Мощни аналогови интегрални схеми за усилватели клас Д, LM4651 - 170W Class D Audio Amplifier

National Semiconductor - LM4651 - 170W  Class D Audio Amplifier ,
Мощни аналогови интегрални схеми  за усилватели клас Д
Цена на дребно: 25 лв

Features

·  Conventional pulse width modulation.

·  Externally controllable switching frequency.

·  50kHz to 200kHz switching frequency range.

·  Integrated error amp and feedback amp.

·  Turn−on soft start and under voltage lockout.

·  Over modulation protection (soft clipping).

·  Externally controllable output current limiting and thermal shutdown protection.

·  Self checking protection diagnostic.

Description

The IC combination of the LM4651 driver and the LM4652 power MOSFET provides a high efficiency, Class D subwoofer amplifier solution.

The LM4651 is a fully integrated conventional pulse width modulator driver IC. The IC contains short circuit, under voltage, over modulation, and thermal shut down protection circuitry. The LM4651also contains a standby function which shuts down the pulse width modulation minimizing supply current. The LM4652 is a fully integrated H-bridge power MOSFET IC in a TO-220 power package. The LM4652 has a temperature sensor built in to alert the LM4651 when the die temperature of the LM4652 exceeds the threshold. Together, these two IC's form a simple, compact high power audio amplifier solution complete with protection normally seen only in Class AB amplifiers. Few external components and minimal traces between the IC's keep the PCB area small and aids in EMI control.

The near rail-to-rail switching amplifier substantially increases the efficiency compared to Class AB amplifiers. This high efficiency solution significantly reduces the heat sink size compared to a Class AB IC of the same power level. This two-chip solution is optimum for powered subwoofers and self powered speakers. 

Key Specification

Output power into 4Ω with < 10% THD.	170W (Typ)
THD at 10W, 4Ω, 10 − 500Hz.	< 0.3% THD (Typ)
Maximum efficiency at 125W	85% (Typ)
Standby attenuation.	>100dB (Min)

Applications

·  Powered subwoofers for home theater and PC's

·  Car booster amplifier

·  Self-powered speakers

 Описание и технически параметри на линка  LM4651 - 170W Class D Audio Amplifier

Класове и Мощности на усилватели и някои съображения при проектирането им

Изходната мощност е най-често срещният параметър при усилвателите, и с него най-често се злоупотребява. При специфициране на изходна мощност се срещат различни "видове" мощност - "Sine wave power", "Music power", "Peak power" и какво ли не още... Между тях често няма логична връзка, поне на пръв поглед, а картината се усложнява допълнително, когато са посочени две стойности за същият вид мощност при различен товар.

Болшинството схеми, популярни в битовата звукотехника, ползват "фиксирано" захранване - напрежението е зададено от захранващият блок и не се управлява чрез сигнала. Схемните решения, при които има активно управление на захранващото напрежение са т.нар. "Клас H", които ще разгледаме отделно.

Какво е "клас" - разграничението е на база режимите на съответното стъпало в дадена схема по отношение номиналната му консумация спрямо полезният сигнал. В дадена схема може да има звена, които работят в различни класове: най-често маломощните звена работят в "клас А", а мощните изходни стъпала в клас А, AB, B и по-рядко в клас С. Разделението на класове е донякъде условно.

Клас А се нарича случаят, когато токът на покой в дадено стъпало е поне 1/2 от полезният му изходен ток. Това е най-неефективният в енергийно отношение клас, защото значителна част от общата консумирана енергия се превръща в топлина, а не в полезен сигнал. Въпреки това, този режим често се предпочита в маломощните звена в дадена схема (входни, усилвателни и драйверни стъпала), защото по правило има много ниски собствени изкривявания, а консумацията на тези стъпала е незначителна спрямо общата за схемата.

Клас AB е случаят, когато токът на покой е 0.01-0.5 от изходният ток. Нарича се AB, защото за сигнали с малка амплитуда токът на покой е по-голям или равен на изходния, а с нарастване на изходната амплитуда отношението им расте и може да достигне до 1/100. Този клас също има сравнително добра собствена линейност, но консумира значително по-малко енергия от клас А.

Клас B е случаят, когато токът на покой е до 1/100 от максималния изходен ток за стъпалото. При транзисторните усилватели това е минимално необходимият ток за поддържане на транзисторите в отпушено състояние без полезен сигнал. Този клас има сравнително големи собствени изкривявания (до няколко процента), защото приборите са нелинейни в началото на изходната си характеристика. Този клас консумира незначителна енергия на празен ход.

Клас C е случаят, когато няма ток на покой. Нещо повече - често на транзисторите няма никакво пред напрежение, което предопределя високи собствени изкривявания на стъпалото поради факта, че управляващият сигнал трябва да стане по-голям от 0.6 волта (при силициеви транзистори), за да предизвика отпушване на транзистора. В енергийно отношение това е най-ефективният клас, и въпреки големите собствени изкривявания може успешно да се ползва в качествени усилвателни схеми (например QUAD405).

