強(qiáng)大的 D 類(lèi)放大器 — 自己構(gòu)建一個(gè)并對(duì)其效率感到驚訝。散熱器幾乎沒(méi)有變熱!
您是否一直想構(gòu)建自己的音頻功率放大器?一個(gè)電子項(xiàng)目,您不僅可以看到結(jié)果,還可以聽(tīng)到它們?
如果您的回答是肯定的,那么您應(yīng)該繼續(xù)閱讀這篇關(guān)于如何構(gòu)建自己的 D 類(lèi)放大器的文章。我將向你解釋它們是如何工作的,然后一步一步地指導(dǎo)你讓魔法發(fā)生在你自己身上。
理論基礎(chǔ)
什么是 D 類(lèi)音頻功率放大器?答案可能只是一句話(huà):它是一個(gè)開(kāi)關(guān)放大器。但是為了完全理解一個(gè)人的工作原理,我需要教你它的所有角落和縫隙。
讓我們從第一句話(huà)開(kāi)始。傳統(tǒng)放大器,如 AB 類(lèi),作為線(xiàn)性設(shè)備運(yùn)行。將此與開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行比較,之所以如此命名,是因?yàn)楣β示w管(MOSFET)的作用類(lèi)似于開(kāi)關(guān),將其狀態(tài)從關(guān)閉變?yōu)殚_(kāi)啟。這允許非常高的效率,高達(dá) 80 - 95%。因此,放大器不會(huì)產(chǎn)生大量熱量,也不需要像線(xiàn)性 AB 類(lèi)放大器那樣的大散熱器。相比之下,B類(lèi)放大器只能達(dá)到78.5%的最大效率(理論上)。
您可以在下面看到基本 PWM D 類(lèi)放大器的框圖,就像我們正在構(gòu)建的那樣。
使用比較器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的矩形信號(hào)。這基本上意味著輸入被編碼為矩形脈沖的占空比。矩形信號(hào)被放大,然后低通濾波器產(chǎn)生原始模擬信號(hào)的更高功率版本。
還有其他將信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖的方法,例如 ΔΣ(delta-sigma)調(diào)制,但在本項(xiàng)目中,我們將使用 PWM。
使用比較器進(jìn)行脈寬調(diào)制
在下圖中,您可以看到我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)將正弦信號(hào)(輸入)與三角形信號(hào)進(jìn)行比較,將其轉(zhuǎn)換為矩形信號(hào)。
點(diǎn)擊放大
在正弦波的正峰值處,矩形脈沖的占空比為 100%,而在負(fù)峰值處為 0%。三角信號(hào)的實(shí)際頻率要高得多,大約為數(shù)百 kHz,以便我們以后可以提取原始信號(hào)。
一個(gè)真正的濾波器,不是一個(gè)理想的濾波器,沒(méi)有從通帶到阻帶的完美“磚墻”過(guò)渡,所以我們希望三角信號(hào)的頻率至少比人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)上限 20KHz 高 10 倍。
功率級(jí)——理論上聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)
理論是一方面,實(shí)踐是另一方面。如果我們想將前面的框圖付諸實(shí)踐,我們會(huì)偶然發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。
兩個(gè)問(wèn)題是功率級(jí)中器件的上升和下降時(shí)間,以及我們使用 NMOS 晶體管作為高端驅(qū)動(dòng)器這一事實(shí)。
因?yàn)?MOSFET 的開(kāi)關(guān)不是瞬間完成的,而更像是上下山,晶體管的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)重疊,從而在正負(fù)電源軌之間形成低阻抗連接。這會(huì)導(dǎo)致高電流脈沖通過(guò)我們的 MOSFET,從而導(dǎo)致故障。
為了防止這種情況,我們需要在驅(qū)動(dòng)高端和低端 MOSFET 的信號(hào)之間插入一些死區(qū)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是使用 International Rectifier (Infineon) 的專(zhuān)用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器,例如IR2110S或IR2011S。此外,這些 IC 提供高側(cè) NMOS 所需的升壓柵極電壓。
低通濾波器
對(duì)于濾波階段,最好的方法之一是使用巴特沃斯濾波器。
構(gòu)建您的 DIY 放大器(Luke-The-Warm)
現(xiàn)在我們知道了 D 類(lèi)放大器的工作原理,讓我們來(lái)構(gòu)建一個(gè)。
首先,我將此放大器命名為 Luke-The-Warm,因?yàn)樯崞鲙缀醪粫?huì)變熱,與 AB 類(lèi)放大器相反,如果不主動(dòng)冷卻,其散熱器會(huì)變得非常熱。
下面你可以看到我設(shè)計(jì)的放大器的示意圖。它基于 International Rectifier (Infineon) 的IRAUDAMP1參考設(shè)計(jì)。主要區(qū)別在于,我的不是 ΔΣ 調(diào)制,而是使用 PWM。
點(diǎn)擊放大
我現(xiàn)在將告訴您一些設(shè)計(jì)選擇以及組件如何相互配合。讓我們從左側(cè)開(kāi)始。
輸入電路
對(duì)于輸入電路,我決定最好先使用高通濾波器,然后使用低通濾波器。就是這么簡(jiǎn)單。
三角發(fā)生器
