Импульсный самоосциллирующий усилитель (soAmp) Oriel Indra

[Electrovoicer]

Индра - в ведической религии наиболее почитаемое божество, предводитель, царь богов, громовержец и устроитель мира. В правой руке бог обычно держал молнию, которой разил врагов или возрождал погибших в бою; он мчался по небу в колеснице, нередко отождествляемой с солнцем. Бросив вызов старому порядку, он стал ведущим божеством, более главным по сравнению с ведийским богом Варуной. Кроме того, считается, что Бог Индра низводит из облачных гор стремительные потоки дождя и, собирая их в особые вместилища, творит земные источники, ручьи и реки, умножает их воды, роет для них широкие русла и направляет их бег.
(с) Энциклопедия Мифологии



В связи с интересом участников форума к данной работе, решил завести отдельную тему вопросов и ответов. Постепенно буду наполнять.
История разработки моего усилителя начинается в 2009г, когда коллеги по клубу автозвука познакомили меня воочию с голландскими усилителями Hypex UcD, разработанными Бруно Путцей и попросили создать автомобильный БП для них. БП был разработан, результат не был абсолютно радостным. Эти великолепные по замыслу и реализации усилители проявили себя, как достаточно чувствительные к качеству источника питания, что затрудняло возможность их применения в автомобильных автозвуковых проектах. Начались поиски решения.

Что же такое импульсный самоосциллирующий усилитель (Self-Oscillating Amplifier), по ошибке часто называемый цифровым? Это такая топология усилителя, когда он, самовозбуждаясь, и используя ключевой режим работы выходного каскада, воспроизводит на выходе усиленный входной сигнал, представляющий собой проинтегрированную выходным LC-фильтром последовательность импульсов. Как правило, частота импульсов составляет около 350-700 кГц (для полнополосного усилителя), а ширина варьируется в соответствии с уровнем сигнала на входе.

А начиналось все вот с этого прототипа, который помог мне разобраться с базовым принципом работы и определить дальнейший путь...

25.06.12
Первый прототип на печатной плате


03.03.2013 Промежуточная версия, дискретная силовая часть, усилитель разделился на две платы.


10.06.2013 Промежуточная версия, эксперименты с выходным фильтром и модулятором


10.11.2013 Появились заказные индуктивности с высокой SRF (~30MHz)


15.12.2013 Собраны и отгружены заказчику первые три усилителя с усовершенствованной силовой платой. Система установлена в автомобиль премиум-класса взамен штатной 16ти-канальной системы Burmester

Что должно быть на выходе правильного импульсного усилителя. Синусоидальные остатки несущей без коммутационных ВЧ-помех, полоса 150МГц


Схема силовой части UcD_power_stage_B.PDF и модулятора UcD_Modulator_A2.PDF

25.03.14
Предсерийный вариант Oriel Indra

Спектр по аналоговому входу, 10 Ватт 4 Ома:


IMD 1 Ватт, 4 Ома


Серийные Indra Mono V2.1

[sousmanster]

Да и силовые трансформаторы на их базе бы знатные вышли

[Electrovoicer]

Да и силовые трансформаторы на их базе бы знатные вышли

одно "но" - эти конкретные на 1.5-2МГц оптимизированы, и еще не окончательный факт, что я перейду, в итоге, на мегагерцы, впереди ряд экспериментов

[sousmanster]

тоже думал на МГц заскочить, но получилось оптимально около 750к. Тяжеловаты ключи, Qgt 15нКи снабберы кипятятся

[Electrovoicer]

тоже думал на МГц заскочить, но получилось оптимально около 750к. Тяжеловаты ключи, Qgt 15нКи снабберы кипятятся

у меня не предполагается ни снабберов, ни шоттки, всё должно получиться либо с КПД>98%, либо не получиться )) не должно быть никогда разрывных токов, в частности, ну и заскакивать на мегагерцы надо на другом феррите

[sousmanster]

Offтопик:
Павел, возможно подскажите, как измерить собственный резонанс катушки.
интересно посмотреть что получается при разных вариантах намотки.

