Hochschule Bremen
Fakultät 4 : Elektrotechnik und Informatik
Studiengang:Elektrotechnik B.Eng
Autoren: Claudius Gögel, Andreas Saß, Alexander Huber

Übersicht

Der Audioverstärker der Klasse D ist ein bestimmtes Schaltungsdesign der Audioverstärkerkategorien. Irrtümlich wird oft angenommen, D stehe für Digital und somit, dass der Verstärker lediglich digitale Signale verarbeitet. Die Klasseneinordnung geschah allerdings nur Aufgrund der Reihenfolge der Verstärkerkategorie und soll hier nicht weiter betrachetet werden.

Der Class D Verstärker arbeitet sowohl mit analogen als auch mit digitalen Signalen. Je nach Auslegung muss die Schaltung entsprechend angepasst werden. Ein Beispiel der Schaltung ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Beispiel eines Class D Audioverstärkers mit analogem Eingang. (fairaudio)

Aus der Abbildung ist eine Unterteilung in drei Bereiche ersichtlich. Diese Unterteilung ist prinzipiell für alle Class D Audioverstärker anwendbar.

Im ersten Bereich wird das analoge oder das digitale Signal in ein PWM-Signal umgewandelt. Dieses wird im zweiten Bereich auf den Halb- oder Vollbrückeschaltverstärker gegeben. Am Ausgang entsteht ein verstärktes PWM-Signal. Im dritten Bereich wird das Audiosignal von dem Trägersignal mit Hilfe eines Tiefpassfilters getrennt wodurch nur das Audiosignal überbleibt welches dan am Lautsprecher ausgegeben wird. Auf die einzelnen Bereiche, Bauteile und Problematiken wird im Verlauf des Blogs eingegangen.

Bei optimaler Auslegung des Class d Audioverstärkers beträgt der Wirkungsgrad 90 - 95%. Daher ist dieser Audioverstärker einer der effizientesten auf dem Markt.

Grundlagen

Wie bereits erwähnt, kann der Verstärker in drei Bereiche unterteil werden. Das PWM-Signal aus dem ersten Bereich wir von einem Mojo V2 FPGA Board und einem RaspberryPi geliefert. Daher wird hier nicht weiter auf die modulierung des PWM-Signals eingegangen.

Der zweite Bereich des Class D besteht aus einem Schaltverstärker. Dieser kann entweder durch die Verwendung einer Halb- oder einer Vollbrücke realiert werden. Eine Halbbrückenschaltung besteht aus zwei gegeneinander arbeitenden LeistungMOSFET‘s. Ein Beispiel einer Halbbrückenschaltung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2:Beispiel eines ClassD-Verstärkers mit einer Halbbrückenschaltung (Wikipedia)

Die Vollbrückenschaltung hat gegenüber einer Halbbrückenschaltung mehrere Vorteile. Dazu gehört bessere Linearität, nur eine Spannungsquelle, Abschaltmöglichkeit und die Möglichkeit ein 3-Level-PWM-Signal zu verarbeiten. Ein Beispiel der Vollbrückenschaltung (H-Bridge) ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3:Beispiel eines ClassD-Verstärkers mit einer Vollbrückenschaltung (H-Brücke) (irf)

Aufgrund der erwähnten Vorteile wird in diesem Blog ein Aufbau des Verstärkers mit einer Vollbrückenschaltung betrachtet.

Der dritte Bereich des ClassD-Audioverstärkers setzt sich aus einem Tiefpassfilter und einer angeschlossenen Lastimpedanz(Lautsprecher) zusammen. Die Aufgabe des Tiefpassfilters besteht in der Trennung des Nutzsignals von dem Trägersignal. An dieser Stelle soll kurz an den Nyquist-Shannon-Abtasttheorem erinnert werden. Dieser besagt, dass ein Signal belibig genau rekonstruiert werden kann, wenn die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch ist wie die Signalfrequenz. Im Fall eines ClassD-Audioverstärkers muss das PWM-Signal mindestens die doppelte Frequenz des zu filternden Signals haben. Dies soll für spätere Filterbetrachtung im Hinterkopf behalten werden.

