4 개의 효율적인 PWM 증폭기 회로 설명

펄스 폭 변조 또는 PWM 처리를 통해 아날로그 오디오 신호를 증폭하도록 설계되고 듀티 사이클을 조정할 수있는 오디오 증폭기는 디지털 증폭기, 클래스 D 증폭기, 스위치 증폭기 및 PWM 증폭기를 비롯한 많은 이름으로 알려져 있습니다.

고효율로 수행 할 수 있기 때문에 클래스 D 증폭기 왜곡을 무시할 수있는 모바일 및 전관 방송 애플리케이션에서 가장 선호되는 개념이되었습니다.

PWM 증폭기가 그토록 효율적인 이유

아날로그 오디오 신호를 동등한 PWM 변조 콘텐츠로 변환하기 때문입니다. 이 변조 된 PWM 오디오 신호는 MOSFET 또는 BJT와 같은 출력 장치에 의해 효율적으로 증폭 된 다음 연결된 라우드 스피커에 걸쳐 특수 인덕터를 사용하여 고전력 아날로그 버전으로 다시 변환됩니다.

우리는 알고 있습니다 반도체 같은 장치 MOSFET 및 BJT 입력 신호의 정의되지 않은 영역에서 작동하고 뜨거워지는 경향이 있습니다. 예를 들어 MOSFET 게이트 신호가 8V 미만이면 제대로 켜지지 않고 BJT는 기본 드라이브 0.5V 미만에서 올바르게 응답하지 않아 바디 히트 싱크를 통해 많은 양의 열이 방출됩니다.

본질적으로 기하 급수적 인 아날로그 신호는 위의 장치가 불편하고 불리한 느린 상승 및 느린 하강 전위로 작동하도록하여 높은 열 방출과 더 큰 비효율을 유발합니다.

PWM 반대로 증폭 개념은 중간의 정의되지 않은 전위없이 완전히 켜거나 완전히 끄는 방식으로 이러한 장치가 작동하도록합니다. 이로 인해 장치는 열을 방출하지 않으며 오디오 증폭은 고효율 및 최소 손실로 렌더링됩니다.

선형 증폭기와 비교 한 디지털 증폭기의 장점

• 디지털 또는 PWM 증폭기는 PWM 처리를 사용하므로 출력 장치는 최소한의 열 방출로 신호를 증폭합니다. 선형 증폭기는 이미 터 팔로워 디자인을 사용하고 사운드 증폭 중에 많은 양의 열을 발산합니다.
• 디지털 증폭기는 선형 증폭기에 비해 적은 수의 출력 전력 장치로 작동 할 수 있습니다.
• 열 방출이 최소화되기 때문에 대형 히트 싱크에 의존하는 선형 앰프에 비해 히트 싱크 나 더 작은 히트 싱크가 필요하지 않습니다.
• 디지털 PWM 증폭기는 선형 증폭기에 비해 저렴하고 가볍고 매우 효율적입니다.
• 디지털 앰프는 선형 앰프보다 작은 전원 공급 장치 입력으로 작동 할 수 있습니다.

이 게시물에서 아래의 첫 번째 PWM 전력 증폭기는 6V 배터리로 작동하며 최대 5W의 출력 전력을 생성합니다. 노골적인 출력 용량을 감안할 때 PWM 증폭기는 종종 메가폰에서 발견됩니다.

모바일 AF 증폭기의 일반적인 문제는 저효율 특성으로 인해 낮은 공급 전압에서 높은 전력을 생산하기 어렵다는 것입니다.

그러나 우리가 논의한 PWM 증폭기는 메가폰 및 관련 P.A.에서 허용되는 왜곡 수준에서 거의 100 %의 효율을 보입니다. 장치. 설계에 기여하는 몇 가지 요소가 아래에 설명되어 있습니다.

펄스 폭 변조

펄스 폭 변조 (PWM)의 원리는 아래 그림 1에 나와 있습니다.

개념은 간단합니다. 더 높은 주파수의 직사각형 신호의 듀티 사이클은 입력 신호에 의해 제어됩니다. 펄스의 스위치 온 시간은 입력 신호의 순간 진폭에 상대적입니다.

주파수 외에 온-타임 및 오프-타임의 양은 일정합니다. 따라서 입력 신호가 누락되면 대칭 구형파 신호가 생성됩니다.

상대적으로 좋은 음질을 얻으려면 직사각형 신호의 주파수가 입력 신호의 최고 주파수보다 두 배가되어야합니다.

결과 신호는 확성기에 전원을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 그림 4는 오실로스코프 트레이스의 명확한 변환을 보여줍니다.

