обратная связь в усилителях D-класса.

[Dmitry_Ternovsky]

Доброго времени суток, уважаемые форумчане.
Подскажите, пожалуйста по такому вопросу - как лучше организовать обратную связь в усилителе мощности D-класса.
На выходе нужно получить синусоидальный сигнал с заданной гармонической частотой в диапазоне 15-60кГц. (Частота может быть любой в этом интервале) Выходное напряжение - 400В (амплитудное значение). Питание от 30В. Нагрузка емкостная. Мощность 300ВА.
На данный момент планирую собрать следующую схему - полный мост с трансформатором. Для компенсации емкостной нагрузки использовать дроссель в первичке или во вторичке.

Вопрос такие: какие будут идеи по организации обратной связи - могу подавать на вход как ШИМ с контроллера, так и аналоговый сигнал.

---------- Добавлено в 02:10 ---------- Предыдущее сообщение в 02:08 ----------

Буду благодарен за информацию и ссылки. Спасибо!

[simple_t]

"Гармоническая частота 15-60 кГц" как получается - аппаратно формируется в контроллере (DSD чистом виде) или приходит усиливаться с внешнего генератора?
(и более общий вопрос - усилитель ли это вообще или генератор с мощным выходом?)
Какая тактовая частота ШИМ?
Какова частота среза выходного ФНЧ?
С какой целью собираетесь вводить ОС (приоритет стабильности выходного напряжения или линейности усилителя)?

[Dmitry_Ternovsky]

"Гармоническая частота 15-60 кГц" как получается - аппаратно формируется в контроллере (DSD чистом виде) или приходит усиливаться с внешнего генератора?
(и более общий вопрос - усилитель ли это вообще или генератор с мощным выходом?)
Какая тактовая частота ШИМ?
Какова частота среза выходного ФНЧ?
С какой целью собираетесь вводить ОС (приоритет стабильности выходного напряжения или линейности усилителя)?

Это усилитель и сигнал на входе может быть в виде ШИМа, который аппаратно-формируется на конроллере или может быть задан как синусоидальный сигнал на входе. Можно выбрать любой, в зависимотсти от организации обратной связи.
Тактовая частота ШИМ - так же могу выбрать любую, но ориентируюсь на 500кГц, хотелось бы использовать микросхему drv8432 - где два встроенных моста работадют в параллель. В описании указана частота 500кГц, хотя думаю что можно и побольше задрать...но тогда повысяться коммутационные потери.
Частота среза пока не задана - все на стадии проектирования. На выходе приоритет линейности - отсюда и пляшу и именно поэтому требуется заводить обратную связь, а вот как это лучше сделать чтобы не было возбуждения и линейность в пределах 2-3% - не знаю
Поэтому обратился на форум с целью подчеркнуть идеи.
Спасибо.

[simple_t]

Dmitry_Ternovsky, 2 - 3% КНИ в кл. D полне достижимы и без ООС, главное принять меры по минимизации времени рассасывания в ключах (в случае биполяров) или симметричности перезаряда входных емкостей (в случае МОП-структур). И на трансформаторах не экономить.
Что касается достижения устойчивости - критерии, в общем, обычные. Хорошо, что у Вас большой разнос между верхней рабочей и тактовой частотой, можно применить выходной ФНЧ первого порядка (килогерц на 80-90). Эта частота среза и будет первым полюсом на АЧХ уилителя с разомкнутой ООС, отсюда уже можно определиться с глубиной

Кстати, если Ваши сигналы - чисто синусоиды, не проще ли их зашить в ПЗУ с учетом ошибки усилителя? (а частоту 15-60 кГц менять изменением частоты выборки)

[Dmitry_Ternovsky]

Dmitry_Ternovsky, 2 - 3% КНИ в кл. D полне достижимы и без ООС, главное принять меры по минимизации времени рассасывания в ключах (в случае биполяров) или симметричности перезаряда входных емкостей (в случае МОП-структур). И на трансформаторах не экономить.

Симметричность перезаряда входных емкостей нужна чтобы исключить одновременное включение транзисторов верхнего и нижнего ключа?