Schaltungsanalyse

Nun sollen die einzelnen Komponenten des Audioverstärkers betrachtet werden. Prinzipiell wird hier versucht von einzelnen Bauteilen auf eine komplette Schaltung hinzuabriten, um möglichst viel Verständnis für den ClassD-Audioverstärker zu vermitteln.

Vollbrückenschaltung

Wie oben bereits beschrieben, kann der Audioverstärker als Halb- oder als Vollbrücke realisiert werden. Im folgenden wird eine Vollbrücke (H-Brücke) verwendet. Eine Vollbrückenschaltung besteht aus 4 LeistungsMOSFETS von denen jeweils zwei in reihe geschaltete paare, parallel zueinander liegen. An den mittleren Abgriffen Zwischen den 2 Reihenschaltungen befindet sich ein Filter mit einer Last (Abb.3).

Die MOSFET's schalten immer paarweise über Kreuz durch, das andere über Kreuz liegende Paar sperrt während dessen. Dadurch wird die an der Brücke angelegte Spannung welchselseitig an die Last angelegt, dies hat einen welchselseitigen Stromfluss zur Folge. Wird dieser Schaltvorgang an den Gate-Kontakten der MOSFETs durch das eingehende PWM-Signal angeregt, so ensprechen Stromfluss und Spannung über der Last dem PWM-Signal am Eingang jedoch mit markant höherer Leistung.

Dieser Schaltvorgang wird in der Praxis, spezeill bei Klasse-D Verstärkern bei sehr hohen Frequenzen betrieben. Nach (Nyquist-Shannon-Abtasttheorem) sollte die Frequenz des Eingangssignals mindestens doppel so hoch wie die zu Filternde Frequenz sein. Die Qualität des Ausgangssignal steigt theoretisch mit der frequenz des Eingangssignals. Also wäre an dieser Stelle die logische Konsequenz einen sehr hochfrequenten Eingang zu modulieren. Nun muss an dieser Stelle die physischen Grenzen der Halbleiterbauelemente verwiesen werden.

MOSFET

Der MOSFET ist das Herzstück der Audioverstärkers. Dieser schaltet nahezu leistungslos und kann, je nach Bauart, sehr hohe Ströme steuern. Für die Anwendung im Audiobereich muss der MOSFET bestimmte Kriterien erfüllen. Dazu gehört unter anderem geriger Spannungsabfall, schnelle Ein- und Ausschaltzeit, geringe parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten. Der Wirkungsgrad des Audioverstärkers hängt im wesentlichen von der Gesamtverlustleistung. Diese hängt wiederrum von Leistungs-, Schalt-, und Gate-Ladungsverlusten. Zum besseren Verständniss werden folgernd die Eigenschaften des MOSFETs aufgelistet und kurz erläutert.

Drain-Source-Widerstand (Rds) ist der Drain-Source-Widerstand des MOSFETs. Dieser ist temperaturabhängig und steigt mit Tj. Generell gilt, je kleiner der Rds, desto besser ist die Verstärkung bzw. kleiner die Verlustleistung.
Gateladung Qg gibt die Ladung an, die zum Vollständigen einschalten des MOSFETs benötigt wird. Diese Ladung ist temperaturabhängig und hat einen direkten Zusammenhang mit der Schaltgeschwindigkeit. Im allgemeinen gilt, je kleiner Qg, desto kleiner sind die Schaltzeiten, geringere Verluste und dadurch besserer Wirkungsgrad. Dazu kommt ein Einfluss auf die Liniarität des Signals, die allerdings durch die Totzeitoptimierung verbessert werden kann.
Körperdiode Qrr (Reverse Recovery Charge) sollte klein und weich sein, um bessere Effizienz und die EMI-Leistung(Rauschen).
Interner Gatewiderstand Rg steigt mit der Temperatur und beeinflusst somit die Ein- und Ausschaltzeiten des MOSFETs. Je größer die Variation des Rg ist desto größer wird die Totzeit variirt. Es gilt, je höher Rg, desto höher sind die Verluste.

Durch die obengennanten Eigenschaften entstehen der Abbildung 4 ähnliche Verzerrungen im Signal.

