Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.
С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.
Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .
Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.
Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.
Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.
Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.
ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:
Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.
Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.
Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.
Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?
Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:
Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.
Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.
Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в . Он построен на базе микросхемы и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.
Читайте так же
ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.
Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.
Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:
Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:
где:
Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.
На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.
Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:
Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:
Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.
Важной характеристикой широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:
Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.
Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.
Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:
В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.
ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для , или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.
Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.
Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован .
Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:
Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут .
Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.
Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод будет гореть меньшее время.
Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для . В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.
Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.
Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.
Не следует, однако, слишком завышать частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.
Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.
Управляя , следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.
Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.
Технология усиления звуковых сигналов развивается уже в течение 15-20 лет. Она имеет вполне определенные преимущества перед той, что реализована в широко распространенных аудиоусилителях классов A или AB. Мы имеем в виду усилитель D-класса. Его преимущество обусловлено прежде всего высоким КПД.
Усилитель звука для авто, работающий в классе А, состоит из транзисторных каскадов, которые включены (проводят ток) как в течение всего времени действия входного аудиосигнала, так и при его отсутствии. У него низкий уровень искажений усиленного выходного звукового сигнала, поскольку его транзисторы работают на линейных участках своих характеристик и полностью транслируют входные сигналы на выход схемы, но он при этом имеет весьма низкий КПД. Эти устройства обычно предназначены для высококачественных аудиоприложений, для которых вопросы потерь мощности не являются определяющими. Транзисторы усилителей класса B проводят только либо отрицательные, либо положительные полуволны входного сигнала. Причем наличие зон нечувствительности вблизи нулевой отметки приводит к высокому уровню искажений. Однако этот эффект обеспечивает гораздо лучшие характеристики, чем в устройствах типа A. Усилитель класса AB комбинирует особенности обеих предыдущих с целью получения лучшего КПД, чем в классе A, но меньших искажений, чем в типе B. Хотя эти устройства хорошо подходят для маломощных приборов, или в лучшем случае средней мощности, тенденцией последних лет становится выпуск все более мощных усилителей. Когда-то 30 Вт считалось вполне достаточно, чтобы удовлетворить большинство потребителей. Теперь же этого вряд ли хватит, чтобы создать качественный стереоусилитель звука для авто. В результате были созданы новые их классы, включая и класс D, чтобы справиться с этой высокой мощностью потребления.
Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.
На рисунке ниже показана типовая зависимость КПД от выходной мощности для устройств классов D и AB.
Теоретическая максимальный КПД в D-классе достигает 100 %, и свыше 90 % достижимо на практике. Обратите внимание, что он достигает значений в 90 % уже при умеренной выходной мощности, тогда как максимум КПД в классе AB в 78 % получается только при полной мощности. В практическом же усилении музыкальных сигналов реализуется КПД менее чем 50 %. Усилитель звука класса D при высоком КПД потребляет меньше энергии для заданной выходной мощности, но еще более важно, что резко уменьшаются требования к теплоотводу. Тот, кто построил или видел мощный аудиоусилитель, наверняка знает, что для поддержания относительно невысокой температуры электроники необходимы большие алюминиевые радиаторы.
Нагрузка на силовой трансформатор уменьшается также на значительную величину, позволяя использовать меньший его габарит для той же выходной мощности. Можно ли собрать усилитель класса D своими руками?
На рисунке ниже показано такое устройство на 400 Вт.
Квалифицированный радиолюбитель не увидит в этой конструкции ничего такого, что заставило бы его отказаться от ее собственноручной реализации.
Если углубиться в детали этой технологии, можно заметить, что хороший (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель мощности D-класса должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, при использовании высокоскоростных сигнальных устройств и соответствующих источников питания. Поначалу это обусловило использование этого класса там, где не требуется полная пропускная способность и допустим более высокий уровень искажений, то есть в сабвуферах и в устройствах для промышленного использования.
Однако со временем все изменилось, и благодаря сегодняшнему быстродействию транзисторных ключей, использованию передовой техники обратной связи можно разработать устройства класса D для всевозможных применений, включая и звуковой усилитель в машину. Они характеризуются высоким уровнем мощности, небольшими размерами и низким уровнем искажений, сопоставимым с хорошей конструкцией класса AB.