상단 트레이스는 필터링 후 출력 신호를 보여주고 라우드 스피커에서 측정되었습니다. 나머지의 진폭 PWM 신호 사인파와 겹치는 것은 작습니다.

증폭기로서의 전자 스위치

그림 2는 블록 다이어그램을 사용하여 PWM 증폭기의 표준 작동을 설명합니다.

입력이 단락되었을 때 S를 전환한다고 가정 해 보겠습니다._...에커패시터 C에 전원 공급₇현재 나는_두. 이는 적절한 상한 스위칭 전압에 도달 할 때까지 계속됩니다.

그런 다음 R을 연결합니다.₇땅에. 그 후 C₇S의 하한 스위칭 전압으로 방전됩니다._...에. 결과적으로 C₇그리고 R₇주파수가 50kHz 인 구형파를 생성합니다.

AF 신호가 증폭기의 입력에 영향을 받으면 추가 전류 I₁충전 시간을 상대적으로 줄이거 나 늘리거나 방전 시간을 늘리거나 줄입니다.

따라서 입력 신호는 라우드 스피커의 출력에서 ​​보이는 구형파 신호의 듀티 팩터를 수정합니다.

PWM 증폭기의 기본 작동에 필수적인 두 가지 법칙이 있습니다.

1. 첫 번째는 스위치 S_비S로 역 위상 제어_...에다른 라우드 스피커 단자를 PWM 신호의 대체 전압으로 유지합니다.

이 설정은 스위칭 브리지 유형 전력 출력 단계의 결과를 생성합니다. 그 후, 각 극성에서 라우드 스피커는 최대 공급 전압을 사용하여 최대 전류 소비를 달성합니다.

2. 둘째, 인덕터 L을 살펴 봅니다.₁그리고 나_두. 인덕터의 목적은 앞의 스코프 트레이스에 표시된 것처럼 직사각형 신호를 통합하고 사인파로 변환하는 것입니다. 또한 50kHz 직사각형 신호의 기능 및 고조파 억제 기능도 제공합니다.

겸손한 디자인의 높은 사운드 출력

위 그림의 회로도에서 블록 다이어그램에 사용 된 전자 부품을 쉽게 식별 할 수 있습니다.

저항 R1, 커플 링 커패시터 C와 같은 소수의 부품₁그리고 C₄, 볼륨 조절 P₁opamp A를 기반으로 한 증폭기₁커패시터 (또는 정전기) 마이크에 대한 바이어스 작업을 수행합니다.

이 전체 작업은 PWM 증폭기의 입력 세그먼트를 생성합니다. 앞에서 설명한 것처럼 스위치 S_...에그리고 S_비전자 스위치 ES로 제작₁ES로₄및 트랜지스터 쌍 T₁-티_삼그리고 T_두-티₄.

PWM 생성기를 구성하는 전자 부품의 부품 표시는 블록 다이어그램에 설명 된 것과 관련됩니다.

아마도 PWM 증폭기는 모든 구동 조건에서 강제로도 출력 트랜지스터가 가열되지 않기 때문에 일반적으로 효율적입니다. 요컨대, 전력 출력 단계에서 실질적으로 손실이 전혀 없습니다.

인덕터를 선택하기 전에 고려해야 할 가장 중요한 요소 L₁그리고 나_두포화 상태가되지 않고 채널 3A를 사용할 수 있어야한다는 것입니다.

실제 인덕턴스 고려 사항은 두 번째에 불과합니다. 예를 들어이 프로젝트에 사용 된 인덕터는 조광기에서 얻은 것입니다.

다이오드 D의 목적_삼D로₆인덕터에 의해 생성 된 역기전력을 합리적으로 안전한 값으로 포함하는 것입니다.

또한 opamp A의 비 반전 입력₁D에 의해 형성됨₁, 씨_삼, D_두그리고 R_삼. 효율적으로 필터링 된이 입력 전압은 공급 전압의 절반과 같습니다.

기존 opamp 증폭기를 사용할 때 전압 이득은 네거티브 피드백 루프에 의해 할당됩니다. 아르 자형₄그리고 R₅충분한 마이크 감도를 보장하기 위해 게인을 83으로 설정합니다.

높은 임피던스 신호 소스를 사용하는 경우 R₄필요에 따라 증폭 될 수 있습니다.

엘₁그리고 나_두위상 편이를 일으키기 때문에 T의 컬렉터에서 구형파 신호의 도움으로 피드백이 가능합니다.₁정현파 라우드 스피커 신호와 비교됩니다.

C와 결합₅opamp는 PWM 피드백 신호의 중요한 통합을 제공합니다.