Abbildung 4:Ein grobes Beispiel für einen mögliche Signalverzerrung durch den MOSFET (Infinion)

Daher ist das MOSFET so auszuwählen, dass möglichst alle genannten Eigenschaften im optimalen Bereicht für die Anwendung liegen. Da bereits viele Technologieunternehmen sich mit dem Thema der Audioverstärkung beschäftigten, gibt es auf dem Markt MOSFETs, die genau für den entsprechenden Bereich ausgelegt sind. Wir haben uns für einen IRF6665 der Firma International Rectifier als Shalter (MOSFET) entschieden. Dieser ist für die Anwendung im ClassD-Audiovestärker sowohl durch seine Eigenschaften als auch durch seine Bauweise ausgelegt. Die technischen Eigenschaften sind dem Datenblatt zu entnehmen.

Gatetreiber

Da das System ein rechteckiges PWM-Signal verarbeitet, ist, wie oben beschrieben, die Aufgabe des MOSFETs dieses Signal möglicht genau, verstärkt wieder auszugeben. Um Dieses möglichst gut umsetzen zu können, werden als Schalthilfe die Sogenannten Gatetreiber eingesetzt. Diese laden die Gatekapazität des MOSFETs um. Zum einen um dem Signal möglichst genau folgen zu können, zum anderen werden beim Schaltvorgang im MOSFET große Leistungen umgesetzt, die zum Erwährmen des Bauteils mit allen weiteren Problematiken führen. Zur Anwendung im Audiobereich (Halb- oder Vollbrückenschaltung) müssen wie bei den MOSFETs, auch bei den Gatetreibern bestimmte Eigenschaften beachtet werden. Nach Abbildung 3 arbeitet jeweils ein Gatetreiber für eine Halbbrücke. Daher wird hier vorerst nur der Treiber-MOSFET-Knoten betrachtet. Der Gatetreiber treibt jeweil die High- und die Lowside des Verstärkers an. Das heißt, dass je nach dem, ob das PWM-Signal gerade als "0" oder "1" am Treiber anliegt, wird der jeweilige MOSFET aktiviert. Es dürfen und keinen Umständen beide MOSFETs gleichzeitig eingeschaltet werden, da dies zum Kurzschluß und wahrscheinlichen Zerstörung der Bauteile führt. Daher wird bei der Wahl des MOSFETs auf die sogenannte Totzeit geachtet. Diese Variirt je nach Treiber und kann bei manchen sogar variable eingestellt werden. Des Weiteren muss der Treiber genug Strom zum Umladen der Kapazität liefern. Da der Spannungshub sowie die Gatekapazität von dem MOSFET vorgegeben sind, ist die Einschaltzeit \(dt\) nach der Beziehung \(I=C*(dU/dt)\) abhängig von Strom \(I\). Daher ist beim Gatetreiber der maximale Umladestrom aus dem Datenblatt zu entnehmen. Wie auch der MOSFET, verzerrt der Treiber leicht das Eingangssignal. Daher sind auch beim Gatetreiber die Anstiegs- und Fallzeiten zu beachten, sowie die minimale Pulstweite des Eingangssignals. Anhang der Pulsweite wird die maximale Frequenz der Einganssignals festegelegt. Wie auch bei MOSFETs, gibt es für ClassD-Audioanwendung ausgelegte Gatetreiber. Entscheidung fiel auf das Mordel Si8244CB-D-IS1 der Firma Silicon Labs.

Tiefpassfilter

Zur filterung des Ausgangssignals wird ein LC-Tiefpassfilter verwendet. Dies ist notwendig, um aus einem PWM-Signal ein Sinus-Signal zu filtern. Als Grenzfrequenz \(f0\) sind 20kHz angesetzt. Aus Kopmlexitäts- und Zeitgründen wird an dieser Stelle nicht auf die genaue Auslegungung des Filters eingegangen. Hier wurde sich einer bereits vorhandenen Informationsquelle bedient. Mit Hilfe dieser Quelle wurde ein LC-Tiefpassfilter nach Abbildung 5 aufgebaut.

Abbildung 5: Ein passiver LC-Tiefpassfilter für ClassD-Audioverstärker (TI)

Die ermittelten Werte für die Bauteile:

\(L1=L2=23µH\)
\(C1=C2=3µF\)

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die oberen Werte des Filters für eine 4 \(Ohm\) Lastimpedanz ausgelegt sind. Sollte sich diese ändern, müssen alle Bauteile neu ermittelt werden. Dieser Nachteil kann behoben werden, indem man statt passiven einen aktiven Filter einsetzt. Zum allgemeinen Filterdesign wird an dieser Stelle Literatur von Arthur B. Williams zum Filterentwurf empfohlen.

