Усилитель класса D на TAS5630 - реальный опыт

[TheMad]

Доброго времени суток!
Поиском по форуму было найдено несколько упоминаний про усилители с применением микросхемы TAS5630, но (может, плохо искал?) нет ни одного описания реального опыта построения усилителя на ней.
У меня с ней отношения складываются не очень гладко, расскажу по порядку.
Сделан был усилитель на ней по типовой схеме. Номиналы деталей равны рекомендуемым, выходные катушки - 12 мкГн с током насыщения 14 А (измерял лично). Разводка - как рекомендовано, текстолит с фольгой толщиной 70 мкм.
Режим питания - пониженый до 40В, ибо не нужна мне полная ее мощность и хочется получить высокую надежность всей конструкции.
Злоключения мои начались ровно с того момента когда я начал испытывать работу защиты от перегрузки\КЗ по выходу - микросхема при этом моментально отдала душу своему кремниевому богу. Причина - пробой одного из выходных транзисторов, звонится тестером накоротко.
Проанализировав даташит на более раннюю TAS5261, которая представляет собой только выходной каскад, увидел что внутренние блок-схемы у них идентичны и у TAS5630 ничего не добавлено внутрь для защиты выхода от импульсов самоиндукции на катушках при срабатывании внутренней защиты от перегрузки. Однако, в типовой схеме включения TAS5261 защитные диоды на напряжение 62 вольта стоят на обеих выходных ногах, а в типовой схеме для TAS5630 их нет.
Далее были установлены защитные диоды на напряжение 30 В (других временно не было), снижено напряжение питания до 26В и усилитель долго гонялся " на убой" для испытаний, которые он с честью выдержал: сопротивление нагрузки на каждый канал 3.6 Ом, входной сигнал такого уровня что на выходе почти прямоугольник, температура кристалла доводилась до срабатывания внутренней защиты от перегрева.
Также на этом макете было установлено что для уменьшения тока срабатывания внутренней защиты по току надо увеличить Roct, экспериментально было получено что при R=30 к ток срабатывания защиты около 15А, при 47 к - около 12 А, а при 62 к - около 10 А, то есть форма характеристики аналогична приведенной в даташите на TAS5261. Решено было, опять же для надёжности, ограничить ток срабатывания защиты циферкой 15А. Далее в макет были поставлены защитные диоды на 47 В, напряжение питания поднято до 40 В и он живет счастливо (но долго ли проживёт?).
Параллельно с этим на такой же плате такая же микросхема без видимых причин выходит из строя примерно за полсекунды после подачи входного сигнала при работе на ту же самую нагрузку (2 сборки из большого количества 20-ваттных резисторов, на концах идущих к макету проводов сопротивление 4.1 Ом, индуктивность порядка 1.5 мкГн).
Сами техасцы-инструмантальщики на вопросы по поводу защиты отвечают медленно и односложно, из разряда "наши чипы очень надежны, выходной каскад с запасом расчитан на то что там может произойти при срабатывании внутренней защиты по току".
Расскажите и вы о вашем реальном опыте работы с этой микросхемой, потому как порой возникает ощущение мистичности происходящего. Может, совет из серии "поставь резистор на 100 ГОм между плюсом питания и землей" спасет ситуацию.
Спасибо!

[81bas]

плата двусторонняя? керамика стоит как по датащиту?

[Nikolay_Po]

...выходные катушки - 12 мкГн с током насыщения 14 А (измерял лично)...
...Решено было, опять же для надёжности, ограничить ток срабатывания защиты циферкой 15А...

Мне кажется некорректным выставление порога срабатывания защиты по току выше тока насыщения выходных дросселей. Защита быстра, но не бесконечно. ИМХО, лучше, если она бует срабатывать раньше, чем насыщение будет достигнуто.

Если конструктив без ошибок в шунтировании питания, в схеме, номиналах и топологии выходных фильтров, то при соблюдении температурного режима будет работать надёжно. Да, чуть не забыл, защита по току должна быть настроена корректно, с учётом возможного падения тока насыщения дросселей при прогреве магнитопроводов оных (нужно смотреть в том числе и на характеристики материала магнитопровода). Иначе, при насыщении дросселя, ток начинает расти экспоненциально и очень быстро. Защита сработает, но момент может быть упущен. Хорошее правило настраивать защиту хотя бы на 5, а лучше на 15-10% ниже самого низкого возможного тока насыщения дросселей. ИМХО.

