Усилитель класса D на TPA3255 (PBTL)

[DMandrakov]

В данной статье речь пойдёт об усилителе класса D на базе микросхемы TPA3255 от Texas Instruments.
Усилитель выполнен по схеме параллельно-мостового подключения (PBTL) для получения максимальной мощности. Рассмотрим его со всех сторон


На задней панели — розетка питания и выход


На передней панели — кнопка включения питания, Reset, балансный вход для подключения звуковой карты, небалансный вход для смартфона либо другого источника чувствительностью 0.1 Вольт с предусилителем Кус=10 и регулировкой громкости, переключатель входов. Кнопка принудительного включения охлаждения, индикаторы включения кулера, тепловой перегрузки и аварийного режима работы.


В основу данного проекта легла статья на Хабре Усилитель звукового сигнала мощностью 600 Вт / Хабр . Рассмотрим некоторые важные моменты.
В первую очередь нужно отметить, что автор изменил схему коммутации выходов микросхемы. Так выглядит схема в даташите


Так выглядит схема автора


На каждом выходе установлена индуктивность. Я оставил так, как у автора, полагая, что такое решение более правильное — лучшая фильтрация несущей частоты и меньший нагрев индуктивностей.
Далее автор утверждает, что напряжение питания в его проекте 53.5 Вольт. Эта цифра стоила мне 4-ех микросхем — после нескольких включений загорался красный светодиод аварийного режима работы. Микросхема просто сгорала.


И если мы посмотрим в даташит, то увидим, что напряжение 53.5 Вольт для нагрузки 4 Ом — это максимальное напряжение, а типичное 51. При напряжении 51 Вольт усилитель поработал чуть подольше, далее — те же симптомы гибели чипа.
То есть опытным путём установлено, что для нагрузки 4 Ом напряжение питания усилителя выше 50 вольт подавать нельзя. Сейчас у меня выставлено 50 вольт — третья неделя полёт нормальный.


Схема управления вентилятором охлаждения чипа была изменена мною таким образом, чтобы скорость вращения была пропорциональна температуре нагрева. Вот схема автора


Вот моя схема


Теперь о входных сигналах. В исходной схеме балансный вход соединён с выходом предусилителя небалансного входа.


И получается такая картина — сигнал балансного входа смешивается с выходом предусилителя небалансного входа, что приводит к ослаблению сигнала в два раза (на слух) и появляются сильные искажения.
Поэтому я вставил в схему переключатель входов, и убрал защитные двунаправленные диоды для уменьшения влияния на сигналах


И последнее изменение — силовая и сигнальная земли разделены сопротивлением 1.5 Ом.

Печатную плату с учётом всех изменений я сделал в Sprint Layout. Для платы применён стеклотекстолит FR-4 c толщиной медного слоя 2 oz.

Измерения характеристик усилителя с помощью программы RMAA.


Звуковая карта Focusrite Scarlett 2i2 3Gen. Эквивалент нагрузки — набор из 10 сопротивлений 39 Ом, общее сопротивление 3.94 Ом. Делитель напряжения (слева направо) 1.5 кОм и два по 100 Ом.
Сигнал с выхода усилителя подаётся на вход звуковой карты через трансформатор на пермаллоевом сердечнике, так как прямое соединение приводит к срабатыванию защиты чипа.


Результаты измерений


Смею предположить, что результаты могли быть значительно лучше — здесь нужно учитывать влияние разделительного трансформатора.

Более полный обзор с прослушиванием можно посмотреть здесь -
https://youtu.be/bZsLrvvhUEc
https://vk.com/club228843288
https://t.me/dvmaudiosu/3

[Alex]

И если мы посмотрим в даташит, то увидим, что напряжение 53.5 Вольт для нагрузки 4 Ом — это максимальное напряжение, а типичное 51. При напряжении 51 Вольт усилитель поработал чуть подольше, далее — те же симптомы гибели чипа.

На холостом ходу или при полной нагрузке?
Если на ХХ то странно - у этой микросхемы абс.максимум 69 вольт.
Но даже с нагрузкой 4 ома, погибать при 51 она не должна.

На каждом выходе установлена индуктивность. Я оставил так, как у автора, полагая, что такое решение более правильное — лучшая фильтрация несущей частоты и меньший нагрев индуктивностей.

Я в этом не уверен, из-за разброса дросселей.

