Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D

ghost666 31 Lip 2015 22:59 3549 9
  • Projekt płytki drukowanej (PCB) może mieć poważny wpływ na działanie i niezawodność wzmacniacza audio pracującego w klasie D, szczególnie jeśli nie przestrzega się podstawowych zasad jej projektowania. Poniższy artykuł w skondensowanej formie przedstawia podstawowe wymagania co do projektu PCB dla wzmacniacza w klasie D. Przykłady oparto o układ STA517B (wzmacniacz audio klasy D dostarczający 175 watów na kanał o dwóch wyjściach BTL). Oczywiście podstawowe zasady opisane na tym przykładzie prawdziwe są dla wszystkich układów tego rodzaju.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.1. Schemat ideowy stereofonicznego wzmacniacza audio klasy D w konfiguracji BTL.


    Wylewka masy

    Dobrze zrealizowana wylewka masy jest kluczowym aspektem poprawnego projektowania płytki drukowanej dla wzmacniacza klasy D. Dolna strona laminatu powinna być wyłącznie poświęcona wylewce masy, o ile to możliwe. Pełne zalanie masą dolnej strony PCB pozwoli na stworzenie bardzo dobrze i niezawodnie działającego wzmacniacza klasy D. Jeśli jednak następuje konieczność prowadzenia ścieżek dolną stroną PCB to najlepiej aby były one krótkie, albo chociaż przerywane (tj. na chwilę wracały na stronę górną laminatu), tak aby przerwa w ciągłości wylewki masie była możliwie najmniejsza.

    Przelotki wykorzystywane są na PCB do łączenia górnej i dolnej warstwy ścieżek. Szczególnie do łączenia elementów na górnej warstwie PCB z masą - wylewką. Z drugiej jednak strony przelotki ograniczają czy uniemożliwiają przepływ prądu przez wylewkę masy w miejscy gdzie się znajdują, więc powinny być używane rozważnie.

    Powierzchnia bezpośrednio pod układem scalonym powinna być wypełniona jednolitym polem miedzi. Jeśli układ scalony ma odsłonięte pole lutownicze pod spodem, powinien być on przylutowany do PCB także tym polem. Zachowuje się ono jak radiator, odbierając ciepło z układu. W takim układzie pole masy pod układem powinno wychodzić po bokach poza jego obrys, aby być wystawione na chłodne powietrze, co umożliwi lepsze chłodzenie systemu. Dodatkowo trzeba dodać przelotki łączące pole masy pod układem z wylewką masy po drugiej stronie laminatu. W ten sposób wylewka masy na dolnej stronie także może pełnić rolę radiatora układu.

    Prowadzenie ścieżek pod układem jest niezalecane. Należy dodać dodatkowe przelotki sygnałów masy układu scalonego w celu zapewnienia jego podłączenia do masy ścieżką o niskiej impedancji. Podobnie trzeba robić z wszystkimi elementami łączącymi się z masą, szczególnie z elementami filtra wyjściowego. Należy zapewnić im ścisłe połączenie z wylewką masy pod układem i na dole płytki drukowanej.





    Kondensatory filtrujące zasilanie

    Kondensatory filtrujące napięcie zasilania układu grają istotną rolę w zapewnieniu niezawodnej pracy układu. Zabezpieczają one także układ przed dostawaniem się do sygnału szumu oraz przed przesłuchem pomiędzy kanałami. Stopień wyjściowy wzmacniacza pobiera duży prąd w sposób impulsowy. Pasożytnicza induktancja ścieżek pomiędzy kondensatorami a wejściem zasilania układu może prowadzić do generowania szpilek wysokiego napięcia w układzie wzmacniacza, więc konieczne jest redukowanie tej induktancji. W związku z tym niewielki kondensator filtrujący zasilanie podłączony powinien być blisko nóżek układu. Zaleca się umieszczenie na każdym z wejść zasilania układu pary kondensatorów - 100 nF i 1 µF - obok nóżek. Zminimalizuje to wpływ pasożytniczej indukcyjności ścieżek zasilania na układ.

    Szczególnie kondensator 100 nF powinien być umieszczony blisko układu scalonego - nie dalej niż 2 mm od pinu zasilania. Powinien on być także umieszczony na tej samej warstwie co układ, aby zredukować indukcyjność ścieżki (patrz rysunek 2). Kondensator 1 µF może być umieszczony kawałek dalej.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.2. Wykorzystywanie dolnej warstwy PCB do podłączenia do masy kondensatora 100 nF może skutkować zwiększeniem długości ścieżek i ma ujemny wpływ na jakość działania systemu.