Schaltungsaufbau und Simulation mit LTSpice

Schaltung

Zunächt wurde die Schaltung im LTSpice aufgebaut und simuliert. Der Aufbau ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6: LTSpice Modell des ClassD Audioverstärkers

Aufgrund der Komplexität wird die Schaltund hier kurz erläutert. Aus dem bereits verlinktem Datenblatt des Gatetreibers, kann dessen Grundbeschaltung entnommen werden. Die Kapazitäten an Spannungsversorgungen ect. werden lediglich zur Entstörung eingesetzt. Sie sollten nach möglichkeit sehr nah am Gatetreiber eingesetzt werden. Problematisch erweist sich die Spannungsversorgung des highside MOSFETs während seiner aktiven Phase. Da die Highside die Brückenspannung schaltet (VDD30) also due verstärkete Spannung, muss das Gate des MOSFETs über die gesamte "AN"Zeit mit Spannung versorgt werden. Zu diesem Zweck wird eine sogennate Bootstrap-Schaltungs eingesetzt. Diese funktioniert folgender Maßen: Ist die Low-Side aktiv, wird diese mit Hilfe der Versorgungsspannung des Treibers (VDD15) über eine Diode und ein Kondensator versorgt. Während der gesamten Schaltzeit der Low-Side wird der Kondensator geladen. Nun wird die Low-Side ausgeschaltet und die High-Side eingeschaltet. Da die Brückenspannung höher als die Treiberversorgungsspannung ist, arbeitet die Diode in Sperrrichtung. In dieser Zeit wird die High-Side Spannungsversorgung (VDDA) über die gesamte Einschaltdauer durch den Kondensator CB1 bzw. CB2 betrieben. Funktionsweise ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7:Visuelle Darstellung der Bootstrap-Schaltung. (Links-Laden;Rechts-Entladen) (Silabs:High-Side Bootstrap Design)

Aufgrund der oben erläuterten Arbeitsweise muss (Zitat): "Der Spannungswert der Bootstrap-Diode D1 ausreichend hoch sein, um die High-Side-MOSFET-Drain-Spannung und eine Strombelastbarkeit (IF) größer oder gleich dem in Gleichung 5 berechneten maximalen Durchschnittsstrom abzuschalten. Es muss auch eine ausreichend schnelle Rückgewinnungszeit haben, um zu vermeiden, dass kurzzeitig Strom aus der Hochspannungsableitungsversorgung in die Niederspannungs-VDDVersorgung eingespeist wird. Darüber hinaus kann die Betriebstemperatur des Systems erfordern, dass D1 bei hoher Temperatur eine geringe Rückwärtsleckage aufweist". Außerdem muss der die Kapatzität des Kondensators groß genug sein, um die gesamte Einschaltzeit der High-Side unterbrechungsfrei versorgen zu können. Des Weiteren wurde mit LTSpice ein PWM-Signal modulliert. Dazu wurde ein Artikel der Webseite transistorgrab.de als Hilfe hinzugezogen.

Simulation

Simuliert wurde ein \(10kHz\) Signal. Zur Übersicht ist in der Simulation(Abbildung 8) das Einganssignal als Sinus- und PWM-Signal dargestellt. Als Ausgangssignal ist die Spannung und der Strom an der Last zu sehen.

Abbildung 8: Darstellung der Simulation mit Eingangs- und Ausgangssignalen

Aus der Simulationdarstellung ist eine Phasenverschiebung des Eingangs- gegen das Ausgangssignal ersichtlich. Ohne weitere Untersuchung wird vermutet, dass es an der Gruppenlaufzeit des Systems liege, da keine Rückkopplung von Ausgang auf den Eingang anliegt und daher auch keine Regelung stattfindet.

FFTs

Zur Überprüfung der Filterfunktion wurden FFTs des Ausgangssignal für Strom und Spannung visuellisiert. Diese sind in Abbildung 9 und 10 dargestellt.

