Class-D-Verstärkermodule Audiodesign ohne Kopfzerbrechen

Mithilfe von Class-D-Verstärkern können selbst kompakte Anlagen eine hohe Tonqualität sowie eine hohe Audio-Ausgangsleistung liefern. Um die Arbeit der Audio-Designer zu erleichtern, bieten verschiedene Halbleiterhersteller speziell auf diese Anwendung zugeschnittene Gatetreiber-Module an. Lassen sich die bisher noch externen Audio-MOSFETs auch noch mit integrieren?

Class-D-Verstärker unterstützen Audio-Designer bei der Entwicklung von persönlichen Multimedia-Geräten und audiovisuellen Heimsystemen. Da solche Verstärker im Allgemeinen einen Wirkungsgrad von ungefähr 90% haben, sind für die Endstufen keine großen und unhandlichen Gehäuse mehr nötig. Dadurch können Entwickler nicht nur die Kühlkörper entweder verkleinern oder gar ganz weglassen. Auch lassen sich Leiterplatten mit kleineren Abmessungen sowie kleinere Komponenten wie Transformatoren, Steckverbinder und Stromversorgungen einsetzen.

Allerdings sind mit der Verwendung von getakteten Verstärkern auch technische Herausforderungen verbunden, mit denen hochspezialisierte Audio-Designer möglicherweise nicht vertraut sind. So benötigen sie Erfahrung im Umgang mit Leistungselektro-nik wie etwa die Entwicklung von Hochspannungsschaltkreisen. Module, bei denen die Schlüsselelemente von Class-D-Verstärkerschaltungen in einem Baustein vereint sind, können solchen Personen helfen, derartige Probleme zu bewältigen, und gleichzeitig sowohl die Zahl der benötigten Bauelemente senken als auch die Time-to-Market verkürzen.

In einem Class-D-Verstärker wird das eingangsseitige Audiosignal mit einer hochfrequenten Sägezahnwellenform verglichen, um das Eingangssignal in eine pulsbreitenmodulierte, rechteckige Wellenform zu überführen. Die Sägezahnfrequenz wird auf einen Wert im Bereich von 400 kHz eingestellt, also hinreichend weit vom Frequenzbereich des Audiosignals entfernt.

Das pulsbreitenmodulierte Äquivalent des Audiosignals steuert die Verstärker-Ausgangsstufe an, die in Halbbrücken- oder Vollbrücken-Topologie ausgeführt sein kann. Eine Halbbrücke benötigt positive und negative Stromversorgungsschienen, wohingegen eine Vollbrücke mit einer einzigen Stromversorgung auskommt und darüber hinaus ein höheres Ausgangssignal bei gleicher Versorgungsspannung erzeugt. Das verstärkte Audiosignal ist in der Rechteckwelle enthalten, die am Ausgang der MOSFET-Brücke ansteht. Ein Tiefpassfilter entfernt die Frequenzen außerhalb des Audiobereichs und stellt das reine Audiosignal wieder her, das den Lautsprecher ansteuert.

Herausforderungen im Design

Ehe das Audio-Eingangssignal den PWM-Komparator erreicht, vergleicht ein Fehlerverstärker die Audiosignale am Eingang und am Ausgang miteinander und korrigiert dabei Mängel infolge von verschiedenen Faktoren, zum Beispiel die endliche Schaltzeit der ausgangsseitigen MOSFETs, das mit Schaltübergängen verbundene Über- und Unterschwingen sowie Schwankungen der Stromversorgung. Da der Fehlerverstärker in einem sehr verrauschten Umfeld arbeiten muss, kann die Auswahl eines passenden Operationsverstärkers für diese Aufgabe schwierig und kostspielig sein.

Eine weitere wichtige Aufgabe für den Entwickler besteht darin, die störungsempfindliche Analogschaltung am Eingang von dem potenziell störenden Schaltrauschen zu isolieren, das an der Ausgangsstufe generiert wird. Außerdem muss der Entwickler, wenn er sich mit der Schaltstufe befasst, die eingefügte Totzeit optimieren. Diese kompensiert die endliche Schaltzeit der Ausgangs-MOSFETs und verhindert auf diese Weise die potenziell zerstörerischen Kurzschlussströme, die entstehen können, wenn man zulässt, dass sich die Einschaltphasen der High-Side- und der Low-Side-MOSFETs überlappen.

Nur mit einer präzisen Gate-Ansteuerung mit geringer Pulsbreitenverzerrung und einer guten Abstimmung zwischen den High- und Low-Side-Ansteuersignalen lässt sich die Totzeit minimieren, um die geringstmögliche Audioverzerrung zu erreichen. Da zudem die Leistungstransistoren entweder hart ein- oder völlig ausgeschaltet sind, muss die PWM-Schaltstufe gut geschützt sein. Wird das Design der Schaltstufe und der Schutzschaltungen nicht richtig durchgeführt, funktionieren Prototypen eventuell nicht richtig oder sie fallen beim Testen völlig aus.

Class-D-Designs vereinfachen

Entwickler von Audiosystemen können viele dieser Designprobleme und möglichen Risiken vermeiden, indem sie ein Class-D-Verstärkermodul verwenden, das Schlüsselfunktionen wie den Fehlerverstärker und geschütztes PWM-Schalten in ein und demselben Gehäuse implementiert. In dem integrierten Class-D-Modul der ersten Generation von International Rectifier (IR), dem Audiotreiber »IRS2092«, sind der Fehlerverstärker, der PWM-Komparator, die Schaltstufe mit Totzeiteinfügung und die Schutzschaltungen integriert.