    Duży kondensator filtrujący zasilanie także musi być wykorzystany w układzie. Wartość tego kondensatora musi być dobrana pod względem poboru prądu przez wzmacniacz. Powinien on być na płytce umieszczony tak, aby ścieżki zasilania rozchodziły się gwiaździście od jego nóżki dodatniej. Kondensator ten nie powinien znajdować się zbyt daleko od układu, najlepiej nie dalej niż 30 mm od pinu zasilania wzmacniacza.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.3. Umieszczenie kondensatora 100 nF w układzie - możliwie blisku pinu zasilania wzmacniacza

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.4. Umieszczenie kondensatora 1 µF w niedużej odległości od kondensatora 100 nF. Przelotki łączą kondensator 1 µF z wylewką masy/.


    Snubbery

    Elementy snubbera na wyjściu wzmacniacza muszą być umieszczone zaraz obok pinów wyjściowych układu wzmacniacza, zaraz obok kondensatorów filtrujących zasilanie. Występować musi możliwie krótka ścieżka pomiędzy wejściem, przez układ snubbera, do masy kondensatora filtrującego zasilanie, lub wejścia wzmacniacza w przypadku snubbera różnicowego.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.5. Elementy snubbera muszą znajdować się blisko układu. Rysunek pokazuje różnicowy snubber, umieszczony obok układu scalonego wraz z propozycją poprowadzenia ścieżek na PCB. Różnicowe snubbery stosuje się w układach mostkowych (BTL) gdzie obciążenie wzmacniacza podłącza się pomiędzy wyjścia dwóch kanałów wzmacniacza.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.6. Rysunek współbieżnego snubbera wraz z rysunkiem ścieżek na PCB. Takie snubbery charakteryzują się o wiele lepszymi parametrami pracy niż snubbery różnicowe.


    Kondensator elektrolityczny filtrujący zasilanie

    Kondensatory elektrolityczne wraz z cewkami filtrującymi powinny znajdować się na PCB za snubberem. Oczywiście kondensator ten powinien znajdować się blisko wejścia zasilania do końcówki mocy układu wzmacniacza.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.7. Sugerowane umieszczenie kondensatora elektrolitycznego filtrującego zasilanie.


    Połączenie pomiędzy kondensatorem a wejściem zasilania powinno być wykonane w topologii zbliżonej do gwiazdy, tak aby zminimalizować spadki napięcia wywołane obecnością innych układów podłączonych do tego samego kondensatora filtrującego. Szeregowe prowadzenie ścieżek zasilania do jednego kondensatora o dużej pojemności spowodować może przenoszenie się zakłóceń pomiędzy poszczególnymi układami czy przesłuch pomiędzy kanałami wzmacniaczy, nawet przy szerokich ścieżkach zasilania.

    Zasadniczo, jeśli w systemie jest więcej niż jeden scalony wzmacniacz audio pracujący w klasie D, każdy z nich powinien mieć swój osobny kondensator elektrolityczny. W takiej sytuacji cały układ musi być wykonany w topologii gwiazdy, gdzie punktem centralnym, gdzie zbiegają się ścieżki zasilania, jest przyłącze zasilania do układu.

    Generalnie, ścieżki przenoszące duży prąd, takie jak napięcie zasilania (VCC) czy wyjścia mocy, powinny być możliwie krótkie i szerokie. Pozwala to na minimalizację rezystancji i indukcyjności ścieżek. Dodatkowo, ścieżki te, z uwagi na wysokie napięcie i duży prąd, jaki przez nie płynie, powinny być prowadzone z daleka od czułych układów i obwodów takich jak zegary i pętle PLL z uwagi na możliwość zakłócania ich pracy.

    Filtry wyjściowe

    Filtr wyjściowy wzmacniacza musi być umieszczony blisko wyjścia. Tor pomiędzy wyjściem wzmacniacza, indukcyjnością i kondensatorem przenosi bardzo dużo sygnałów o wysokich częstotliwościach. Dlatego też ścieżki te muszą być możliwie szerokie i krótkie. indukcyjności filtra muszą znajdować się bezpośrednio przy wyjściu układu, ale z drugiej strony, jeśli są to nieekranowane cewki, muszą być oddalone o co najmniej 7,5 mm, aby ich pola magnetycznie nie wpływały na siebie nawzajem. Jest to szczególnie istotne przy cewkach różnych kanałów - niezachowanie tego wymogu mogłoby doprowadzić do przesłuchu pomiędzy kanałami.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.8. Rozmieszczenie elementów filtra wyjściowego w wzmacniaczu klasy D i (zaznaczone na czerwono) pętla sygnału wysokiej częstotliwości.