對(duì)于三角形發(fā)生器,我使用了 LMC555,它是著名的 555 芯片的 CMOS 變體。電容器的充電和放電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漂亮的三角形,它并不完美(它呈指數(shù)上升和下降),但如果上升和下降時(shí)間相等,它就可以完美地工作。
電阻器和電容器的值設(shè)置了大約 200kHz 的頻率。高于此值,我們就會(huì)遇到麻煩,因?yàn)楸容^器和 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器不是最快的設(shè)備。
比較器
對(duì)于比較器,你可以使用任何你想要的組件——它只需要快。我使用了可用的LM393AP。在 300ns 的響應(yīng)時(shí)間上,它不是最快的,肯定可以改進(jìn),但它確實(shí)可以完成工作。如果您想使用其他 IC,請(qǐng)注意檢查引腳是否匹配,否則您將不得不修改 PCB 設(shè)計(jì)。
理論上,運(yùn)算放大器可以用作比較器,但實(shí)際上運(yùn)算放大器是為其他類(lèi)型的工作而設(shè)計(jì)的,因此請(qǐng)確保使用實(shí)際的比較器。
因?yàn)槲覀冃枰容^器的兩個(gè)輸出,一個(gè)用于高端驅(qū)動(dòng)器,一個(gè)用于低端驅(qū)動(dòng)器,所以我決定使用 LM393AP。這是一個(gè)封裝中的兩個(gè)比較器,我們只需將輸入交換為第二個(gè)比較器。另一種方法是使用具有兩個(gè)輸出的比較器,例如凌力爾特公司的 LT1016。這些設(shè)備可能會(huì)提供一些改進(jìn)的性能,但它們也可能更昂貴。
這些比較器由 5V 雙極電源供電,由兩個(gè)穩(wěn)壓二極管提供,用于調(diào)節(jié)來(lái)自主電源的電壓,即 ±30V。
MOSFET驅(qū)動(dòng)器
對(duì)于 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器,我選擇使用 IR2110。另一種選擇是 IR2011,它用于參考設(shè)計(jì)。該集成電路確保添加了我在上一節(jié)中談到的死區(qū)時(shí)間。
由于 IC 的 VSS 引腳連接到負(fù)電源,我們需要對(duì)來(lái)自比較器的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這是使用 PNP 晶體管和 1N4148 二極管完成的。
為了驅(qū)動(dòng) MOSFET,我們以 12V 參考負(fù)電源電壓為 IR2110 供電;該電壓是使用 BD241 和 12V 齊納二極管產(chǎn)生的。高側(cè) MOSFET 需要由高于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) VS 約 12V 的柵極電壓驅(qū)動(dòng)。這需要高于正電源的電壓;IR2110 在我們的自舉電容器 C10 的幫助下提供此驅(qū)動(dòng)電壓。
構(gòu)建注意事項(xiàng)
現(xiàn)在您已經(jīng)了解了內(nèi)部工作原理,您所要做的就是仔細(xì)閱讀接下來(lái)的幾行,下載下面的文件,購(gòu)買(mǎi)所需的組件,蝕刻 PCB,然后開(kāi)始組裝。
低通濾波器
對(duì)于低通濾波器,您可以使用 680nF 的電容以盡可能接近計(jì)算值,但您也可以使用 1μF 的電容,沒(méi)有任何問(wèn)題(我設(shè)計(jì) PCB 時(shí)可以使用兩個(gè)電容并聯(lián)連連看)。
這些電容器必須是聚丙烯或聚酯——一般來(lái)說(shuō),將陶瓷電容器用于音頻信號(hào)并不是一個(gè)好主意。并且您需要確保用于過(guò)濾的電容器額定為高壓,至少 100VAC(更多不會(huì)造成傷害)。設(shè)計(jì)中的其余電容器也需要具有適當(dāng)?shù)念~定電壓。
我設(shè)計(jì)這款放大器的輸出功率約為 100-150W。您應(yīng)該使用具有 ±30V 電壓軌的雙極電源。您可以高于此值,但對(duì)于大約 ±40V 的電壓,您需要確保將電阻器 R4 和 R5 的值更改為 2K2。
沒(méi)有必要,但強(qiáng)烈建議您為BD241C使用散熱器,因?yàn)樗鼤?huì)變得非常熱。
現(xiàn)在是電感。你可以買(mǎi)一個(gè)已經(jīng)做好的,但我建議你自己上弦——這畢竟是一個(gè) DIY 項(xiàng)目。
購(gòu)買(mǎi) T106-2 環(huán)形線(xiàn)圈。必須是鐵粉;鐵氧體可以工作,但它需要一個(gè)間隙,否則它會(huì)飽和。使用上述環(huán)形線(xiàn)圈,纏繞40匝直徑為0.8-1mm(AWG20-18)的銅漆包線(xiàn) 。就是這樣。如果它不完美,請(qǐng)不要擔(dān)心——只要把它弄緊。
電阻器
最后,除非注明(R4、R5),否則所有電阻均為 1/4W。
測(cè)試
當(dāng)我設(shè)計(jì) PCB 時(shí),我做了它以便非常容易測(cè)試。輸入信號(hào)有自己的連接器,有兩個(gè)用于接地的鏟形端子:一個(gè)用于電源,一個(gè)用于揚(yáng)聲器。
為了消除嗡嗡聲(50/60 Hz,來(lái)自電源頻率),我使用了星地配置;這意味著將所有接地(放大器接地、信號(hào)接地和揚(yáng)聲器接地)連接在同一點(diǎn),最好是在整流器電路之后的電源 PCB 上。
完整的物料清單可以在下面的文件中找到,您還可以在其中找到 PDF 格式和 KiCAD 文件的 PCB 文件。
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