Что касается достижения устойчивости - критерии, в общем, обычные. Хорошо, что у Вас большой разнос между верхней рабочей и тактовой частотой, можно применить выходной ФНЧ первого порядка (килогерц на 80-90).

для достижения высокого напряжения на выходе придется использовать трансформатор, и отсюда же возникает два варианта куда ставить этот самый фильтр - первичка или вторичка.
Если во вторичку, то плюсом этого варианта будет:
1. повышающий трансформатор можно уменьшить за счет того что по нему идет бОльшая тактовая частота - 500кГц (правда придется поискать сердечник на такие частоты чтобы потери были не велики),
2. дроссель для фильтра будет иметь меньшие размеры из-за того что ток во вторичке меньше чем в первичке.
Если поставить в первичку
1. вырастит по размерам трансформатор, но частота будет всего 60кГц, и не так сложно найти сердечник на такие параметры (феритик подойдет N87) и не такие большие коммутационные потери в феррите

Эта частота среза и будет первым полюсом на АЧХ уилителя с разомкнутой ООС, отсюда уже можно определиться с глубиной

А что с глубиной такое? простите за глупый вопрос - почему она так важна? и чем так важен полюс на АЧХ усилителя? как связаны эти параметры?
Я так понимаю что вблизи полюса происходит генерация или это не обязательно?

Кстати, если Ваши сигналы - чисто синусоиды, не проще ли их зашить в ПЗУ с учетом ошибки усилителя? (а частоту 15-60 кГц менять изменением частоты выборки)

Это было бы проще при одних и тех же параметрах нагрузки, но она, к сожалению, имеет сложный характер и может меняться в процессе работы.
Если я вас правильно понял, то вы предлагаете откалибровать прибор подавая ШИМ с контроллера. Сам же ШИМ заранее подобрать под заданную частоту, амплитуду и нелинейность?

[simple_t]

Симметричность перезаряда входных емкостей нужна чтобы исключить одновременное включение транзисторов верхнего и нижнего ключа?

Не совсем. Чтоб исключить постоянную составляющую в зависимости длительности импульса от входного сигнала - основной источник нелинейности. От сквозных токов при максимальном коэффициенте заполнения избавляются введением мертвой зоны ("ступеньки") на переключения (в выбранных Вами микросхемах она уже зашита по-моему)

Если во вторичку

Во вторичку однозначно. Плюсы Вы сами уже указали.

А что с глубиной такое? и чем так важен полюс на АЧХ усилителя? как связаны эти параметры?
Я так понимаю что вблизи полюса происходит генерация или это не обязательно?

Нет. В полосе действия ООС фазовый сдвиг усилителя не должен превысить 90 градусов (чтобы отрицательная ОС не стала положительной). Фильтр первого порядка дает 45. Следовательно, глубина ОС должна быть такой, чтоб полоса пропускания усилителя с ОС не простиралась дальше области, где действует только ФНЧ. но дело очень сильно осложняется Вашей комплексной нагрузкой. Поэтому - откуда брать сигнал для ООС - надо подумать

Если я вас правильно понял, то вы предлагаете откалибровать прибор подавая ШИМ с контроллера. Сам же ШИМ заранее подобрать под заданную частоту, амплитуду и нелинейность?

Примерно так. А исключения влияния нагрузки добиваться уменьшением выходного сопротивления усилителя
(кстати, емкостная нагрузка это плохо для двухтактных ключей. как избавляться от ее влияния - отдельная история, и, подозреваю это будет положнее, чем добиться нелинейности 2%)

[Dmitry_Ternovsky]

Не совсем. Чтоб исключить постоянную составляющую в зависимости длительности импульса от входного сигнала - основной источник нелинейности.

Возникает ли она из-за наличия постоянной составляющей во входном сигнале? или из-за рассогласования параметров схемы между собой, когда не одинаковы входные параметры транзисторов, резисторов в затворах и выходных каскадов микросхемы управления?

От сквозных токов при максимальном коэффициенте заполнения избавляются введением мертвой зоны ("ступеньки") на переключения (в выбранных Вами микросхемах она уже зашита по-моему)

Думаю в подобных интегральных сборках она должна быть, так же как и в любых драйверах полумоста начиная еще от IR2110.

