Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Minimalizacja wielkości indukcyjności w samochodowych systemach audio

ghost666 04 Nov 2017 22:07 1755 2
Computer Controls
  • W dzisiejszych czasach nie możemy włączyć telewizora, poczytać prasy branżowej czy zajrzeć na stronę o technologii, nie słysząc czegoś o wszechobecnej miniaturyzacji systemów elektronicznych. Podobno teraz mniejsze znaczy lepsze. Tak przynajmniej twierdzą producenci elektroniki - smartfonów, telewizorów, laptopów etc.

    Oczywiście to podejście dotyczy nie tylko wymienionych wyżej sektorów. Podejście takie dotyczy także np. samochodowych systemów audio. W poniższym artykule skupimy się na miniaturyzacji wzmacniaczy klasy D, często stosowanych w samochodach. W szczególności skupimy się na zmniejszaniu wielkości i wagi indukcyjności, wykorzystywanych w tego rodzaju układach.

    Wstęp

    Stosowane w multimedialnych systemach samochodowych wzmacniacze klasy D potrzebują na wyjściu filtra. filtr ten składa się z dwóch elementów - kondensatora i cewki - na każdym wyjściu. Tego rodzaju filtr nazywany jest filtrem LC. Odpowiedni dobór wartości tych elementów jest konieczny, aby wzmacniacz zachował swoje parametry, moc wyjściową, wydajność energetyczną oraz spełniał wymagania zgodności elektromagnetycznej (EMC) czy emisji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Dodatkowo producent dobierając te elementy stara się, aby ich koszt był minimalny. Nie bez znaczenia pozostaje także rozmiar tych elementów, jako że bardzo często instalowane one są w niewielkiej przestrzeni, jaką oferuje radio samochodowe.

    Na rysunku 1 zaprezentowano typowy wzmacniacz D skonfigurowany do pracy mostkowej - obciążenie w nim wpięte jest pomiędzy dwa wzmacniacze działające w przeciwfazie. Tego rodzaju konfiguracja jest często spotykana w samochodowym audio z uwagi na ograniczone napięcie zasilania tych systemów - taka konfiguracja pozwala na uzyskanie maksymalnej mocy. Tego typu system wymaga dwóch cewek na kanał (głośnik), jak widać na schemacie.

    Minimalizacja wielkości indukcyjności w samochodowych systemach audio
    Rys.1. Schemat ideowy zmostkowanego wzmacniacza klasy D.


    Czemu małe indukcyjności są ważne?

    Producenci samochodów dodają do tych pojazdów coraz więcej systemów elektronicznych, a przestrzeń na nie pozostaje niezmienna. Oznacza to, że producenci poszczególnych systemów elektronicznych do aut muszą projektować coraz mniejsze moduły. Dodatkowo wszystkie te elementy składowe muszą być coraz mniejsze, aby samochody były lżejsze w celu zmniejszenia zużycia paliwa.

    Istnieje wiele sposobów na zmniejszenie rozmiaru i wagi urządzeń audio pracujących w klasie D, a zmniejszenie indukcyjności w wyjściowym filtrze LC jest jednym ze sposobów.

    Typowy system nagłośnienia samochodowego posiada co najmniej cztery kanały wyjściowe - dwa dla przodu i dwa dla tyłu. Oznacza to, że aby każdy z tych głośników wysterować systemem jaki zaprezentowano na rysunku 1, potrzebne jest co najmniej osiem cewek na płytce drukowanej. Są to elementy dosyć duże i zajmować one będą sporą część powierzchni PCB w takim układzie, szczególnie że jest ich aż osiem.

    Wymiar indukcyjności a częstotliwość przełączania wzmacniacza

    We wzmacniaczach klasy D o wartości indukcyjności cewki wyjściowej w filtrze LC decyduje częstotliwość przełączania sygnału z modulowanym wypełnieniem (PWM). Filtr wyjściowy musi być tak dobrany, aby móc poprawnie demodulować sygnał PWM na wyjściu. na rysunku 2 zaprezentowano porównanie dwóch indukcyjności - po lewej cewka 8,2 µH stosowanej we wzmacniaczach o częstotliwości kluczowania sygnału równej 400 kHz, a po prawej szereg cewek 3,3 µH różnych producentów. Cewki pokazane po lewej stronie stosuje się we wzmacniaczach o częstotliwości kluczowania równej 2,1 MHz. Są one wyraźnie mniejsze i z pewnością lżejsze niż cewka 8,2 µH. Przykładowym wzmacniaczem klasy D, dedykowanym do motoryzacji, jaki osiąga częstotliwość przełączania wyjścia na poziomie 2,1 MHz może być TAS6424-Q1 produkowany przez Texas Instruments.