[Electrovoicer]

Offтопик:
Павел, возможно подскажите, как измерить собственный резонанс катушки.
интересно посмотреть что получается при разных вариантах намотки.

Я использую векторный анализатор цепей, так как способы с наблюдением осцилляции при закрытии ключа очень не точны.
С помощью VNA можно непосредственно наблюдать комплексный импеданс пассивных (и не только) компонентов.
Кроме того, VNA позволяет измерить импеданс шины питания прямо в плате, что позволяет оптимизировать топологию и осуществить оптимальный выбор блокировочных конденсаторов под конкретную задачу.
Как пример - модуль импеданса для шины питания одной из плат:

в нижней точке, на частоте около 650кГц, модуль импеданса составляет 50Ом/2/72дб = около 6 миллиом.

[Versum]

Павел, очень рад за Вас в связи с реализацией такого интересного проекта. Так быстро пролетело пять лет...
Подскажите, пожалуйста:
1. Это будет только усилительный модуль или есть варианты готового устройства (полноценного усилителя с входными модулями и блоком питания), как например Hypex Fusion?
2. Будут ли модули входного буфера?
3. Какие блоки питания планируется использовать?
3.1. Однополярные, двухполярные?
3.2. В каком диапазоне напряжений?
3.3. Можно ли использовать аккумуляторы?

Когда мы уже сможем оценить соответствие качеству?

воспроизведения на уровне топового А или АБ класса.

[Electrovoicer]

Павел, очень рад за Вас в связи с реализацией такого интересного проекта. Так быстро пролетело пять лет...
Подскажите, пожалуйста:
1. Это будет только усилительный модуль или есть варианты готового устройства (полноценного усилителя с входными модулями и блоком питания), как например Hypex Fusion?
2. Будут ли модули входного буфера?
3. Какие блоки питания планируется использовать?
3.1. Однополярные, двухполярные?
3.2. В каком диапазоне напряжений?
3.3. Можно ли использовать аккумуляторы?

Когда мы уже сможем оценить соответствие качеству?

Я сейчас занимаюсь подготовкой к производству довольно крупного коммерческого заказа, именно этот заказ позволит сделать доступной для широкого круга новую технологию. Какие будут варианты конечных устройств - покажет время. Главное - разработать и внедрить в производство новую ключевую технологию, которая оказывается не так уж и проста в реализации, с учетом технологических ограничений, довольно сложных миниатюрных печатных плат, вакуумной заливки специальными компаундами, борьбы с ЭМС, оптимальных режимов драйверов ключей и пр. Сейчас главное - довести до ума этот кирпичик, из которого потом можно многое построить. На конец марта планирую выход опытной партии, а там дальше видно будет. Сегодня сжег еще два пробных модуля, но с толком, определял SOA, результаты обнадеживают и озадачивают одновременно.

[Ломатель]

Мало кто делает на GaN по-настоящему крутые штуки. GaN относят к силовой электронике и в головах не укладывается, что фронты по 1нс это уже СВЧ с соответствующей квалификацией и измериловкой, а не просто силовая электроника

[DrModd]

результаты обнадеживают и озадачивают одновременно.

Чуть поподробнее?

[Electrovoicer]

Мало кто делает на GaN по-настоящему крутые штуки. GaN относят к силовой электронике и в головах не укладывается, что фронты по 1нс это уже СВЧ с соответствующей квалификацией и измериловкой, а не просто силовая электроника

Ну пока что фронты по 2.5нс, транзисторы довольно жирные но скажу однозначно - без многолучевого осциллографа с полосой не меньше 1ГГц с активными щупами и векторного анализатора цепей сделать хорошее надежное устройство проблематично. Хочется сделать кирпичик, где все сложные проблемы решены внутри, с помощью которого многие любители смогут построить много разных конструкций.

---------- Сообщение добавлено 23:46 ---------- Предыдущее сообщение было 23:46 ----------

Чуть поподробнее?