    Rozmieszczenie elementów filtra wyjściowego jest istotne z punktu widzenia minimalizacji generacji zakłóceń elektromagnetycznych. Pętla pomiędzy ścieżkami filtra dolnoprzepustowego powinna być minimalna. Dla wzmacniaczy niesymetrycznych powrotem prądu z obciążenia jest masa, więc pętla jest mała, ponieważ - o ile dobrze zrealizowano wylewkę masy - odległość ścieżki sygnałowej od masy jest niewielka.

    W przypadku wzmacniaczy w mostku sytuacja jest bardziej skomplikowana, ponieważ powierzchnię pętli wyznacza się pomiędzy kanałem w fazie i w przeciwfazie (parz rysunek piąty). Ścieżki wyjściowe obu kanałów powinny biec równolegle, obok siebie z minimalną tylko odległością pomiędzy nimi. Z drugiej strony należy unikać prowadzenia równolegle obok siebie ścieżek sąsiadujących kanałów wyjściowych.

    Kondensatory filtra dolnoprzepustowego i elementy sygnału współbieżnego powinny znajdować się możliwie blisko cewek wyjściowych. Kondensatory blokujące napięcie stałe na wyjściu (w przypadku niezmostkowanego wzmacniacza), powinny być umieszczone zaraz za indukcyjnością. Dalej, w niedużej odległości, znajdować powinien się konektor wyjściowy, pozwalający na podłączenie głośników.

    Projektowanie płytek drukowanych dla wzmacniaczy klasy D
    Rys.9. Przykładowe rozmieszczenie elementów i ścieżek na PCB czterokanałowego wzmacniacza audio w klasie D.


    Podsumowanie rekomendacji do projektów płytek drukowanych dla wzmacniaczy pracujących w klasie D

    * Priorytety umieszczania elementów na PCB:
    1) Kondensatory filtrujące zasilanie 100 nF.
    2) Kondensatory filtrujące zasilanie 1 µF.
    3) Elementy snubbera.
    4) Kondensatory elektrolityczne
    5) Elementy filtra wyjściowego.

    * Kondensatory filtrujące zasilanie powinny być umieszczone możliwie blisko pinów zasilania układu. Kondensator 100 nF nie dalej niż 2 mm od nóżek zasilania wzmacniacza. Elementy i ścieżki zasilania powinny być po tej samej stronie PCB co układ scalony wzmacniacza.
    * Kondensator 100 nF powinien być wielowarstwowym kondensatorem ceramicznym (MLC) z izolatorem X7R. Kondensator 1 µF powinien być tantalowy lub takiego samego typu jak 100 nF.
    * Układ snubbera powinien być możliwie blisko układu scalonego. Kondensatory snubbera powinny być na co najmniej 100 V. Powinny to być kondensatory z izolatorem X7R. Należy się upewnić, że oporniki w snubberze mają odpowiednią moc.
    * Korzystać powinno się z gwiaździstego prowadzenia ścieżek zasilania od wejścia zasilania poprzez nóżkę kondensatora filtrującego do układu wzmacniacza.
    * Ścieżki zasilania i wyjściowe powinny być możliwie krótkie i szerokie, w celu minimalizacji ich rezystancji i indukcyjności.
    * Sygnały wyjściowe powinny być prowadzone w parach, blisko siebie równoległymi ścieżkami. Elementy filtra wyjściowego powinny znajdować się blisko układu scalonego.
    * Większość elementów powinna znajdować się na warstwie górnej PCB. Dolna powinna być pokryta wylewką masy. Prowadzenie ścieżek zasilania i sygnałowych możliwe jest tylko wtedy, gdy na prawdę jest konieczne i nie ma innego wyjścia. Korzystaj z przelotek rozsądnie.
    * Układy i elementy niskonapięciowe powinny znajdować się po jednej stronie wzmacniacza, a wysokonapięciowe po drugiej.
    * Korzystaj z elementów SMD - mają mniejszą induktancję pasożytniczą.
    * Rozmieszczenie elementów wzmacniacza musi być dobrane ręcznie. Nie da się zautomatyzować projektowania tego rodzaju PCB.
    * W ogólności - ścieżki przenoszące duży prąd powinny być krótkie i szerokie. Dodatkowo, ścieżki takie jak linia zasilania i wyjście mocy powinny być prowadzone z dala od czułych obwodów z uwagi na możliwość wprowadzania do nich zakłóceń.
    * Korzystaj z wylewki masy

    Źródło: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274882&page_number=3


    Fajne! Ranking DIY
  • Sklep HeluKabel
  • #2 01 Sie 2015 10:36
    DJ Max
    Poziom 30  

    Jest bubel straszny na rys. 5.