    Wzmacniacze o częstotliwości przełączania na poziomie 400 kHz stosują typowo indukcyjności od 8,2 µH do 10 µH w wyjściowym filtrze LC. Z kolei z układami o częstotliwości 2,1 MHz stosowane mogą być cewki o indukcyjności równej od 3,3 µH do 3,6 µH (przy tej samej mocy wyjściowej).

    Minimalizacja wielkości indukcyjności w samochodowych systemach audio
    Rys.2. Porównanie rozmiarów różnych cewek dedykowanych do wzmacniaczy klasy D o różnej częstotliwości kluczowania.


    Co ma wpływ na wagę cewki?

    Różnica w wadze cewki o indukcyjności 8,2 µH a 3,3 µH wynika głównie z samej różnicy rozmiarów - mniejsza cewka ma w sobie po prostu mniej materiałów: mniej miedzianego uzwojenia i mniej rdzenia, przy tych samych parametrach elektrycznych co większa. Jak pisaliśmy wyżej, typowe radio samochodowe ma wewnątrz co najmniej osiem takich indukcyjności. Porównanie zaprezentowane na rysunku 3 doskonale pokazuje, jak dużą różnicę wielkości układu uzyskać można, zmieniając częstotliwość kluczowania układu na wyższą.

    Minimalizacja wielkości indukcyjności w samochodowych systemach audio
    Rys.3. Porównanie wielkości cewek dla typowego czterokanałowego wzmacniacza klasy D dla dwóch częstotliwości przełączania wyjścia.


    Jeszcze mniejsze indukcyjności dzięki nowoczesnym materiałom

    Indukcyjności wykorzystywane w wzmacniaczach klasy D, wykonywane są zazwyczaj w klasyczny sposób - jest to emaliowany miedziany drut nawinięty na ferrytową cewkę. Jeśli stosujemy wyższe częstotliwości przełączania, co umożliwia stosowanie cewek o mniejszej indukcyjności w filtrach wyjściowych, sięgnąć możemy po indukcyjności z nowoczesnych materiałów, które są jeszcze mniejsze od typowych elementów tego rodzaju. Na rysunku 4 pokazano przykład takiego elementu - cewkę stopową, która nie dość że jest istotnie mniejsza od konkurencyjnych elementów to także jest od nich istotnie lżejsza. Zastosowanie tego rodzaju elementów w układzie powoduje, że będzie on lżejszy i bardziej kompaktowy, co jak zaznaczaliśmy jest w systemach samochodowych niezwykle istotne.

    Minimalizacja wielkości indukcyjności w samochodowych systemach audio
    Rys.4. Miniaturowe cewki stopowe, wykorzystywane do konstrukcji czterokanałowego wzmacniacza audio w klasie D.


    Podsumowanie

    Wyższa częstotliwość przełączania we wzmacniaczach klasy D pozwala na wykorzystanie mniejszych elementów w konstrukcji wzmacniacza. Jest wiele dostępnych na rynku układów, które pracują przy wysokiej częstotliwości, takie jak na przykład TAS6424-Q1 od Texas Instruments, który pracuje z częstotliwością kluczowania równą 2,1 MHz. Tego rodzaju układy są przyszłością wzmacniaczy samochodowych; dzięki ich wykorzystaniu można projektować coraz mniejsze i lżejsze urządzenia do naszych aut.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/10/12/forget-the-tiny-homes-craze-have-you-heard-about-tiny-inductors-for-automotive-class-d-amplifiers

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11302 posts with rating 9540, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls
  • #2
    User removed account
    User removed account  
  • #3
    exoper
    Level 12  
    Samochód osobowy to środowisko które z założenia cechuje sie dużą ilością szumów takich jak pęd powietrza, inne pojazdy, dźwięk silnika, więc jakość dźwięku nie jest tutaj sprawą krytyczną. A podniesienie częstotliwości kluczowania we wzmacniaczach klasy D teoretycznie powinna podnieść jakość wzmacnianego sygnału. Wynika to z faktu że dla częstotliwości z zakresu audio (20Hz~20kHz) dla 2,1Mhz przypada więcej próbek niż przy 400kHz. Dla przykładu dla sygnału wejściowego 20kHz przy wzmacniaczu pracującym na 400kHz przypadnie nam 20 próbek na okres sygnału wejściowego, a przy 2,1MHz jest to już ponad 1000 co korzystnie wpływa na jakość odtworzonego sygnału.