מגבר כוח סטריאו יעיל וקומפקטי: שחרר אודיו באיכות גבוהה עם PAM8610 – אלקטרוניקה פתוחה

מגבר הספק סטריאו 10+10W ל-8 אוהם מבוסס על המשולב PAM8610מתאים למערכות הדורשות יעילות גבוהה ומעט חום לפיזור.

עד עכשיו, המזעור של מעגלים אלקטרוניים מתקדם ללא מעצורים. זה כולל אפילו את המכשירים האלקטרוניים המסורתיים כמו מגברי אודיו, שאין להם צורך קפדני בזה, למעט כאשר הם חייבים לצייד נגני מוזיקה או טאבלטים וקונסולות משחקי וידאו ניידות הדורשות כמה וואטים כדי להשמיע מוזיקה באיכות טובה ב- רמת צליל סבירה, מבלי לתפוס יותר מדי מקום או לצרוך סוללות במהירות.

בפרספקטיבה זו הוצגו לאחרונה מגברים משולבים הפועלים בדרגה D. הדגם המסוים הזה מבוסס על המרה של אודיו אנלוגי בפולסים PWM שרוחבם משתנה באנלוגיה עם משרעת האות, אשר לאחר מכן מוגברים בכוח על ידי טרנזיסטורים (כמעט תמיד MOSFET) פועל במצב ON/OFF ולכן מסוגל ליעילות גבוהה מאוד להיות מסונן, לבסוף, על ידי תאי LC מסדר שני שנוצרו על ידי משרנים וקבלים, שהערכים שלהם וגודלם (באופן רפלקסיבי) מוגבלים יותר, ככל שהערך גבוה יותר. יְעִילוּת. מסוגל, לבסוף, לסנן יעילות גבוהה מאוד על ידי תאי LC מסדר שני שנוצרו על ידי משרנים וקבלים, שהערכים והגדלים שלהם (רפלקס) מוכלים יותר, ככל שתדירות ה-PWM גבוהה יותר.

הבחירה בשימוש ב"מחלקה D" היא אידיאלית בכל הנוגע להגבלת צריכת החשמל מאחר שלמגברים הפועלים במחלקה זו יש נצילות שיכולה לעלות על 90%, לעומת 55% אופיינית לאלה בדרגה AB; לדוגמה, אם ניקח כנקודת התייחסות את 10 הוואטים שהמגבר המתואר כאן מפתח עבור כל ערוץ, עם מחלקה, AB יביא לצריכה של כ-18W. לעומת זאת, ההספק הכולל הנדרש בדרגה D הוא קצת יותר מ-11 וואט.

מגברים משולבים Class-D עבור דירוגי הספק קטנים הם אידיאליים עבור התקני שמע המופעלים על ידי סוללה, שכן ביישומים ספציפיים אלה, ככל שניתן לחסוך יותר אנרגיה, כך ייטב. בין ה-ICs הללו נמצא ה-PAM8610, אשר יכול להיחשב כ"אח הגדול" של ה-PAM8403 המוכר יותר בו השתמשנו בפרויקטים שונים בעבר.

תרשים חשמלי

המעגל שתמצאו בעמודים אלו התממש בעקבות המלצות היצרן ומנצל את פונקציית ה-Shutdown המיושמת בשבב, המאפשרת להפעיל ולכבות את המגבר באמצעות אות לוגי או מתג דיגיטלי דרך פין 29; נסביר בקרוב.

כעת בואו נסתכל על דיאגרמת החיווט עם ה-PAM8610TR במרכז, מגבר שלם דו-ערוצי מסוג D (מיוצר על ידי Diodes, www.diodes.com) עם כניסות לא מאוזנות ויציאות מגושרות, להשגת הספק מוצא גבוה עם ערכי מתח אספקה ​​נמוכים. הספק המוצא עם אספקת 13V הוא 10W לערוץ לרמקולים של 8 אוהם, ושלבי המגבר כוללים עיוות הרמוני נמוך.

מסנן ה-LC הכפול המוצב ביציאת הגשר של מגברי הספק מסוג D משמש בדרך כלל לליניאריזציה של אות המוצא, המורכב מפולסים מלבניים ולכן נשבר, מצב -זה- שיוצר עיוות הרמוני; הכנסת מסנן LC מכוון לתדר של PWM, האות הוא ליניאריזציה, אבל יש בעיה של סיבוב פאזה הנגרמת על ידי המסנן עצמו, שניתן לפצות אותו בצורה נאותה או למקם מחוץ לפס המעבר.

