Improving the Efficiency of Switch-Mode Audio Power Amplifiers
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- Frida Mann
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1 Improving the Efficiency of Switch-Mode Audio Power Amplifiers Einblick in die Funktionsweise von Audioverstärkern der Klasse D 1
2 Einführung Simulation 1 2
3 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) 3
4 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten 4
5 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten schaltende Betriebsarten 5
6 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten Klasse A schaltende Betriebsarten 6
7 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten Klasse A Klasse B schaltende Betriebsarten 6
8 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten Klasse A Klasse B Klasse AB schaltende Betriebsarten 6
9 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten Klasse A Klasse B Klasse AB Klasse H schaltende Betriebsarten 6
10 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten Klasse A Klasse B Klasse AB Klasse H Klasse G schaltende Betriebsarten 6
11 Einführung Simulation 1 Verschiedene Betriebsarten für Audio-Verstärker (Klassen) analoge Betriebsarten Klasse A Klasse B Klasse AB Klasse H Klasse G schaltende Betriebsarten Klasse D 7
12 -> Klasse A Analoge Betriebsarten Simulation 1 8
13 -> Klasse A Analoge Betriebsarten Simulation 1 Eingangskennlinie 9
14 Analoge Betriebsarten Simulation 1 -> Klasse A -> Klasse B 10
15 Analoge Betriebsarten Simulation 1 -> Klasse A -> Klasse B Eingangskennlinie 11
16 Analoge Betriebsarten Simulation 1 -> Klasse A -> Klasse B -> Klasse AB 12
17 Analoge Betriebsarten Simulation 1 -> Klasse A -> Klasse B -> Klasse AB Eingangskennlinie 13
18 Analoge Betriebsarten Simulation 1 -> Klasse A -> Klasse B -> Klasse AB Eingangskennlinie -> Klasse G 14
19 Fachbereich 12 Analoge Betriebsarten Simulation 1 -> Klasse A -> Klasse B -> Klasse AB Eingangskennlinie -> Klasse G -> Klasse H re Transistoren d Betriebsarten nkt liegt im linearen Bereich nkt liegt bei IC = 0 unkt liegt bei geringem Kollektorstrom e Eingangsspannung nötig für Stromfluß tät der Eingangsspannung bestimmt den 15
20 Klasse D Prinzip-Schaltbild 16
21 Modulator PWM: 17
22 Leistungsstufe & Tiefpassfilter Transistoren arbeiten als Schalter +USS U GSp M1 i L filter M2 Cfilter u R load U GSn -U SS 18
23 Prinzip-Schaltbild Vor - und Nachteile Vorteile: hohe Effizienz => wenig Hitze-Entwicklung => geringere Kosten, Gewicht Nachteil: verschiedene Herausforderungen bei der Entwicklung 19
24 Herausforderungen bei der Entwicklung starke elektromagnetische Störstrahlung durch das schnelle Schalten hoher Spannungen Erforderliche Bandbreite für eine lineare Übertragung über das gesamte Audiofrequenzband starke Abhängigkeit von Schwankungen der Versorgungsspannung Verzerrungen durch nichtlineares Verhalten des Verstärkers 20
25 Nichtlinearitäten Verzerrungen durch fehlerhafte PWM u Amplitude Schwankungen der Versorgungsspannung führen zu Fehlern in der Amplitude. t u Schaltflanke Verschiebungen der Schaltzeitpunkte verändern das Tastverhältnis der PWM t 21
26 Schwankungen der Versorgungsspannung Amplitudenfehler u t 22
27 Schwankungen der Versorgungsspannung Amplitudenfehler Variationen der Amplitude verändern die Spannungs-Zeit-Flächen. Demzufolge wird der Mittelwert der PWM beeinflußt. u t 23
28 Schwankungen der Versorgungsspannung Amplitudenfehler Variationen der Amplitude verändern die Spannungs-Zeit-Flächen. Demzufolge wird der Mittelwert der PWM beeinflußt. u t => Schwankungen der Versorgungsspannung greifen direkt auf den Ausgang durch! 24
29 Schwankungen der Versorgungsspannung Amplitudenfehler Variationen der Amplitude verändern die Spannungs-Zeit-Flächen. Demzufolge wird der Mittelwert der PWM beeinflußt. u t => Schwankungen der Versorgungsspannung greifen direkt auf den Ausgang durch! PSRR - Power Supply Rejection Ratio 25
30 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler u t 26
31 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler 1. Taktschwankungen (clock jitter) 27
32 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler 1. Taktschwankungen (clock jitter) u t 28
33 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler 1. Taktschwankungen (clock jitter) 2. endliche Steilheit der Schaltflanken 29
34 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler 1. Taktschwankungen (clock jitter) 2. endliche Steilheit der Schaltflanken u t 30
35 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler 1. Taktschwankungen (clock jitter) 2. endliche Steilheit der Schaltflanken 3. Totzeit (dead time) 31
36 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler 1. Taktschwankungen (clock jitter) 2. endliche Steilheit der Schaltflanken 3. Totzeit (dead time) 32
37 Verschiebung der Schaltzeitpunkte Zeitfehler 1. Taktschwankungen (clock jitter) 2. endliche Steilheit der Schaltflanken 3. Totzeit (dead time) 4. Schaltverzögerungen 33
38 Positiver Strom Stromrichtung +USS U GSp M1 i L filter M2 Cfilter u R load U GSn -U SS 34
39 Positiver Strom Umschaltvorgang wird allein durch M2 gesteuert +USS i M switches off 2 U GSp M1 M switches on 2 i L filter t M2 Cfilter u R load u U GSn t -U SS 35
40 Negativer Strom Umschaltvorgang wird allein durch M1 gesteuert +USS i U GSp M1 M switches on 1 t i L filter M2 Cfilter u R load u M switches off 1 U GSn t -U SS 36
41 Strom in Nullpunkt-Nähe Umschaltvorgang wird durch M1 und M2 gesteuert +USS U GSp M1 i M switches off 2 t i L filter M switches off 1 M2 Cfilter u R load u U GSn t -U SS 37
42 Schaltverzögerungen Das Umschalten der Ausgangsspannung kann sich durch die Totzeit verzögern. Die Ausgangsspannung wechselt ihren Zustand entweder zu Beginn oder zum Ende der Totzeit. Ausschlaggebend ist immer nur einer der beiden Transistoren. Welcher Transistor das Umschalten der Ausgangsspannung bewirkt, ist abhängig von der Stromrichtung über der Last. 38
43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 39
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