피드백 시스템은 앰프의 왜곡을 줄여 주지만 공개 연설 외에 다른 용도로 사용할 수있을 정도로 광범위하지는 않습니다.

일반적으로 왜곡이 적은 Class-D 증폭기에는 크게 증가 된 공급 전압과 복잡한 회로 설계가 필요합니다.

이 설정을 구현하면 회로의 전반적인 효율성이 저하됩니다. HCMOS 유형이 적합한 것이므로 증폭기에서 전자 스위치를 선택할 때주의하십시오.

일반적인 CMOS 유형 4066은 매우 느리고 T에서 '단락'을 유발하기에 부적절합니다.₁-티_삼그리고 T_두-티₄. 뿐만 아니라 과로하거나 앰프를 영구적으로 손상시킬 위험이 높아집니다.

확성기 애플리케이션 용 PWM 증폭기

전자 애호가들은 혼형 라우드 스피커에 전력을 공급하기 위해 클래스 D 앰프를 사용하는 것을 선호합니다. 선택한 전력 수준에서 가장 큰 소리를 낼 수 있기 때문입니다.

6V 배터리 팩과 압력 챔버 라우드 스피커를 사용하여 앰프 모델을 쉽게 구성했습니다.

기존 4W의 출력 전력은 적절한 오디오 범위의 메가폰에서 측정 할 수있었습니다.

메가폰에 전압을 공급하기 위해 4 개의 1.5V 건전지 또는 알카라인 모노 셀이 직렬로 연결되었습니다. 이 설정을 자주 사용하려면 충전식 NiCd 또는 젤형 (Dryfit) 배터리를 선택하십시오.

메가폰의 최대 소비 전류는 0.7A이므로 표준 알카라인은 최대 출력 전력에서 24 시간 동안 작동을 지원하는 데 적합합니다.

비 연속 사용을 계획하는 경우 건전지 세트를 선택하는 것으로 충분합니다.

어떤 전원을 사용하든 7V를 넘지 않아야합니다.

그 이유는 IC의 HCMOS 스위치₁해당 전압 수준 이상에서는 제대로 작동하지 않습니다.

다행히 증폭기의 경우 공급 전압의 최대 임계 값은 11V보다 큽니다.

위에서 설명한 PWM 클래스 D 증폭기의 PCB 설계는 다음과 같습니다.

또 다른 좋은 PWM 증폭기

잘 설계된 PWM 증폭기는 대칭형 구형파 발생기로 구성됩니다.

이 구형파의 듀티 사이클은 오디오 신호에 의해 변조됩니다.

선형으로 작동하는 대신 출력 트랜지스터는 스위치로 작동하므로 완전히 켜지거나 꺼집니다. 휴면 상태에서 파형의 듀티 사이클은 50 %입니다.

이는 모든 출력 트랜지스터가 동일한 기간 동안 완전히 포화되거나 전도라고도 함을 의미합니다. 결과적으로 평균 출력 전압은 0입니다.

즉, 스위치 중 하나가 다른 스위치보다 조금 더 오래 닫혀 있으면 입력 신호의 극성에 따라 평균 출력 전압이 음 또는 양이됩니다.

따라서 평균 출력 전압이 입력 신호와 관련이 있음을 알 수 있습니다. 이는 출력 트랜지스터가 전적으로 스위치로 작동하므로 출력 단계에서 전력 손실이 매우 적기 때문입니다.

디자인

그림 1은 클래스 D PWM 증폭기의 전체 회로도를 보여줍니다. PWM 증폭기가 너무 복잡 할 필요가 없음을 알 수 있습니다.

입력 오디오 신호는 비교기로 작동하는 연산 증폭기 IC1에 적용됩니다. 이 설정은 회로에 병렬로 연결된 소수의 Schmitt 트리거를 유도합니다.

두 가지 이유가 있습니다. 첫째, '사각형'파형이 있어야하고 둘째, 출력 단계에 적절한 기본 드라이브 전류가 필요합니다. 이 단계에는 간단하지만 빠른 트랜지스터 (BD137 / 138)가 설치되어 있습니다.

전체 증폭기가 진동하고 구형파를 생성합니다. 그 이유는 비교기 (IC1)의 입력 하나가 RC 네트워크를 통해 출력에 연결되기 때문입니다.

또한 IC1의 두 입력은 전압 분배기 R3 / R4를 사용하여 공급 전압의 전반부에 바이어스됩니다.

IC1의 출력이 낮고 T1 / T2의 이미 터가 높을 때마다 커패시터 C3의 충전은 저항 R7을 통해 발생합니다. 동시에 비 반전 입력에서 전압이 상승합니다.