ניתן למזער את המסנן, כלומר, לממש עם רכיבים בעלי ערך מופחת, הודות לתדר הגבוה של אות PWM (בדרך כלל 250 קילו-הרץ) הנוגע לפס השמע, המאפשר למזער את העיוות ההרמוני עקב הפסקות בין הפולסים של ה-PWM. אוֹת.

המגבר המשולב מכיל שלב קדם מגבר סטריאו (עם שני מגברי אופ לערוץ) ומאפנן PWM כפול. כל קטע מורכב ממשווה שהכניסות שלו משווים את אות BF המוגבר מראש וגל משולש שנוצר על ידי המתנד הפנימי של הרכיב. לכל משווה יש פלט דיפרנציאלי המניע מגבר כוח MOSFET המוגדר כגשר, שהיציאות שלו מופעלות על זוג פינים "מורמים" מהאדמה; הטרנזיסטורים של מגבר ההספק אינם דורשים קיטוב מכיוון שהם פועלים מונעים על ידי הפולסים המופקים על ידי המשווה.

קדם-מגבר הקלט מספק בקרת הגבר באמצעות בלוק כוונון עוצמת קול דיגיטלי בן 32 שלבים, המאפשר הנחתה בין -75 dB (יציאות כמעט מושתקות) ל-32 dB (נפח מקסימלי) על ידי פעולה על הרווח הכולל. במקרה שלנו, הבקרה הדיגיטלית אינה בשימוש, והמגבר הסטריאו עובד בהגבר קבוע, הנקבע על פי הפוטנציאל שמוצא ה-AVDD (פין 3) של וסת ה-LDO הפנימי חל על 5 (VOL) ועל VREF (פין 4) ). ליתר דיוק, המגבר, בהיותו AVDD שווה לכ-3V, עובד עם רווח של 32dB, ולכן צריך לספק הספק מירבי על 8 אוהם ומתח RMS של כ-8.8V ובהתחשב בכך שהמגבר נוצר על ידי שני שלבי גשר אשר לכן חייב לספק מחצית מהמתח הזה, 32 dB של רווח מרמז על השגת הספק מקסימלי עם כ-200 mV בכל כניסה.

המעגלים בתוך ה-PAM8610 מושלמים על ידי לוגיקה המאפשרת גם את הכיבוי שנשלט על ידי פין /SHDN (ה-IC נשאר מופעל אבל סופג מעט מאוד בגלל ששלב הכוח, המתנד ומאפנן ה-PWM כבויים) וגם השתקה של יציאות (הוא מתקבל עם פין /FADE דרך מפענח המוריד את ההגבר של שלבי הקלט עד שהאות מוחלש).

בהתחשב בהספק הנמוך, הוא חייב להתפזר, המעגל המשולב אינו דורש שום גוף קירור מכיוון שהוא QFN עם חלק מתכת מתחת לגוף (איור 1) כדי לבצע פיזור דרך מסלולי ה-PCB למטה. גם אם הוא אכן מתחמם יתר על המידה, ל-PAM8610 יש הגנה תרמית פנימית המונעת ממנו לחרוג מטמפרטורות מסוכנות.

ובכן, לאחר סקירה כללית של המאפיינים של המגבר המשולב, בואו נראה כיצד הוא משמש במגבר הסטריאו שלנו: התצורה אינה שונה מאוד מסכימת היישום המומלצת על ידי היצרן בגיליון הנתונים; למעשה, אנו מוצאים את הכניסות L ו-R מחוברות על ידי שני קבלים כל אחד מכיוון שבאופן מקורי הם מאוזנים, אך אנו משתמשים בהם בתצורה הלא מאוזנת. כל קבל משמש להפרדה בין רכיב ה-DC המטה את קדם-מגבר הקלט ממגעי הקלט של המעגל; C1 ו-C3 נושאות את האות ממגעי הכניסה RIN ו-LIN למעגל המשולב, בהתאמה, בעוד ש-C2 ו-C4 מקרקעים את RINP ו-RINN.

הרווח של קדם-מגברי הכניסה נקבע, בנוסף לבלוק בקרת הווליום, על ידי נגד פנימי בתוך המגבר המשולב, המוצב בסדרה לפינים 1, 10, 2,9.