[TheMad]

81bas
Двухсторонняя, толщина фольги 70 мкм как в рекомендациях ТИ. Я вообще удивлен такой плотностью тока через выводы м\с. Могли бы и побольше корпус сделать, с выводами потолще.
Nikolay_Po
Сейчас понял что ошибался с данными измерений тока срабатывания защиты по току. Она себя как-то странно ведет: при повышении сопротивления Roc сначала ток срабатывания падает, потом снова возрастает. Нуждается в дополнительном исследовании вопрос сей. Вообще, судя по неполной информации в даташите по некоторым вопросам, кажется мне что микросхема сыровата.
За идею с насыщением катушки спасибо, завтра измерю ток насыщения нескольких экземпляров - вдруг у них разброс большой.
Но у меня тут лежит плата от компании мастеркит, на ней стоит TAS5261 и две катушки типа CDRH27 (судя по виду и размерам), имеющие rated current 5.4 или 6.7 А, которая работает надежно на максимальной (300Вт\4Ом) мощности. У них, правда, в даташите интересное определение rated current: это ток который вызывает падение индуктивности на 25% или подъем температуры на 40 градусов.
Чувствую что будет завтра у меня день измерения тока насыщения катушек. Сегодня уже не буду - поздно.

[IVX]

мы пробовали TAS5630DKD, ужасно чувствительна даже не к статическому электричеству (от куда бы ему взяться влажным летом?), а уже просто к небольшим наводкам, типа не заземлённый паяльник выбивает IC на не подключенной РСВ - это уж через чур, выпускать такое в масспродакшн самоубийственно. А главное, не получено и близко обещанных THD & S/N, хотя мощность обещанную вроде держала какие-то секунды, КПД опять же низковат, как надёжно может сеять такая пуговица такие Вт хз. В итоге взяли новый чип филипс TDA8954, где всё надёжно и все спеки совпали с реальностью на 100%.

[TheMad]

IVX
Спасибо!
У нас немного другая ситуация: КНИ и отношение сигнал\шум мало волнуют - усилитель будет использоваться для очень громкого мегафона. Наводкам\статике на его вход не попасть, на выходе - защитные диоды прямо на ногах м\с. 8954 - штука хорошая, но требует двуполярного питания, чем усложняет конструкцию входного преобразователя. Да и прошлый небольшой опыт использования более ранней TAS5261 показал что она практически неубиваема. Также здравый смысл подсказал что если микросхема выпускается уже больше года то она кому-то нужна, и если они будут лететь как мухи - ее быстро снимут с производства или заменят на что-то более надёжное.
А нельзя ли подробности вашей схемы\разводки?

[Nikolay_Po]

Но у меня тут лежит плата от компании мастеркит, на ней стоит TAS5261 и две катушки типа CDRH27 (судя по виду и размерам), имеющие rated current 5.4 или 6.7 А, которая работает надежно на максимальной (300Вт\4Ом) мощности. У них, правда, в даташите интересное определение rated current: это ток который вызывает падение индуктивности на 25% или подъем температуры на 40 градусов.

Писал про насыщение, забыл, что это не трансформаторы, а дроссели, и их магнитные материалы обычно имеют плавную кривую насыщения, когда нет ярко выраженного перелома на графике индукции/напряжённости магнитного поля. Да, у них при повышении тока плавно падает индуктивность.
ХМ... Что бы я сделал: создал модель дросселя с сердечником с похожей характеристикой (нужно внимательно изучить документацию на дроссели и их магнитный материал) и смоделировал в симуляторе (когда-то пользовался MicroCap-V) рост тока при долго открытом силовом ключе и макс. напряжении питания. Найдя точку, в которой достигнут лимит тока, нужно отступить от неё назад, по оси времени, на время срабатывания защиты. Получившийся уровень тока дросселя использовать как порог срабатывания защиты, при этом заложив все допуски - на стабильность порога срабатывания в самой ИМС, на отклонения параметров дросселей. Добавить разумный запас. Только так можно обеспечить надёжность.
Да, диоды Вы правильно догадались поставить! +1.

[MikeF]

Offтопик:

взяли новый чип филипс TDA8954, где всё надёжно

интересно такие у нас купить можно без всяких килоколичеств и тому подобного

[TheMad]

Nikolay_Po

Да тут модель не особо нужна, все расчеты очень просты для прикидок в голове. Единственная формула которая используется - dI\dt=U\L. Область насыщения нас не интересует, когда мы видим что в нее заходим - катушку данного типа мы просто не используем.
А теперь расскажу о только что проведенных измерениях и покажу картинки. Для оценки индуктивности насыщения катушки ставились в макет степ-ап преобразователя, в истоке ключевого транзистора которого установлен резистор сопротивлением 0.01 Ом +-1%. С резистора сигнал кусочком коаксиального кабеля подавался на 50-омный вход осциллографа с достаточной полосой пропускания . В том месте где, по моему мнению, находится ток выше которого я считаю что лучше не гнать, я поставил маркеры на экране прибора. Напряжение между ними хорошо видно в правом верхнем углу. Итак, катушка на 12 мкГн которую я использую при работе с TAS5630:

По крутизне нарастания тока можно сказать что к 20 амперам она теряет примерно половину своей индуктивности.
При разогреве катушки до 100 град. картинка на экране не изменилась.
По даташиту на 5630 время срабатывания защиты - 150 нс. Напряжение питания у меня 40 вольт, защита настроена на 15А. Прикинем, какой ток в катушке будет в худшем случае в момент когда защита сработает. Под худшим случаем принимаем КЗ на землю или питание: тогда к катушке приложено все напряжение питания минус небольшое падение на транзисторе в составе 5630, которое по сравнению с питанием пренебрежимо мало.
Ток который добавится в катушку будет равен U*Tсраб\L, то есть 40В*150нс\12мкГн=0.5 А. Вместо 15 ампер будет 15.5. Как слону дробинка. Особенно если учесть что рекомендуемый ток срабатывания защиты 19А. Даже если это будет происходить в районе 20А, где реальная индуктивность катушки меньше вдвое, добавится не 0.5 А а 1.
Теперь возьмём серийный модуль, производимый фирмой "мастеркит" на TAS5261. Там стоят 2 катушечки по 10 мкГн. Этот модуль развивает, как заявлено, 300 Вт на нагрузке 4 Ом. И он их развивает без видимых осциллографом искажений, при питании 50В и нагрузке 4 Ом.
Аккуратно отпаиваем одну катушечку и засовываем в макет.
Смотрим...

И видим, что ее ток насыщения болтается где-то между 8 и 10 А.
При этом на этом модуле исправно работает защита от КЗ - сам коротил около сотни раз что между собой, что на плюс, что на минус при различных напряжениях питания в пределах рабочих и различном уровне входного сигнала.
Есть ли еще идеи?

[Nikolay_Po]

TheMad, исследование исчерпывающее. Катушки подходят 100%.
Жаль, у меня нет этого самого реального опыта .

Если с микросхемой всё так красиво, как уверяет производитель, то гореть может по другим причинам: конструктив с ошибками. Может, при большом токе выхода и срабатывании защиты, то есть, резком ступенчатом перепаде тока питания, на земле появляется большая наводка (или наводка между сигнальной и силовой землями) и микросхема сгорает "по входу", а не "по выходу". Только как версия... Фото тестовой конструкции без радиатора покажете?

Offтопик:
Между 0.01Ом и кабелем можно было 50Ом поставить - звона, может, по-меньше было бы.

[TheMad]

Вот картиночка с выходной частью:


И снизу:


Фото еще первого усилка, без диодов. Сейчас уже рядом его нет, завтра откручу и сфотографирую получше.

Дорожки:




Фольга, как и рекомендовал ТИ, 70 мкм.
У меня вообще вызывает некоторый когнитивный диссонанс ток 19А и такой корпус микросхемы, в особенности пускание этого тока по одной ноге, но прогресс не остановить.

50-омным "антизвонным" резистором не хотел вносить дополнительную погрешность в измерение тока. Да и так картинки получились вполне нормальные, по ним всё что надо более чем видно

[81bas]

PRINTED CIRCUIT BOARD RECOMMENDATION
Use an unbroken ground plane to have a good low-impedance and -inductance return path to the power supply
for power and audio signals.
(http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tas5630.pdf, стр. 25)

Вижу, что эту рекоммендацию от Техаса, выпускающего "сыроватую" продукцию, Вы полностоью проигнорировали и сделали по-своему, совершенно не похоже на референсный дизайн от производителя. Выводы PGND и AGND у этой микросхемы внутри никак не соединены и теперь представте себе, какие разности потенциалов там возникают при Вашей "оригинальной" разводке земли...

[TheMad]

81bas
Завтра вместо радиатора попробую прикрутить толстую пластину толщиной милиметров 8, откроются ноги микросхемы и я посмотрю что там между землями делается.
У вас есть реальный успешный опыт использования данной м\с?

[81bas]

юзал только как прототип... т.е. собрал, послушал и закинул за неимением времени (сын родился). Ни одной микрухи не сдохло. Юзал бесплатные сэмплы. Плату делал ЛУТом, поэтому получилось фиговенько на вид и уровень шумов высоковат, хотя ground plane была...
В Вашем варианте платы я бы попробовал соединить короткими ровными перемычками земляные проводники PGND (там где припаяна керамика) с землей под микросхемой. Должно помочь от всех проблем, я думаю...

[TheMad]

соединить короткими ровными перемычками земляные проводники PGND (там где припаяна керамика) с землей под микросхемой. Должно помочь от всех проблем, я думаю...