이 상승하는 전압이 인 버팅 풋 레벨을 넘으면 IC1의 아웃이 로우에서 하이로 바뀝니다.

결과적으로 T1 / T2의 이미 터가 높음에서 낮음으로 바뀝니다. 이 조건은 C3가 R7을 통해 방전되고 플러스 입력의 전압이 마이너스 입력의 전압 아래로 떨어집니다.

IC1의 출력도 로우 상태로 되돌아갑니다. 결국 R7과 C3에 의해 결정된 주파수에서 구형파 출력이 생성됩니다. 제공된 값은 700kHz에서 진동을 생성합니다.

사용 발진기 , 우리는 주파수를 변조 할 수 있습니다. 일반적으로 참조로 사용되는 반전 입력의 IC1 레벨은 일정하게 유지되지 않고 오디오 신호에 의해 결정됩니다.

또한 진폭은 비교기의 출력이 변경되기 시작하는 정확한 지점을 결정합니다. 결과적으로 구형파의 '두께'는 오디오 신호에 의해 규칙적으로 변조됩니다.

증폭기가 700kHz 송신기로 작동하지 않도록하려면 출력에서 ​​필터링을 실행해야합니다. L1 / C6 및 C7 / R6으로 구성된 LC / RC 네트워크는 필터 .

기술 사양

• 8 옴의 부하와 12V 공급 전압을 갖춘이 증폭기는 1.6W를 생성했습니다.
• 4 옴을 사용하면 전력이 3W로 증가했습니다. 이러한 작은 열 손실의 경우 출력 트랜지스터를 냉각 할 필요가 없습니다.
• 이와 같은 단순한 회로에서는 고조파 왜곡이 비정상적으로 낮다는 것이 입증되었습니다.
• 총 고조파 왜곡 수준은 측정 된 20Hz ~ 20,000Hz 범위에서 0.32 % 미만이었습니다.

아래 그림에서 증폭기의 PCB 및 부품 레이아웃을 볼 수 있습니다. 이 회로를 구축하는 데 드는 시간과 비용은 매우 낮기 때문에 PWM을 더 잘 이해하려는 사람에게 훌륭한 기회를 제공합니다.

부품 목록

저항기 :
R1-22k
R2, R7-1M
R3, R4-2.2k
R6-420k
R6-8.2 옴
P1 = 100k 대수 전위차계
Conacitor;
C1, C2-100nF
C3-100pF
C4, C5-100μF / 16V
C6 = 68nF
C7-470nF
C8-1000p / 10V
C9-2n2
반도체 :
IC1-CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2-BD138

여러 가지 잡다한:
L1 = 39μH 인덕터

간단한 3 트랜지스터 클래스 D 증폭기 회로

PWM 증폭기의 뛰어난 효율은 BC107을 출력 트랜지스터로 사용하여 3W의 출력을 생성 할 수 있다는 것입니다. 더 좋은 점은 방열판이 필요 없다는 것입니다.

증폭기는 약 6kHz에서 작동하고 클래스 D 출력 단계를 적용하는 전압 제어 펄스 폭 발진기로 구성됩니다.

전체 켜짐 또는 완전히 꺼짐의 두 가지 시나리오 만 있습니다. 그로 인해 손실이 매우 적고 결과적으로 높은 효율성을 제공합니다. 출력 파형이 입력처럼 보이지 않습니다.

그러나 출력 및 입력 파형의 적분은 시간에 대해 서로 비례합니다.

제시된 구성 요소 값 표는 출력이 3W ~ 100W 인 모든 증폭기를 제작할 수 있음을 보여줍니다. 이를 감안할 때 최대 1kW의 더 강력한 전력을 얻을 수 있습니다.

단점은 약 30 %의 왜곡을 생성한다는 것입니다. 결과적으로 앰프는 사운드 증폭에만 사용할 수 있습니다. 연설을 믿을 수 없을 정도로 이해할 수 있기 때문에 전관 방송 시스템에 적합합니다.

디지털 연산 증폭기

다음 개념은 아날로그 오디오 신호를 상응하는 PWM 신호로 변환하는 데 적용 할 수있는 기본 세트 리셋 플립 플롭 IC 4013을 사용하는 방법을 보여줍니다.이 신호는 원하는 PWM 증폭을 위해 MOSFET 스테이지에 추가로 공급 될 수 있습니다.

원하는 출력 전압에 비례하는 듀티 사이클을 가진 디지털 출력을 제공하는 증폭기로 4013 패키지의 절반을 사용할 수 있습니다. 아날로그 출력이 필요할 때마다 간단한 필터가 작업을 수행합니다.