שלבי היציאה מגושרים עבור כל ערוץ, כך שלכל אחד מהם יש שתי יציאות, שלכל אחת מהן קבל רצועה (C12 בין LOUTN ל-BSLN, C13 בין LOUTP ל-BSLP, C14 בין ROUTN ל-BSRN, ולבסוף, C15 מחובר בין ROUTP ל-BSRN. BSRP) שמוביל חזרה לשלב מנהל ההתקן של MOSFET פלט.

לכל אחת מהיציאות של הגשר של כל אחד משני הערוצים, קיים מסנן LC הממיר מחדש את פולסי ה-PWM באות האודיו, ומביא למגעי אותות ROUT ו-LOUT בשלב המונה איתו הרמקול של כל ערוץ הוא מונע; ליתר דיוק, עבור ROUT יש לנו את הפלט השלילי על R- והחיובי על R+, בעוד עבור LOUT הפלט החיובי הוא L+ והשלילי הוא L-.

שימו לב שכל פלט של השלבים המגושרים מחובר לשני מגעים כדי להקל על חלוקת הזרם ולהימנע מחימום יתר של הרפידות הבודדות.

נמשיך בניתוח תרשים החיווט ונעבור למתנד הפנימי שיוצר את צורת הגל המשולשת שתושווה לאות האודיו ליצירת ה-PWM: התדר שלו נקבע על ידי הקבל C17 (מחובר למגע Cosc) וה- נגד R2 (מחובר בין מגע Rosc לאדמה).

איור 1

במצב מנוחה, R1 שומר על מגע SD ברמה גבוהה המאפשרת פעולה שוטפת; תוך כדי חיבור נקודות 1 ו-2 של מחבר ה-SW, המגבר נכבה בהדרגה: עוצמת הקול מופחתת במהירות, דוהה את המוזיקה, ואז כל הבלוקים כבויים, מלבד יחידת הבקרה שאחראית, בדיוק, לכיבוי פקודה.

מצד שני, למגע 8 יש את פונקציית ה-FADE, המורכבת מהורדה הדרגתית של עוצמת הקול למינימום אם אותו מגע מונח על הקרקע או במעבר הדרגתי לעוצמת הקול הנדרשת בזמן הדלקה; במעגל שלנו, אנחנו לא משתמשים באפשרות זו ולכן פין 8 קבוע ברמה גבוהה.

אנו משלימים את ניתוח המעגלים עם ספק הכוח, המופעל על נקודות ה-PWR ואשר, דרך זוג הדיודות D1-D2, ממוקם במקביל כדי לחלוק את הזרם ולהגביל, עם אותו זרם זורם דרכן, את מפל המתח. (בדיודה האמיתית הירידה הישירה מושפעת, אם כי במידה מוגבלת, מהזרם הישר, כך שלשתיים במקביל היא פחותה מטיפה של דיודה שצריכה לעמוד בכל הזרם של המעגל), מגיעה לפילטר. קבלים C22, C23, C5 ו-C6. מהקתודות של D1 ו-D2 (רכיבים המורכבים כדי להגן על המגבר מפני היפוך קוטביות) מתחיל קו אספקת החשמל החיובי, המוביל לפינים 26 (AVCC, כלומר, ספק כוח בשלב הכניסה), 12 ו-19 (ספק כוח בשלב הכוח עבור ערוץ שמאל, זוג פינים PVCCL) ו-32/39 (PVCCR, זוג פינים של ספק כוח למגבר הכוח הימני).

ההבחנה בין הפינים של שלבי המוצא השמאלי והימני וקטע הקלט נעשתה בכוונה, כמו גם חלוקת המסות, כדי למנוע את ירידת המתח הנגרמת כתוצאה מהפעימה של ה-MOSFET של שלב הכוח המונע על ידי ה-PWM פולסים מאפנן ובשל ההתנגדות של המסלולים והפינים, מינימליים ככל שיהיו, יכולים להיכנס למגברים הקדם-מכניסים ולגרום לאי יציבות והפרעות.

כדי לשמור על הפרדה בין קווי אספקת החשמל, תכננו את המעגל המודפס בצורה כזו שיתחיל מהמגעים של קבלי המסנן C5, C6, C22, C23, כלומר מה…