600 Ватт выдержал без теплоотвода непродолжительное время

[angnkn]

Мало кто делает на GaN по-настоящему крутые штуки.

"Вероятные партнеры" не дремлют!
Кстати, разработчик вроде уроженец России.

[Electrovoicer]

"Вероятные партнеры" не дремлют!
Кстати, разработчик вроде уроженец России.

Они привязаны к параметрам чипов LMG5200 (80В, но 10А макс, т.е. 200 ватт на 4 или 8 Ом), которые к тому же стоят по 10 долларов мелким оптом, а их вам надо 4шт минимум для стерео, не считая обвязки и какого-то вменяемого контроллера дед-тайма. Я отказался от этой затеи, не будет развития линейки на разные мощности. LMG5200 хороший чип, но для других применений. Если что, они у меня были еще в инженерных сэмплах до выхода в серию, года три назад.

[лысый]

и еще не окончательный факт, что я перейду, в итоге, на мегагерцы, впереди ряд экспериментов

Мегагерцы на выходе - это красиво и здорово, но вызывает сомнения практическая целесообразность туда лезть.

[ppy_]

Мегагерцы на выходе - это красиво и здорово, но вызывает сомнения практическая целесообразность туда лезть.

А прямое воспроизведение DSD? Очень заманчиво выглядит!

[Electrovoicer]

Мегагерцы на выходе - это красиво и здорово, но вызывает сомнения практическая целесообразность туда лезть.

Ну некая целесообразность есть, в виде существенного увеличения плотности мощности всей конструкции, с ростом КПД до 97 и более %, ну а уж на 500кГц и все 99% становится вполне, что отражается на простоте конструкции, да и вообще, природу бережём

---------- Сообщение добавлено 23:25 ---------- Предыдущее сообщение было 23:20 ----------

А прямое воспроизведение DSD? Очень заманчиво выглядит!

На 11.2МГц можно сделать прямой DSD на GaN, но мощности разумные будут до 100 Ватт, слишком большие динамические потери и потери на мертвое время. Кроме того, нужен еще один самоосциллирующий усилитель в качестве источника питания для DSD усилителя. Потому что прямую коррекцию искажений, как и регулировку громкости, в DSD-усилителе делать представляется затруднительным, соответственно, сильно возрастают требования к источнику питания. Но такая конструкция имеет право на жизнь и войдет в Application Notes

[sousmanster]

А не задумывались над полумостовой версией?

[Electrovoicer]

А не задумывались над полумостовой версией?

не вижу никакого смысла, только минусы

[deemon]

Мало кто делает на GaN по-настоящему крутые штуки. GaN относят к силовой электронике и в головах не укладывается, что фронты по 1нс это уже СВЧ с соответствующей квалификацией и измериловкой, а не просто силовая электроника

Да честно говоря , я бы на таких транзисторах УКВ передатчики делал ... а вот ставить их в УНЧ и блоки питания - выглядит несколько "диковато"

---------- Сообщение добавлено 07:55 ---------- Предыдущее сообщение было 07:48 ----------

Ну некая целесообразность есть, в виде существенного увеличения плотности мощности всей конструкции, с ростом КПД до 97 и более %, ну а уж на 500кГц и все 99% становится вполне, что отражается на простоте конструкции, да и вообще, природу бережём

Только не надо забывать про КПД динамиков ... он же порядка 10% в среднем , так ведь ? Так что , сильно "озеленить" природу такими усилителями не получится - не тот случай ....

[BesPav]

Offтопик:

Только не надо забывать про КПД динамиков, он же порядка 10% в среднем

У голых домашних НЧ "на резине" порядка 1-2%, у тканевых "прошек" до 5% (и 5 - это реально единицы), компрессионные драйвера "на титане" до 40%.
Но в ограниченных частотных диапазонах с помощью правильно подобранного акустического оформления можно эти величины для НЧ-динов поднять ~на порядок.