ШИМ-усилитель на основе IRS2092

 

    Сейчас большое распостранение получили усилители и готовые наборы в виде собранных п/плат для сборки усилителей класса Д на основе микросхемы IRS2092. Эта микросхема удобна тем что включает в себя почти всё что возможно для построения усилителя класса Д с минимумом обвеса. Также для пояснения принципов как её работы, так и усилителей этого класса в целом и отладки есть подробные методики от IR - AN35 и AN38 (здесь архив с этими документами, а также PDF на эту микросхему, и несколько примеров конструкций, одна из которых включает в себя подробную методику расчета систем защиты этой м/схемы от к.з. выхода). Товарищи китайцы, будучи на передовых рубежах электронно-конструкторской мысли и стараясь шагать в ногу со временем, также наладили выпуск разнообразных "китов" (наборов для сборки), как в разобранном, так и в полностью собранном виде готовых плат усилителей на IRS2092. Одна из таких плат под гордым названием IRAUD200 попала мне в мои жадные до мучений усилителей руки :).

Итак, вот она, красавица (на даты фото внимания не надо обращать, просто забыл выставить после заряда аккумуляторов):

это вид снизу. 3 конденсатора справа я напаял в процессе испытаний, изначально их не было.

 

 

вид сверху. Внешний вид приятно радует глаз, всё сделано очень аккуратно.

Стояла задача проверить работоспособность этой платы, если надо что-то доделать по минимуму - доделать. Без тщательного подбора режимов/элементов с целью получить максимальные параметры. Лишь бы заработала. Что получилось: при включении без нагрузки - заработала. Но с нагрузкой стала срабатывать защита при выходном напряжении выше 12В. Ларчик открылся просто - на питающих шинах стояли условные блокирующие по ВЧ шины питания на "землю" конденсаторы 22н. Это считай что их нет совсем. Поставил по 4,7мкф, (хотя достаточно и 1), такой же поставил между шинами питания, но он уже особо сильно и не нужен, работает и без него. Заработало! Типа ура)). Но: из-за высокой тактовой частоты (выше 500кгц) и смд корпуса микросхема греется очень сильно. Необходим радиатор на неё, долго она так не протянет. Радиаторы тоже греются очень сильно, и без принудительного обдува в корпус монтировать этот блок нельзя, в закрытом корпусе боюсь проработает не больше часа. (Да, примечание: первоначальный запуск этой м/схемы, вернее драйвера верхнего ключа, когда она еще не работает и нет отрицательного импульса, в течении которого заряжается бутстрепный конденсатор питания верхнего драйвера, заряд этого конденсатора осуществляется через сопротивление 20...50кОм от положительной шины питания к выводу 15. Но, при отключенной нагрузке, это сопротивление подтягивает к положительному питанию верхний драйвер, не давая образоваться нужному напряжению больше 9В между выводами 13 и 15, и таким образом м/схема не может запуститься. Для устранения этого и облегчения запуска рекомендуется поставить такой же резистор 20...50кОм между средней точкой (вывод 13) и минусом питания). Итак, всё работает, переходим к измерениям.

Для наглядности измерений включаем один канал осциллографа на выход (красная осциллограмма), а второй - на среднюю точку выходных полевиков (желтая осциллограмма), также для наглядности частота входного сигнала 20кГц. Питание +/-50В:

как видно из показаний осциллографа, частота коммутации выходных ключевых транзисторов (транзисторы IRFB23N15D) в режиме малого сигнала (или без сигнала) - 535кгц. Довольно высоко. Однако ток потребления не превышает 80мА в режиме молчания, видимо "мертвое время" подобрано оптимально. Хорошо.

Увеличиваем размах выходного сигнала до 34В:

хорошо видно модуляцию по ширине импульсов выходных полевых транзисторов в соответствии с формой входного сигнала. Обратите внимание на понижение частоты.

Для прикола еще увеличим амплитуду выходного сигнала до ограничения:

бедный контроллер аж импульсы стал пропускать в таком режиме :), ну да ничего, это-ж запредельный режим).

Ладно, надо переходить к измерениям гармоник, переключаем на 1 кгц:

 

Итак, подключаем входной блок измерительной звуковой карты на выход и смотрим:

частота 1кгц, выходное напряжение 20В - оно такое будет и в дальнейших измерениях, нагрузки нет. 6 тысячных процента, хорошо!

 

8 ом нагрузки. Полпроцента искажений. Грустно.

 

нагрузка 4ома. Полтора процента. Тоска...

 

то же самое но диапазон измерений спектра растянут до 95кгц.

 

10кгц 8ом нагрузка.

 

10кгц 4ома нагрузка.

Что-ж, цифры говорят сами за себя. Комментировать даже не нужно.

 

И напоследок решено посмотреть эффект "накачки" неактивных шин питания ("пампинг-эффект"). На положительный провод источника питания подключён токовый датчик РА-655 (ширина 500кгц), подключенный на второй канал осциллографа, желтая осциллограмма:

к сожалению, этот датчик весьма чувствителен к в/ч наводкам, а даже максимальная цифровая фильтрация уменьшением глубины памяти до 1тыс. точек не смогла устранить все ненужные мешающие выбросы на осциллограмме.

Ладно, раз так то попробуем использовать старичка С1-69, он не так болезненно переносит в/ч наводки, они ему вообще по барабану, хоть стреляй не покажет :) :

верхняя осциллограмма - выходной сигнал, нижняя - ток через плюсовой провод питания усилителя, находящийся на предпоследней снизу визирной линией:

это без нагрузки.

 

нагрузка 8 ом.

 

нагрузка 4ома. Как видно, в отрицательную полуволну сигнала в плюсовую шину питания отдается часть тока, запасенного в катушке выходного фильтра, и коммутируемого туда через возвратные (обратные) диоды выходных полевых транзисторов-ключей.

Ну и напоследок, осциллограммы выходного сигнала, при уровнях близких к ограничению и при ограничении выходного сигнала:

частота 5кгц, уровень близок к ограничению, 28 вольт. Хорошо заметен эффект снижения частоты на пиках сигнала (при увеличении/уменьшении скважности более 75 или 25%)

 

5кгц 34 вольт

 

10кгц 31 вольт

 

10кгц непонятно сколько вольт. Вообще красота)). Связана эта красота в основном с эффектом понижения частоты в этом типе ШИМ-модуляции. Что-ж, за всё надо платить, в данном случае - за простоту. Хотя, изначально высокая частота коммутации в 540кгц как бы не давала оснований для такого грустного финала. Впрочем, опять таки, при желании всё исправимо, в данном случае например - не допускать размах выходного напряжения больше 2/3 от максимума, или сделать этакий частотно-зависимый лимитер-ограничитель входного (выходного) сигнала.

Резюмируя: большой коэффициент гармоник не даёт оснований для применения в домашних системах среднего и более чем среднего класса. Однако невысокая стоимость, простота, небольшие габариты и вес могут оказаться решающими для применения например в мобильных системах озвучивания, и т.п.