Он может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. Аналоговый вариант обычно состоит из компаратора, генератора треугольного сигнала и нескольких блоков для преобразования входного сигнала перед подачей его на выходные МОП-транзисторы. Схема такого аудиоусилителя показана на рисунке ниже.
Звуковой сигнал сначала преобразуется в импульсный широтно-модулированный (сокращенно ШИМ). Подобно сигналам в схемах цифровых устройств, принимающих всего два уровня - логических 1 и 0, он также имеет всего два уровня - высокий и низкий. Однако переменный уровень входного аудиосигнала содержится в таком его параметре, как длительность импульса. Чем больше входной сигнал, тем меньше длится импульс. Конечно, такая замена аналогового сигнала, способного принимать бесконечное число значений на любом интервале длительности импульса ШИМ-сигнала, всего одной величиной этой длительности приводит к потере информации. Но чем бльше частота следования импульсов, тем точнее воспроизводится впоследствии звук. Как же именно преобразует его усилитель класса D? Схема его содержит выходной каскад на полевых транзисторах, показанный отдельно на рисунке ниже.
Они усиливают входные импульсы, не внося в их форму практически никаких искажений. Усиленный ШИМ-сигнал, проходя далее через выходной фильтр нижних частот, вновь преобразуется в аналоговую форму, представляющую усиленный входной сигнал.
Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее - в классе A.
Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).
Выходные транзисторы усилителя D-класса могут создавать на выходе усилительного каскада всего два уровня напряжения, соответствующие двум вышеупомянутым состояниям. В таком случае синусоида не может быть представлена этими двумя возможными уровнями. На самом деле аудиосигнал модулирует длительность выходных прямоугольных импульсов, которые длятся от одного состояния транзистора до другого, так что информация о нем все же сохраняется. Теперь нам нужно понять, как делается подобная модуляция и как восстановить усиленный звуковой сигнал из импульсного. Наиболее распространенным способом, используемым в устройствах класса D, является ШИМ прямоугольных импульсов. Хотя частота следования последних фиксирована, длительность их меняется в зависимости от входного звукового сигнала. Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, длительность импульсов нарастает, а паузы между ними сокращаются, и наоборот.
Он обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с последовательностью импульсов треугольной формы. Оба сигнала подаются на вход компаратора, как это показано на рисунке ниже.
Треугольные импульсы определяют амплитуду входного аудиосигнала для полной модуляции и частоту переключения выходных транзисторов. «Цифровой» выход компаратора использует стандартные логические уровни, где 0 В соответствует логическому нулю, а 5 В - логической единице. Из-за этой квазиоцифровки ШИМ-сигнала усилители, использующие его, иногда ошибочно называют цифровыми усилителями. На самом деле весь процесс является больше аналоговым, чем цифровым. Скорее всего, ШИМ-сигнал можно отнести к дискретным сигналам, а частота следования его импульсов является частотой дискретизации исходного аналогового сигнала.
Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты.
На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий - в обратном случае, как показано на рисунке ниже.
В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.
Чтобы получить из дискретного ШИМ-сигнала точную копию входного аналогового напряжения, частота его дискретизации должны быть намного выше, чем максимальная частота в его спектре. Согласно теореме Найквиста (в отечественной теории электросвязи используется ее аналог - теорема Котельникова), это превышение должно быть, по крайней мере, двойным, однако в высококачественных усилителях с низким уровнем искажений используют большую кратность (обычно от 5 до 50).
ШИМ-сигнал, усиленный выходным транзисторным каскадом, содержит низкочастотные компоненты, которые полностью воспроизводят спектр входного аудиосигнала. Но он также содержит компоненты с частотой дискретизации (и ее гармоники), которые должны быть удалены для того, чтобы восстановить оригинальный модулирующий звуковой сигнал. Мощный фильтр нижних частот необходим для достижения этой цели. Обычно в его качестве используется пассивный LC-фильтр, потому что в нем почти нет потерь, и он имеет малое или почти отсутствующее рассеивание. Хотя всегда должны быть некоторые потери, на практике они являются минимальными.
Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.
Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:
Частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;
Высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;
Наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;
Быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;
Интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.
Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.
SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.
Hugo Letourneau, Future Electronics
Истинные аудиофилы всегда мечтали сконструировать идеальный усилитель, абсолютно достоверно воспроизводящий каждый звук, записанный на студии. Возможно, они начали мечтать об этом, когда, получив первые уроки электроники, узнали, что топология класса A дает великолепные результаты с точки зрения линейности. Иногда горячие студенты, невзирая на предупреждения своих учителей, пытались изобрести велосипед, посвятив себя созданию усилителя класса A с выходной мощностью 150 Вт на канал, чтобы поразить всех друзей мощным и совершенным звуком. И каждый раз, когда разработка подходила к финальной стадии, выяснялось, что усилитель, по большому счету, представляет собой мощный обогреватель, а его корпус является раскаленным радиатором для транзисторов выходного каскада.
Затем эти студенты начинали увлекаться вопросами снижения энергопотребления, и делали усилители класса B или AB, а наиболее усердные, исследовав все топологии, останавливались на классе D. Для новичков в конструировании усилителей сообщим. В усилителе класса A выходной транзистор усиливает весь сигнал, т.е., 360°. В системах класса B каждый транзистор усиливает только одну полуволну сигнала, или 180°.
Усилители класса AB занимают промежуточное положение с диапазоном, примерно, от 180° до 270°, в зависимости от тока покоя выходного каскада. Усилители класса D часто называют «цифровыми» усилителями, так как выходные транзисторы работают в ключевом режиме, генерируя прямоугольные импульсы, а выходной сигнал на громкоговорители подается через фильтры. Основное преимущество топологии класса D - обусловленный ее цифровым характером высокий КПД, который может превышать 90%. Типовые схемы для каждой топологии выходного каскада показаны на Рисунке 1.
Усилители класса D известны более 25 лет, но настоящую популярность приобрели лишь 10-15 лет назад, или около того. Из за их высокого КПД, они использовались, главным образом, на низких частотах при больших уровнях мощности, т.е., для управления сабвуферами, и очень редко - в средне- и высокочастотных приложениях, вследствие значительных искажений, связанных с несовершенством технологии переключающих схем того времени.
Чтобы сделать усилитель класса D с приличным звучанием, необходимо учесть множество параметров, не пропустив ни одного элемента в цепи прохождения сигнала. Без этого не удастся добиться хороших звуковых характеристик во всем диапазоне частот. На Рисунке 2 изображена простая блок-схема типичного цифрового усилителя. Каждый прямоугольник этой блок-схемы должен быть тщательно выверен и согласован с остальными. Лишь в этом случае можно достичь определенного баланса и создать усилитель, отвечающий требованиям нашего уха.
Каскад ШИМ-модулятора
ШИМ сигнал можно получить с помощью как аналоговой, так и цифровой схемы, точно так же, как аналоговым или цифровым может быть источник звука. Проще всего получить сигнал ШИМ сравнением треугольного напряжения со звуковым сигналом, как это показано на Рисунке 3. Если источник сигнала цифровой, превратить импульсно-кодовую модуляцию в ШИМ можно, используя цифровой сигнальный процессор. В любом случае, первостепенное значение для формирования ШИМ сигнала имеют величина джиттера и стабильность всех генераторов, так как несколько пикосекунд среднеквадратичного значения джиттера навсегда похоронят мечты о создании усилителя c отношением сигнал/шум лучше 100 дБ. В цифровых ШИМ системах добавляется ошибка квантования, порождаемая конечным числом уровней ШИМ.
Методы формирования шумов совершенствовались на протяжении многих лет, в результате чего появились новые технологии, такие, как PDM (pulse-density modulation - плотностно-импульсная модуляция) и дельта-сигма модуляция, которые, теоретически, позволяют сместить спектр шумов дискретизации далеко за область полезных частот, где они могут быть эффективно подавлены фильтрами.