Abbildung 9: FFT der Spannung an der Last

Abbildung 10: FFT des Stoms an der Last

Aus den Abbildungen ist zu entnehmen, dass der Tiefpassfilter nicht optimal ausgelegt ist. Der Grund dafür ist, dass die reelen Bauteile nicht die richtige Wertigkeit haben und nur an die theoretischen Werte angepasst sind.

Platinenentwurf und Fertigung

Mit Hilfe von EAGLE, einer Autodesk-Software, wurde mit Hilfe der Implementierung der LTSpice-Datei eine Platine(Abbildung 11) für den Verstärker entworfen.

Abbildung 11: Entwurf der Platine des Audioverstärkers

Mit Hilfe des Entwurfs wurde die Platine geätzt und alle Bauteile auf die Platine angebracht. In der Abbildung 12 ist der fertige Audiverstärker der Klasse D dargestellt.

Abbildung 12: Audioverstärker der Klasse D

Aufgrund der Problematik mit den Messpunkten wurden kleine Messleitung eingelötet.

Test

Vor der Inbetriebnahme wurde der Verstärker einmal messtechnisch überprüft. In der Abbildung 13 ist das Ausgangssignal der MOSFETs für die jeweilige Halbbrücke dargestellt. Der Tiefpassfilter wurde noch nicht eingelötet, da die Messungen immer stuffenweise gemacht wurden.

Abbildung 13: Ausgangssignale der jeweiligen Halbbrücken.

Aus der Abbildung kann auf die richtige Funktionsweise zurückgeschlossen werden. Die fallenden Flanken der High-Side sind auf den Bootstrap-Kondensator zurück zu führen. Am Ende wurde ein akkustischer Test durchgeführt. Bei diesem Test wurde ein verstärketes akkustisches Rauschen festgestellt. Aus Zeitgründen konnte der Fehler nicht mehr behoben werden.

Erfahrungen und Fehleranalyse

An dieser Stelle möchten wir kurz die von uns gemachte Erfahrungen beschreiben, Fehler analysieren und mögliche Lösungen erläutern.

Erfahrungen:

Der von uns ausgewählte Transistor ist technischgesehen ein Top Produkt. Aufgrund seiner Größe und Bauweise erwies es sich als sehr schwierig diesen auf die Platine zu löten. Ist man also beim Umgang mit dem Lötkolben oder Heißluftkolben nicht gewieft, empfielt es sich einen anderen Gehäusetyp zu verwenden.
Die Entstörkondensatoren sollten möglichst nah an entsprechenden Gatetreiberanschlüssen eingebaut werden. Genau wie bei dem MOSFET ist auch hier Vorsicht bei Löten angesagt, da man hier versehentlich den Treiber erhitz.
Das eingehende PWM-Signal sollte so sauber wie möglich sein, da das Rauschen entsprechend mitverstärkt wird.
Sollte das ganze System nicht funktionieren, ist der erste Schritt eine kleine Spanung auf das Enable-Pin des Treibers anzulegen. Dies führt anscheiend zu einem Reset des Treibers.
Zur evtl. Nachregelung der Totzeit sollte man an dem DT-Pin Potentiometer verbauen.

Aufgetrettene Fehler und mögliche Lösungen:

Beim akkustischen Test ist ein recht starkes hörbares Rauschen aufgetretten. Dies war auch bei der anschließenden Messung ersichtlich. Die wahrscheinliche Fehlerursache liegt an der Spannungsversorgung der H-Brücke. Wie oben bereits beschrieben, muss bei High-Side Betrieb die Brückenspannung höher sein, als die Versorgungsspannung des Gatetreibers(Bootstrapping). Aufgrund der Verwendung von Labornetzteilen als Spannungsquellen war die Stromsteurung sehr schwierig zu handhaben, sodass es zu keinem Zeitpunkt möglich wahr die Spannung an der Brücke höher als die Treiberspannung zu stellen, ohne die Gefahr einer Zerstörung des Transistors in Kauf zu nehmen. Die mögliche Lösung wäre den Eingangsstrom der H-Brücke zu minimieren. Dies könnte helfen die Spannung der Brücke auf den nötigen Wert zu bringen.

Audioverstärker der Klasse D