием.
Комбинация схемы многоуровневой коммутации и динамического управления питанием расширяет границы эффективности и компактности решений для высококачественного усиления звука.