지정된대로 클록 펄스를 따라야하며 원하는 대역폭보다 훨씬 더 높은 주파수 여야합니다. 이득은 R1 / R2이고 시간 R1R2C / (R1 + R2)는 클럭 펄스의주기보다 길어야합니다.

응용

회로를 사용할 수있는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 일부는 다음과 같습니다.

1. 전원의 제로 교차점에서 펄스를 수집하고 출력으로 트라이 악을 적용합니다. 결과적으로 이제 RFI없이 관계형 전력 제어가 가능합니다.
2. 빠른 클럭을 사용하여 드라이버 트랜지스터를 출력으로 전환하십시오. 그 결과 고효율 PWM 오디오 증폭기가 탄생했습니다.

30 와트 PWM 증폭기

30W Class-D 오디오 증폭기의 회로도는 다음 pdf 파일에서 볼 수 있습니다.

연산 증폭기 IC1은 가변 볼륨 제어 전위차계 VR1을 통해 입력 오디오 신호를 증폭합니다. PWM (펄스 폭 변조) 신호는 오디오 신호를 100kHz 삼각 웨일과 비교하여 생성됩니다. 이것은 비교기 1C6을 통해 수행됩니다. 저항 RI3은 포지티브 피드백을 제공하기 위해 사용되며 C6는 실제로 비교기 작동 시간을 향상시키기 위해 도입되었습니다.

비교기 출력은 ± 7.5V의 극한 전압 사이에서 전환됩니다. 풀업 저항 R12는 + 7.5V를 제공하는 반면 -7.5V는 핀 1에서 연산 증폭기 IC6의 내부 개방 이미 터 트랜지스터에 의해 공급됩니다.이 신호가 양의 레벨로 이동하는 동안 트랜지스터 TR1은 전류 싱크 단자처럼 작동합니다. 이 전류 싱크는 저항 R16 양단의 전압 강하를 증가시켜 MOSFET TR3을 켜기에 충분합니다.

신호가 네거티브 극단으로 전환 될 때. TR2는 전류 소스로 바뀌어 R17에서 전압 강하가 발생합니다. 이 드롭은 TR4를 켜기에 충분합니다. 기본적으로 MOSFET TR3 및 TR4는 +/- 15V 사이에서 전환되는 PWM 신호를 번갈아 생성하여 트리거됩니다.

이 시점에서 증폭 된 PWM 신호를 입력 오디오 신호와 동일한 증폭 된 우수한 오디오 재생으로 되돌 리거나 변환하는 것이 필수적입니다.

이는 삼각형 기본 주파수보다 훨씬 낮은 차단 주파수 (25kHz)를 갖는 3 차 Butterworh 저역 통과 필터를 통해 PWM 듀티 사이클의 평균을 생성함으로써 달성됩니다.

이 동작은 100kHz에서 큰 감쇠로 이어집니다. 얻어진 최종 출력은 입력 오디오 신호의 증폭 된 복제 인 오디오 출력으로 연결됩니다.

회로 구성 1C2 및 1C5를 통한 삼각파 생성기, 여기서 IC2는 R7 및 R11을 통해 양의 피드백이 공급되는 구형파 생성기처럼 작동합니다. 다이오드 DI ~ D5는 양방향 클램프처럼 작동합니다. 이렇게하면 전압이 약 +/- 6V로 고정됩니다.

구형파를 삼각파로 변환하는 사전 설정된 VR2, 커패시터 C5 및 IC5를 통해 완벽한 적분기가 생성됩니다. Preset VR2는 주파수 조정 기능을 제공합니다.

(핀 6)의 1C5 출력은 1C2에 피드백을 공급하고 저항 R14와 사전 설정 VR3은 유연한 감쇠기로 작동하여 필요에 따라 삼각파의 레벨을 조정할 수 있습니다.

전체 회로를 만든 후 VR2 및 VR3을 미세 조정하여 최고 품질의 오디오 출력을 구현해야합니다. 1C4 및 IC3 용 일반 741 연산 증폭기 세트를 +/- 7.5V 전력을 공급하기위한 단일 이득 버퍼로 사용할 수 있습니다.

커패시터 C3, C4, C11 및 C12는 여과에 사용되며 나머지 커패시터는 전원을 분리하는 데 사용됩니다.

회로는 이중 +/- 15V DC 전원 공급 장치로 전원을 공급할 수 있으며, 커패시터 C13 및 인덕터 L2를 사용하여 LC 스테이지를 통해 30W 8 옴 라우드 스피커를 구동 할 수 있습니다. MOSFET TR3 및 TR4에는 적당한 히트 싱크가 필요할 수 있습니다.