Es eignet sich für den Anschluss an diskrete Ausgangstransistoren aus der MOSFET-Familie des Unternehmens für digitale Audioanwendungen von 50 W bis 500 W und ermöglicht eine Chipsatz-Lösungsmethode für den Bau von Class-D-Audioentwicklungen. Die Audio-MOSFETs zeichnen sich sowohl durch einen niedrigen Einschaltwiderstand als auch durch optimierte Gate-Ladungs- und Reverse-Recovery-Charakteristika der Bodydiode aus. Sie dienen dazu, die Energieeffizienz zu maximieren sowie niedrige elektromagnetische Störungen (EMI) sowie einen niedrigen THD+N-Wert (Gesamtklirrfaktor plus Rauschen) zu gewährleisten.

Zu weiteren wichtigen Verstärkerfeatures, die eng mit der Entwicklung der Leistungsschaltstufe verbunden sind, zählen Maßnahmen, welche die vom Pulsbreitenmodulator erzeugten Störaussendungen vermeiden, als auch Schaltungen, die Click- und Popp-Geräusche beim Ein- und Ausschalten reduzieren. Indem diese Merkmale intern bereits implementiert sind, senkt der »IRS2092« den Entwicklungsaufwand sowie die Zahl der benötigten Bauelemente noch zusätzlich. Diese Methode kann die mit Class-D-Verstärker verbundenen Entwicklungsprobleme lösen und Ingenieuren helfen, die Performance ihres Designs durch spezielle Features weiter zu verbessern.

Das Referenzdesign »IRAUDAMP5« verwendet den IRS2092 zur Ansteuerung von zwei »DirectFET«-Audio-MOSFETs vom Typ »IRF6645« und erzeugt so einen zweikanaligen 120-W-Verstärker mit Halbbrückenausgang, der laut Hersteller 60% weniger Platz auf der Leiterplatte und ungefähr 20% weniger Teile braucht als ein mit diskreten Bauelementen aufgebautes vergleichbares Design.

Das Referenzdesign hilft bei wichtigen Aspek-ten weiter wie der Entwicklung des Tiefpass-filters und der Rückkopplungsschleife am Ausgang, der Programmierung der Totzeit, der Auswahl externer Komponenten zur Strom- und Temperaturerfassung sowie der Optimierung der Leiterplattenlayouts. Das Referenzdesign, das vom Funktionsumfang des IRS2092 sowie der hohen Audioperformance der optimierten ausgangsseitigen MOSFETs profitiert, erreicht einen THD+N von 0,005% am Ausgang bei der Ansteuerung von 2 x 60 W an 4-Ω-Lautsprechern.

Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild dieses Referenzdesigns, auf dem die wesentlichen Funktionselemente eines Class-D-Verstärkers dargestellt sind und das aufzeigt, wie stark ein Modul wie das IRS2092 die Schaltungsentwicklung vereinfachen kann.

Alles in einem Modul

Treibt man dieses modulare Konzept noch einen Schritt weiter, indem man optimierte Leistungs-MOSFETs zusammen mit dem Fehlerverstärker, dem PWM-Controller, Gate-Treiber und Schutzschaltungen ins gleiche Gehäuse einbaut, dann ermöglichen IRs jüngste integrierte Leistungsmodule »PowIRaudio IR43xx« eine nochmalige Verringerung der Zahl benötigter Bauelemente und damit Platzeinsparungen auf der Leiterplatte von bis 70%.

Die PowIRaudio-Familie umfasst vier Bausteine, die Vollbrücken- und Halbbrücken-Topologien von 35 W/4 Ω bis 130 W/4 Ω unterstützen. Bei Verwendung dieser Bausteine können Entwickler 2.1-Kanal-, 5-Kanal-, 6-Kanal- oder 7.1-Kanal-Anwendungen konfigurieren. Als Betriebsspannungs-bereich sind bis zu 62 V/±31 V beim »IR4301« sowie dem »IR4302« spezifiziert, 32 V/±16 V beim »IR4311« und dem »IR4312«.

Zu weiteren entscheidenden Merkmalen, die für alle Mitglieder der Familie zutreffen, zählen ein Überstromschutz, eine Wärmeabschaltung, eine interne/externe Abschaltung sowie ein potenzialfreier Differenzeingang. Die Modelle IR4302 und IR4312 bieten außerdem eine Übersteuerungserkennung (Clip Detection). Mithilfe dieser Bausteine können Entwickler Verstärker für typische Musikwiedergabe-Anwendungen bauen, die keinen mechanischen Kühlkörper benötigen und die in der Lage sind, beispielsweise ein THD+N von 0,02% zu gewährleisten.

Hohe Rauschfestigkeit im Controller-IC soll für zuverlässigen Betrieb unter den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen sorgen. Die Bausteine sind in wärmeeffizienten PQFN-Gehäusen mit den Abmessungen 5 mm x 6 mm für den IR4301 und den IR4311 sowie 7 mm x 7 mm für den IR4302 und den IR4312 untergebracht.

Um Kunden, die diese Bausteine einsetzen, den Einstieg zu erleichtern, hat IR sechs Referenzdesigns zusammengestellt, die auch Konfigurationen mit asymmetrischer und aufgeteilter Stromversorgung umfassen und die eine Audio-Ausgangsleistung zwischen 35 W und 130 W pro Kanal zur Verfügung stellen, wobei nur kleine oder gar keine Kühlkörper erforderlich sind. Das dazugehörige Referenzdesign »IRAUDAMP17« (Bild 2) für einen kühlkörperlosen 100-W-Zweikanalverstärker, das den IR4302 verwendet, soll veranschaulichen, wie der Wirkungsgrad des Class-D-Schaltverstärkers ein äußerst kompaktes Ergebnis mit sehr guter Leistung verbindet.

Über den Autor:

Jun Honda ist Director des Bereichs Audio System Engineering bei International Rectifier.