Класове G, Н:
представлява комбинация от усилвател и метод за управление на захранването му. Целта на упражнението е да се ползва ниско напрежение при малки и средни изходни нива, с което се постига по-голямо к.п.д. в сравнение с "класическа" схема с фиксирано захранване.
Друга полза е, че изходните транзистори на основния усилвател се използват по-ефективно, което позволява да се намали общият им брой за постигане на една и съща изходна мощност, пак в сравнение с "класическа" схема. По-малки са и радиаторите.

Има няколко популярни метода:
1. Директна комутация на захранващите напрежения. Към всяка половинка на изходното стъпало се подава ниско напрежение през диод. Отделна схема следи изходния сигнал, и когато той достигне някаква прагова стойност, през бърз ключ (биполярен или MOS) се подава високо напрежение за времетраенето на полупериода и само докато разликата с ниското напрежение е по-малка от предварително зададената. У нас му викаха "клас B+C" и един човек стана професор покрай тази схема. Стъпките на захранващото напрежение може да са няколко.

2. Разновидност на този метод е ползването на две (или повече) отделни едно полярни напрежения, събрани през диоди (единия в плюса на първото, другия в минуса на второто) и комутация на "средната" им точка - с което се постига удвояване на напрежението (при затваряне на ключа двете захранвания са последователни едно на друго, иначе са в паралел през диодите). Този метод е приложим при мостови стъпала, при които едната половинка на моста е със "замасен" изход. Този метод позволява мостово свързване на мостови стъпала (ама как го казах, а!), като се ползват отделни захранвания без обща точка помежду им. Единствената обща точка на всеки 4 стъпала става условната "маса", към която се свързват изходите на половинките на всеки мост.

3. Активно управление на захранващото напрежение (модулирано захранване) - все едно два усилвателя - единият е клас D и осигурява захранване на втория, който е линеен. Поддържа се постоянна разлика между захранващото и изходното напрежения.

И трите метода имат практическа реализация. Всеки има своите особености, предимства и недостатъци.

В резюме, класът на даден усилвател не може да бъде единствен критерии за неговите качества. Определящо за това е самото схемно решение, докато класът може да ни ориентира само приблизително за това каква консумация можем да очакваме от даден усилвател.

Известни са и усилватели клас D, при които приборите в изходните стъпала работят в ключов режим - или напълно запушени, или напълно отпушени, като изходният сигнал най-често е широчинно-импулсно-модулиран: т.е. чрез управление на "коефициента на запълване" на изходните импулси се получава звуков сигнал. Такива са и т.нар. "цифрови усилватели", някои от които съдържат в себе си и "Цифрово-аналогов преобразовател", а на входа им се подава директно цифров сигнал. В енергийно отношение тези усилватели са най-ефективни и често са изработени без всякакви радиатори, дори за сравнително големи изходни мощности (напр. 200 вата).

Мощности

Изходната мощност на даден усилвател се определя от ефективната стойност на изходното му напрежение и товара, по закона на Ом:

Po=Ueff^2/Rt

Po - мощност, ватове
Ueff - ефективна стойност на напрежението (на втора степен), волтове
Rt - товар, омове

Ако сигналът е синусоида, то неговата ефективна стойност е ~0.707 от пиковата стойност на синусоидата. Следователно, ако знаем пиковата стойност Up:

Po=1/2 Up^2/Rt = Up^2/(2*Rt)

Ето една картинка за илюстрация:



Пикова стойност на синусоидата: +/-50V
Ефективна стойност: 35.35V
Мощност върху 8 ома=156.25W

В усилвателните схеми с фиксирано захранване изходният сигнал може да достигне пикова стойност най-много колкото е захранващото напрежение на схемата, ако в нея няма никакви загуби. Такива схеми и прибори все още няма. Дори в най-ефективните схемни решения загубата е поне 1 волт, а най-често е 3-5 волта под/над захранващото напрежение.

Самото захранващо напрежение също не е "константа" и се изменя според консумацията. При "линейните" захранвания без стабилизация (трансформатор, изправител, филтриращи кондензатори) изходното напрежение (което е захранващо за усилвателя) може да спадне с 10% и повече спрямо стойността му на празен ход, като спадането е обратно пропорционално на капацитета на филтриращите кондензатори и товара т.е. колкото по-голям капацитет, толкова по-малък спад и колкото по-малък товар, толкова по-голям спад. Всичко това е при условие, че не надвишаваме специфицираната мощност на трансформатора, при която неговото напрежение също спада с около 5% спрямо номиналното за празен ход.

Загубата на напрежение при натоварване на захранването често достигат 20% спрямо стойността на празен ход. Оттук започва заблудата при задаване на изходни мощности.

Има няколко стандарта за задаване на мощност. Най-често се цитира мощността, при която стъпалото има клирфактор 10%. Това е случаят, когато изходният сигнал е преминал максималната възможна неограничена по амплитуда стойност и е леко 'подстриган' в пиковете на синусоидата, която вече прилича на трапец с обли страни. В сравнение с неограничена в пиковете синусоида, мощността в този режим е около 20% по-голяма, което много 'шарлатани' ползват успешно в брошурите на изделията си.