[domician]

На каждом выходе установлена индуктивность. Я оставил так, как у автора, полагая, что такое решение более правильное

При PBTL должно быть минимальное сопротивление между запаралеленными выходами. Об этом написано в многих даташитах. У вас не так, а в оригинале как раз так.

[DMandrakov]

На холостом ходу или при полной нагрузке?
Если на ХХ то странно - у этой микросхемы абс.максимум 69 вольт.
Но даже с нагрузкой 4 ома, погибать при 51 она не должна.

Ещё раз фрагмент из даташита
Вложение 465655
Там указано максимальное У для 4 Ом. Меня эта цифра в 69 вольт тоже с толку сбила, но факт есть факт - чип погибает даже при 51 V

Я в этом не уверен, из-за разброса дросселей.

Зато распределение токов с 4-х выходов имеем. Так дроссели греться будут меньше. Насколько сильно влияет разброс - трудно сказать. По крайней мере звучит замечательно.

---------- Сообщение добавлено 23:34 ---------- Предыдущее сообщение было 23:32 ----------

При PBTL должно быть минимальное сопротивление между запаралеленными выходами. Об этом написано в многих даташитах. У вас не так, а в оригинале как раз так.

Спасибо за совет, учту на будущее. Сделаю вариант как в даташите и сравню результат.

[Alex]

По крайней мере звучит замечательно.

Но сгорает, при условиях, когда сгорать не должен.
Я не могу утверждать что это именно из-за соединения через 4 дросселя а не 2, но оно не правильно.

Ещё раз фрагмент из даташита

Я видел даташит.

Меня эта цифра в 69 вольт тоже с толку сбила,

Это напряжение питания, при котором по крайней мере без нагрузки, ничего сгорать не должно.

[DMandrakov]

Но сгорает, при условиях, когда сгорать не должен.
Я не могу утверждать что это именно из-за соединения через 4 дросселя а не 2, но оно не правильно.
Это напряжение питания, при котором по крайней мере без нагрузки, ничего сгорать не должно.

Более 10 раз гонял на белом шуме и 1 кГц по 2-3 часа на 100 Ватт. Полёт нормальный. У равно 50 вольт. При 51 на 5-м 6-м тесте горит. При 53.5 на 3-м 4-м. Если просто музыку слушать - 53.5 проработает несколько дней, уже не помню точно, дня 2-3. При 51 - с неделю. Там не дроссели, а рекомендованное в даташите напряжение питания критично, и указано оно не верно.

---------- Сообщение добавлено 01:21 ---------- Предыдущее сообщение было 01:18 ----------

Но сгорает, при условиях, когда сгорать не должен.
Это напряжение питания, при котором по крайней мере без нагрузки, ничего сгорать не должно.

А зачем мне усилитель без нагрузки?

[Alex]

Более 10 раз гонял на белом шуме и 1 кГц по 2-3 часа на 100 Ватт. Полёт нормальный. У равно 50 вольт. При 51 на 5-м 6-м тесте горит.

И не греется ничего при этом?

Там не дроссели, а рекомендованное в даташите напряжение питания критично, и указано оно не верно.

У меня небыло поводов не доверять Тексасу в подобных вопросах.
Дроссель не насыщается?

А зачем мне усилитель без нагрузки?

Например из-за транзиентов в блоке питания при включении/выключении, при серджах и спайках в розетке, и т.д.

Да и вообще для проверки работы - если сгорает и на ХХ, то это одно. А если на ХХ работает а сгореет при нагрузке - совсем другое (в т.ч. и "на какой нагрузке" - активной или комплексной).

Если конечно блок питания стабализированный и имеет регулировку, то можно выставить 48-50в и ни о чем не думать. На результат работы свистоперDелки это не повлияет - разница в выходной мощности и звуковом давлении будет весьма мала.
Да и в нормалоныз размерах комнаты, при колонках вменяемой чуствительности, он большую часть времени будет рабодать дай бог чтобы процентов на 10 от максималки.

[DrModd]

Но даже с нагрузкой 4 ома, погибать при 51 она не должна.

Я тестировал эту микру на 60 вольтах, соответственно оригинал, не с алиэкспресс. Выжимал в PBTL 380 ватт на 4 ома.
Да, конфиг с двумя дросселями.