Компаратор должен иметь большую скорость нарастания напряжения и, желательно, двухтактный выходной каскад. Хороший выбор - микросхема , имеющая время задержки распространения сигнала 45 нс и время нарастания/спада 1.2 нс. Немаловажное значение имеет качество трассировки печатной платы, чтобы предотвратить возникновение «звона». Помимо этого, весьма критична топология распределения шин питания и развязывающих конденсаторов. Небрежность в этом вопросе может приводить к увеличению уровня джиттера выходного сигнала. Следует, также, избегать чрезмерной емкостной нагрузки на линию, соединяющую выход модулятора с драйвером MOSFET транзисторов.
Несимметричный или дифференциальный?
Прежде чем выбирать, каким будет выходной каскад, - несимметричным или дифференциальным, - очень важно понять влияние этого выбора на характеристики конструкции. Несимметричный режим выгоднее с точки зрения количества и цены компонентов, но для предотвращения постоянного смещения выхода потребуется развязывающий конденсатор. Кроме того, все колебания напряжения питания неизбежно передаются прямо на выход, еще более увеличивая уровень искажений. Поэтому использовать несимметричную схему без обратной связи невозможно.
Дифференциальный режим затратнее, но дает много преимуществ, таких как меньший уровень четных гармоник, улучшенная устойчивость к колебаниям питающего напряжения, меньшая мощность, рассеиваемая каждым транзистором, и более простое решение задачи устранения постоянного смещения, не требующее развязывающих конденсаторов. Обратная связь может улучшить выходной сигнал, однако дифференциальная топология без обратной связи искажает сигнал намного меньше, чем несимметричная.
Выходной MOSFET каскад и драйвер
В схеме, изображенной на Рисунке 2, важны все элементы, но два из них оказывают наибольшее влияние на искажения выходного сигнала. Это MOSFET транзисторы и их драйвер. Качество звука очень зависит от формы импульсной последовательности, и любое отклонение ШИМ сигнала от идеального ухудшает его качество.
Для этого каскада важны, и должны быть рассмотрены, многие характеристики MOSFET транзисторов:
Любой из этих параметров влияет не только на качество звука, но и на рассеиваемую транзисторами мощность. «Мертвое время» - это задержка между выключением одного транзистора и включением другого, время, в течение которого оба транзистора выключены (или находятся в процессе выключения). При отсутствии мертвого времени, скорее всего, будет возникать ситуация, когда один транзистор выходного каскада уже открыт, а другой еще не закрыт, вследствие чего ток от положительной шины питания будет протекать к отрицательной шине напрямую через два открытых транзистора. Этот ток называется сквозным и должен быть минимизирован подбором соответствующего мертвого времени. Сквозной ток является основной причиной нелинейных искажений в системах класса D. Недостаточное мертвое время может ухудшить коэффициент нелинейных искажений на проценты. Выбор MOSFET транзисторов и симметрия плеч выходного каскада - важнейший момент в проектировании высококачественного усилителя.
Ток управления затвором MOSFET транзистора должен соответствовать его емкости, чтобы иметь малые времена нарастания и спада импульсов на входе транзистора, которые, в свою очередь, обеспечат крутые фронты в выходном сигнале. В свою очередь, источник питания должен быть способен отдавать большие импульсные токи.
Мощность рассеивания и правильный выбор MOSFET транзистора
Транзисторы в переключающих каскадах класса D преобладающую часть времени полностью открыты или полностью закрыты, и рассеиваемая ими мощность минимальна. Как видно из Рисунка 1, в системах класса D используются двухтактные, каскады, в полу- или полномостовой конфигурации, выходными сигналами которых являются прямоугольные импульсы. При этом поочередно, равное время, открыт то один MOSFET транзистор, подключенный к положительной шине питания, то другой, подключенный к отрицательной шине. Теоретически, это могут быть два разных транзистора, с каналами N и P типа, но практически предпочтительнее использовать сдвоенные N-канальные транзисторы, обеспечивающие повышенную симметрию и лучшее мертвое время. Включенный MOSFET транзистор рассеивает очень небольшую мощность, являющуюся функцией прямого падения напряжения, зависящего, в свою очередь, от сопротивления открытого канала R DS(ON) . Это имеет огромное значение, не только с точки зрения экономии энергии, но, прежде всего, с точки зрения габаритов схемы. К примеру, выходной каскад 100-ваттного усилителя класса A рассеивает в виде тепла мощность 300 Вт и требует очень больших транзисторов и теплоотводов, усилитель класса AB вполне можно сделать, используя транзисторы в корпусах TO3 и радиаторы традиционных размеров, а для усилителя класса D будет достаточно транзисторов в корпусах SOT223 или TO89. А это означает, что хороший усилитель мощности может иметь относительно небольшие размеры, которые, по мере развития технологии, будут постоянно уменьшаться, благодаря росту эффективности и снижению габаритов используемых приборов.