  • Sklep HeluKabel
  • #3 01 Sie 2015 10:48
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Niestety nie mam jak go poprawić - taki jest w tekście.

  • #4 01 Sie 2015 11:41
    elektryku5
    Poziom 37  

    Cytat:
    Przykłady oparto o układ STA617B (wzmacniacz audio klasy D dostarczający 175 watów na kanał o dwóch wyjściach BTL).


    A nie przypadkiem STA517B?

    Tak przy okazji zrobiłem wzmacniacz w klasie D na jednostronnym PCB i działał, jednak pozostałem przy AB, bo nie emitują tyle syfu, klasa D ze sporym napięciem zasilania i dławikiem szpulkowym to była masakra pod tym względem.

    Próbował ktoś ten układ z tematu?

  • #5 01 Sie 2015 12:05
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    elektryku5 napisał:
    Cytat:
    Przykłady oparto o układ STA617B (wzmacniacz audio klasy D dostarczający 175 watów na kanał o dwóch wyjściach BTL).


    A nie przypadkiem STA517B?

    Tak przy okazji zrobiłem wzmacniacz w klasie D na jednostronnym PCB i działał, jednak pozostałem przy AB, bo nie emitują tyle syfu, klasa D ze sporym napięciem zasilania i dławikiem szpulkowym to była masakra pod tym względem.

    Próbował ktoś ten układ z tematu?


    Istotnie, chodziło o STA517B - głupia literówka.

    Jasne że prosty wzmacniacz małej mocy w klasie D można zrealizować na jednostronnym PCB - pewnie i na pająku by diałało. Kwestia tylko parametrów i właśnie wspominanego siania dookoła. No i też to na ile to możliwe zależy od częstotliwości kluczowania tranzystorów wyjściowych.

    W kolejnym artykule omówimy jeszcze jak projektować dla wzmacniaczy w klasie D filtry wyjściowe, więc kompendium wiedzy powinno być dosyć kompletne, jeśli chcesz wejść w tego typu konstrukcje.

  • #7 01 Sie 2015 13:49
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    DJ Max napisał:
    ghost666 napisał:
    Niestety nie mam jak go poprawić - taki jest w tekście.


    to ja zadziałam dla dobra kolektywu elektrodyjnego.


    Dzięki, zdjęcie umieściłem w oryginalnej wiadomości.

  • #8 01 Sie 2015 13:51
    deus.ex.machina
    Poziom 32  

    To ja poproszę by w przyszłości takie obrazki konwertować do gif lub png - jpg ładnie działa dla obrazów o strukturze tonalnej (gradienty itp) - w wypadku grafiki tego typu jak wyżej mamy piękną demonstracje efektu Gibbsa.

  • #9 01 Sie 2015 20:24
    elektryku5
    Poziom 37  

    ghost666 napisał:
    W kolejnym artykule omówimy jeszcze jak projektować dla wzmacniaczy w klasie D filtry wyjściowe, więc kompendium wiedzy powinno być dosyć kompletne, jeśli chcesz wejść w tego typu konstrukcje.


    Miło będzie poczytać, może znajdzie się jakaś alternatywa, bo aktualnie niestety w miarę dostępny jest tylko materiał #2 (i tak tylko wysyłkowo), a inne stosunkowo łatwo nasycić, dławik proponowany przez IR z kolei jest drogi.

    Całkiem popularny jest układ IRS2092 i producent wypuścił też do niego kilka ciekawych dokumentów.

  • #10 10 Wrz 2015 17:09
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    elektryku5 napisał:
    ghost666 napisał:
    W kolejnym artykule omówimy jeszcze jak projektować dla wzmacniaczy w klasie D filtry wyjściowe, więc kompendium wiedzy powinno być dosyć kompletne, jeśli chcesz wejść w tego typu konstrukcje.


    Miło będzie poczytać, może znajdzie się jakaś alternatywa, bo aktualnie niestety w miarę dostępny jest tylko materiał #2 (i tak tylko wysyłkowo), a inne stosunkowo łatwo nasycić, dławik proponowany przez IR z kolei jest drogi.


    Zapraszam do czytania - https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3086657.html