Во вторичку однозначно. Плюсы Вы сами уже указали.

Но транс на 500кГц? какой материал сердечника выбрать на такие параметры? Посмотрел на сайте Epcos N49 - но все же не знаю как он поведет себя на таких частотах... не будет ли греться как котелок?
Не пробывали его в деле при работе на таких частотах?

Нет. В полосе действия ООС фазовый сдвиг усилителя не должен превысить 90 градусов (чтобы отрицательная ОС не стала положительной). Фильтр первого порядка дает 45.

Фазовый сдвиг представляю себе как задержку отклика усилителя на выходной сигнал. А 90градусов или 180 все же? Плаваю в этих вопросах
Нет у Вас, на вскидку, материала про возбуждение из-за обратной связи, про набег фазы, про полюсы и их влияние на ОС. А то хочется говорить на одном языке, а так чувствую что недопонимаю.

...Следовательно, глубина ОС должна быть такой, чтоб полоса пропускания усилителя с ОС не простиралась дальше области, где действует только ФНЧ. но дело очень сильно осложняется Вашей комплексной нагрузкой. Поэтому - откуда брать сигнал для ООС - надо подумать

Глубина ОС - это суть тоже что и коэффициент усиления?
А если попытаться скомпенсировать емкостную нагрузку индуктивностью, а в качестве индуктивности использовать может даже дроссель от фильтра подойдет.
А брать сигнал для ОС хочется, конечно, с самой нагрузки, чтобы контролировать именно напряжение на нагрузке. Хотя Texas использует сигнал до фильтра, что меня удивило...все же параметры нагрузки могут вносить нелинейности и как с ними бороться если сигнал ОС заводится с промежуточного звена?!
Но я в этом деле новичок, и поэтому прислушиваюсь к Вашему мнению, поскольку опыта в подобных схемах нет.

Примерно так. А исключения влияния нагрузки добиваться уменьшением выходного сопротивления усилителя
(кстати, емкостная нагрузка это плохо для двухтактных ключей. как избавляться от ее влияния - отдельная история, и, подозреваю это будет положнее, чем добиться нелинейности 2%)

так если усилитель D-класса, то разве выходное сопротивление не равно нулю? Просто транзисторы в проводящем состоянии обладают почти нулевым сопротивлением...а для компенсации можно поставить дроссель.

[simple_t]

Но транс на 500кГц? какой материал сердечника выбрать на такие параметры?

Кольцевой феррит класса 400НН - 600НН. Он до 1-1,5 МГц - с запасом

или из-за рассогласования параметров схемы между собой, когда не одинаковы входные параметры транзисторов

В двухтактах - в основном из-за асимметрии крутизн/емкостей ключевых приборов

Глубина ОС - это суть тоже что и коэффициент усиления?

Коэффициент усиления устройства равен коэффициенту усиления исходного устройства без ООС минус глубина ООС
(про полюса, глубину ООС и критерии устойчивости, Вам, похоже полезно почитать для начала теорию из Найквиста и Боде)

А если попытаться скомпенсировать емкостную нагрузку индуктивностью, а в качестве индуктивности использовать может даже дроссель от фильтра подойдет

Вооот. Самый ключевой вопрос. Если Вы компенсируете емкость нагрузки индуктивностью, получается что? Правильно, колебательный контур. И если он без потерь, то достаточно высокодобротный. На какую частоту он будет настроен? При Вашем коэффициенте перекрытия (60/15=4) с этим контуром получится с одной стороны емкость, с другой - индуктивноть. На резонансе - активное сопротивление, но почти к.з. И фаза сигнала будет гулять очень значительно. Выход - вносить потери (уменьшать добротность контура, вводить активную составляющую. Насколько понимаю, заранее настраивать Ваш контур в зависимости от ожидаемой частоты сигнала, как это делается в антенно-согласующих устройствах, в данной конструкции не будет)

В общем, первоначальное резюме по Вашей конструкции - сначала определиться со стабильностью нагрузки, а потом уже (если понадобится по условиям линейности) искать точку съема сигнала ООС. И вряд ли она будет непосредственно у нагрузки)

А что за нагрузка, если не секрет? Мощный ультразвуковой пъезо-излучатель?