Одна из распространенных ошибок заключается в том, что, стремясь к наивысшей эффективности, разработчики выбирают MOSFET транзисторы с наименьшим значением R DS(ON) и ожидают, что транзисторы будут совершенно холодными. В реальности все может быть совершенно по-другому.
P D = P RESISTIVE + P SWITCHING = R DS(ON) × I LOAD 2 + (C RSS × V 2 × F SW × I LOAD) / I GATE
I LOAD - ток нагрузки
C RSS - емкость затвора
V - размах напряжения на нагрузке
F SW - частота переключения
I GATE - ток затвора
К примеру, давайте представим, что для выходного каскада мощностью 100 Вт мы выбрали замечательный транзистор фирмы , имеющий R DS(ON) = 3.9 мОм и C RSS = 455 пФ, который управляется MOSFET драйвером с выходным током 1 А. Каскад нагружен сопротивлением 8 Ом, размах напряжения на нагрузке 50 В при частоте сигнала 100 кГц. Рассеиваемая транзисторами мощность не превысит:
P D = 0.0039×5 А + (455×10 -12 ×50 2 ×100×10 3 ×5 А) / 1 А = 0.0195 + 0.568 = 0.588 Вт
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо |
ШИМ контроллер. Синхронизация. Обратная связь. Задание частоты. (10+)
Широтно-импульсная модуляция - ШИМ контроллер. Частота. Усилитель ошибки
Резистор и конденсатор, задающие частоту работы контроллера (RT, CT) . Контроллер работает на определенной частоте. Импульсы следуют с этой частотой. Контроллер меняет длительность импульсов, но не частоту. Это значит, что чем короче импульс, тем длиннее пауза и наоборот, а частота следования остается постоянной. Конденсатор, подключенный между CT и общим проводом, и резистор, подключенный между RT и общим проводом, задают частоту работы контроллера.
Импульсы синхронизации (CLOCK) . Иногда необходимо заставить работать несколько контроллеров синхронно. Тогда к одному контроллеру (ведущему) подключают частотозадающие конденсатор и резистор. На ножке CLOCK ведущего контроллера появляются короткие импульсы напряжения. Эти импульсы подаются на ножки CLOCK других контроллеров (ведомых). Ножки RT ведомых контроллеров соединяются с VREF этих контроллеров, а ножки CT - с общим проводом.
Напряжение для сравнения (RAMP) . На эту ножку нужно подать пилообразное напряжение. В момент возникновения импульса синхронизации на выходе контроллера появляется открывающее управляющее напряжение. Далее, как только напряжение на RAMP превышает напряжение на выходе усилителя ошибки на определенную величину, на выходе возникает закрывающее напряжение. Так что импульс длится от момента синхронизационного импульса до момента превышения напряжения на RAMP над напряжением выхода усилителя ошибки. Этим и достигается ШИМ. В классической схеме на RAMP подается напряжение с CT. Там как раз отличная пила. Есть и другие варианты включения.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.
Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.
Какая минимальная длинна импульса возможна в шим контроллерах (минимальный коэф фициент заполнения)? На практике получается что, к примеру, sg3525 запускается с минимальной шириной примерно 1 микросекунда. Есть ли методика расчета этого параметра? Очень актуально при разработке импульсных блоков питания с регулировкой напряжения от нуля вольт.
Фотореле. Автоматическое управление освещением. Световое реле. Автомат...
Автоматическое управление освещением. Включение вручную или при снижении освещен...
Металлоискатель самодельный. Сделать, собрать самому, своими руками. С...
Схема металлоискателя с высокой разрешающей способностью. Описание сборки и нала...
Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, ...
Полумостовой преобразователь напряжения сети. Схема, онлайн расчет. Форма для вы...