Друг стандарт цитира мощността за неограничена по амплитуда синусоида, което се обозначава с "Sine wave power". Уважаващите себе си производители специфицират тази мощност за товар 8, 6 и 4 ома, понякога и за 2 ома. Такъв начин на указване на изходната мощност може да ни ориентира как е изработено захранването:

Ако мощността се удвоява с намаляване наполовина на товара, това означава, че имаме "регулирано" захранване, на което не се изменя напрежението. То може да бъде както линейно, така и импулсно.

Ако например при 4 ома мощността не е два пъти по-голяма от тази при 8 ома, а е примерно 1.5 пъти по-голяма, това означава, че захранването е спаднало с около 20% спрямо стойността си при товар 8 ома. Същевременно, за кратки пикове, захранването може и да не спадне с посочените проценти, което можем да видим в сравнението между "Peak power" за 8 и 4 ома съответно.
Често се среща разлика 20% в полза на "Peak power" спрямо "Sine wave power" за едно и също стъпало при един и същ товар, което ни подсказва, че захранването му е проектирано "пестеливо". При добре оразмерено захранване не би следвало да има съществена разлика между двете мощности.

Колко вата ще излязат от даден усилвател?

Загубата на напрежение в типичните схеми е 3-5 волта от всеки полюс. Ако измерим напрежението на празен ход, следва, че пиковата стойност на изходния сигнал ще бъде поне 3, най-често 5 волта по-ниска. Следователно, ако захранващото напрежение е примерно +/-35 волта, то:


Up=35-5=30V
Ueff=0.707*Up=21.2V
Po (@8ohm)=21.2*21.2/8=56W

Това ще бъде вярно за 'къси' пикове, с времетраене по-малко от два последователни "зареждащи" импулса от трансформатора (100Hz=10ms). Ако допуснем, че при такава постоянна консумация (синусоида, 2.64А) захранващото напрежение би спаднало с 5%, налага се да преизчислим получената мощност:

Up=(35*0.95-5)= 28.5V
Ueff=19.97V
Po=49.8W

Следователно, бихме записали "Peak power @8ohm" = 56W; "Sine wave power@8ohm"=50W

Спадът на захранващото напрежение при натоварване не се дължи непременно на трансформатора, а може да бъде от недостатъчен капацитет или голямо вътрешно съпротивление на филтровите кондензатори в захранващия блок. Коректната спецификация на мощност се указва при едновременно натоварване на всички канали на даден усилвател.

Същото измерване следва да се направи за 6 и 4 ома, с указване на съответните мощности.

Проектиране

При проектирането на усилвател трябва да се съобразим с няколко фактора:

1. Желана изходна мощност
2. Минимално допустим товар
3. Максимална стойност на изходния ток
4. Остатъчна топлина

Изходната мощност при зададен товар определя изискванията към захранването, както и към изходното стъпало на усилвателя.

По обратната формула на горната:

Up= sqrt(Po*2Rt)
Us= (Up+5)/0.95

Коефициентът 0.95 е при допускане за 5% загуба на напрежение при товар. По-реален коефициент е 0.8 за 2 канала на общо захранване.

Ако искаме "синусоидална" мощност 50 вата на канал за 8 ома, то:

Us=(Up+5)/0.8 = (sqrt(50*16)+5)/0.8 = 41.6V (+/-)

Тогава "пиковата" мощност при къси импулси и за един канал би била:

Po=(Us-5)^2/16= 83W

С тези примери се вижда колко подвеждащи, макар и верни, могат да бъдат числата на "паспортната мощност" на даден усилвател. Като правило, колкото по-голяма е разликата между "пикова" и "синусна" мощност, толкова "по-меко" е захранването на схемата - т.е недостатъчно мощен трансформатор и/или недостатъчен капацитет на филтровите кондензатори. От друга гледна точка, музиката не е синусоида с константна амплитуда, а "пиков" сигнал, което донякъде оправдава компромисите в захранването. Но това не изключва появата на изкривявания при продължителни пасажи с голяма амплитуда.
 

Остатъчната топлина е типично 1/2 от средната изходна мощност при схеми в клас АB и клас B. За клас А е твърде специфично, в зависимост от типа на схемата. При някои схеми сумата от начален ток и изходен ток е константа, в който случай ефективността нараства с изходната мощност, при други той е константа, независимо от изходния ток, а при трети - нараства заедно с него. Затова и рядко се проектират усилватели в клас А, на които изходната мощност е повече от 20-30 вата, защото произведената от тях топлина би била значителна.
По материали на: Audio Club Bulgaria 

Продажба и доставка на електронни елементи, директни доставки от производители.
За проверка на складови наличности и поръчки пишете на e-mail: plovdiv.services@gmail.com

Sales and supply of electronic components, supplies direct from manufacturers.

e-mail: plovdiv.services@gmail.com

 Нови интегрални схеми и цени на линка :  National Semiconductor