Это будет опробовано завтра.
При толщине фольги 70 мкм производство дает возможность сделать минимальный проводник 0.31 мм и такой же зазор между ними, что при шаге выводов 0.65 мм накладывает ограничения на размашистость граундплейна.
У вас какая толщина фольги была?
Пробовали ли делать КЗ нагрузки?

[81bas]

У вас какая толщина фольги была?
Пробовали ли делать КЗ нагрузки?

толщина была 30 мкм, правда в результате многочисленных экспериментов в итоге все оказалось залуженным слоем олова, поэтому не знаю что там по толщине получилось...
были и КЗ, и перегревы, и самовозбуды (керамики не было нужной емкости сперва)...

[TheMad]

Удельное сопротивление олова в 6 раз больше чем у меди, а свинца - в 12 раз. Так что чтобы улучшить проводимость дорожки толщиной 30 мкм вдвое на нее надо нанести порядка 0.5мм ПОСа.
Как показали эксперименты, 5630 все равно какой емкости по питанию оконечников стоят керамические конденсаторы: сигнал на выходе ничем не отличается при 2.2 мкф и 0.47, меньше не пробовал.
Кстати, все керамические конденсаторы большой емкости теряют емкость под напряжением. Некоторые - значительно.

[TheMad]

81bas
Спасибо за подсказку про земли. Все оказалось именно из-за них, но немного не так как вы сказали.
Меня смутило то что на одной из двух на первый взгляд идентичных плат все работает как часы, а на второй микросхемы сгорают. Также меня смутило то что на форуме e2e.ti.com было сообщение типа "купили eveluation board, включили, дали сигнал и она сразу сгорела". Последним гвоздём были односложные и запоздалые ответы от ТИ, ибо я думаю что человек, связанный с разработкой этой микросхемы сразу сказал бы в чем дело.
Начал смотреть что творится между землями и увидел что разница есть, и существенная. Причиной этого было то что переходные отверстия по земле были в части своей плохо прометаллизированы, а в одной из плат (той, на которой микросхемы сгорали) отверстия для крепящих радиатор к микросхеме винтов были рассверлены немного, так как на полмилиметра не совпали с отверстиями в радиаторе, который использовался с той платой. Вот эта снятая металлизация и вбила гвоздь в гроб микросхемы.
А гвозди вбивались следующих форм и размеров, и это только на холостом ходу:

Попутно выяснилось что при понижении рабочей частоты до 300 кГц выход READY начинает вести себя немного странно: при начале клиппирования на нем появляются короткие импульсы нолика, длительностью десятки мкс. И это происходит только в начале клиппирования, если добавить еще сигнала - они исчезают. На 400 кГц READY стоит как вкопанный.
Да, и защитные диоды по выходу все-таки нужны. Без них выхода из строя не происходит, но наблюдается срабатывание встроенной защиты при мЕньшем значении выходного тока чем с ними при работе на индуктивную нагрузку и сложном входном сигнале (речь, музыка).
И все же для меня загадка, почему инженеры ТИ выбрали для такой мощности такой маленький корпус микросхемы и не объединили земли внутри.
Всем спасибо за обсуждение!

[Nikolay_Po]

TheMad, спасибо за отчёт. Значит, верно угадал причину со второй попытки .

---------- Добавлено в 12:03 ---------- Предыдущее сообщение в 11:58 ----------

50-омным "антизвонным" резистором не хотел вносить дополнительную погрешность в измерение тока. Да и так картинки получились вполне нормальные, по ним всё что надо более чем видно

На самом деле меня сильно настораживают любые "звоны" и приходится гадать в чём дело - в пробнике или в схеме... Подключение резистора должно устранить звон. Если откалибровать получившийся делитель постоянным напряжением (батарейкой и вольтметром), точность измерений только вырастет. Так что здесь не согласен с Вами.

[TheMad]

На самом деле меня сильно настораживают любые "звоны" и приходится гадать в чём дело - в пробнике или в схеме... Подключение резистора должно устранить звон. Если откалибровать получившийся делитель постоянным напряжением (батарейкой и вольтметром), точность измерений только вырастет. Так что здесь не согласен с Вами.

Да это был первый попавшийся под руку валяющийся годами в барахле макет импульсника, который можно было использовать для оценки тока насыщения катушек этим способом. Видели бы вы его - страшно стало бы, уверяю.

Ну и конечно же раньше всё было лучше. Никакого звона, вся техника на лампах, конденсаторы только бумажные и плёночные. А то понавыдумывали ереси всякой богомерзкой с импульсами-фигимпульсами, процессорами-супрессорами...фу!