---------- Сообщение добавлено 17:45 ---------- Предыдущее сообщение было 17:44 ----------

У автора очень высокие искажения.
Вот, искажения намерянные на варианте с преобразователем в авто. На порядок лучше чем тут.


---------- Сообщение добавлено 17:51 ---------- Предыдущее сообщение было 17:45 ----------

Да и в нормалоныз размерах комнаты, при колонках вменяемой чуствительности, он большую часть времени будет рабодать дай бог чтобы процентов на 10 от максималки.

Алекс, эту микру вообще выше 100 ватт на 8 ом не имеет смысла использовать, даже с PFFB. Слишком быстрый рост искажений выше 100 ватт и вообще на ВЧ она тоже не очень. Как начальный уровень - ничего.

[Alex]

Я тестировал эту микру на 60 вольтах, соответственно оригинал, не с алиэкспресс. Выжимал в PBTL 380 ватт на 4 ома.
Да, конфиг с двумя дросселями.

Ну вот, и ничего не сгорало.

[DMandrakov]

Дроссели в насыщение не входят, даже на максимальной громкости. Это на слух легко определяется и по нагреву дросселей.

---------- Сообщение добавлено 21:58 ---------- Предыдущее сообщение было 21:49 ----------

Я тестировал эту микру на 60 вольтах, соответственно оригинал, не с алиэкспресс. Выжимал в PBTL 380 ватт на 4 ома.
Да, конфиг с двумя дросселями.

Чип куплен в ЧиДе, не с алика. те , что с алика, имеют один общий признак - АЧХ по низам после 100 Гц падает до нуля, уже был опыт.

У автора очень высокие искажения.
Вот, искажения намерянные на варианте с преобразователем в авто. На порядок лучше чем тут.

Как проводились измерения? Можно ссылку на видеообзор, подобный этому? -> https://youtu.be/bZsLrvvhUEc
ах да, с Ютубом проблемы. Вот дубль в ВК -> https://vk.com/video60016742_456239142

---------- Сообщение добавлено 22:04 ---------- Предыдущее сообщение было 21:58 ----------

Я тестировал эту микру на 60 вольтах, соответственно оригинал, не с алиэкспресс. Выжимал в PBTL 380 ватт на 4 ома.

Не верю. Ссылку на видео обзор, пожалуйста. Подобный моему. Где всё видно и понятно, в каких условиях проводились измерения. И мультиметр будьте добры снять камерой, чтобы 60 Вольт питания было видно. И показания мультиметра на выходе усилителя снимите, как у меня, тогда и продолжим обсуждение.

UPD. Присмотрелся к картинке с красивыми цифрами - там наушники в нагрузке были что-ли?

[Alex]

Чип куплен в ЧиДе, не с алика. т

А это не одно и то-же?

[Serge_L]

А это не одно и то-же?

Это одно и тоже.
Но.
Я не верю, что это кто-то подделывает.
А вот то, что условия эксперимента разные, это - однозначно!

[stratov]

Сообщение от DMandrakov
Меня эта цифра в 69 вольт тоже с толку сбила,
Это напряжение питания, при котором по крайней мере без нагрузки, ничего сгорать не должно

Действительно что-то не то. Я как то "развлекался" с tda 7293, запитывая ее от +-53в, микросхема была чисто на линейную(резистивную) нагрузку 8 Ом, и на радиатор сразу(для мин теплового сопротивления), РАЗУМЕЕТСЯ ЭТО ЗА РАМКАМИ ОБР, так, чисто интересно было надежность мс, все отработало, и ничего не перегревалось и не сгорало, это я к чему, к тому что у мс всяко есть технологический запас, и не должно перегорать ничего когда мс находится в области безопасных допусков по напряжения питания. Охлаждение у мс хорошее? в плане мин теплового сопротивления мс-радиатор. Далее частоты осцилляции тоже в норме даташита? ну и напоследок что на ум приходит, может зашунтировать резисторами по 1кОм(2Вт) с каждого выхода на землю, для уменьшения добротности выходного вероятного контура?

[Alex]

Действительно что-то не то. Я как то "развлекался" с tda 7293, запитывая ее от +-53в, микросхема была чисто на линейную(резистивную) нагрузку 8 Ом, и на радиатор сразу(для мин теплового сопротивления), РАЗУМЕЕТСЯ ЭТО ЗА РАМКАМИ ОБР,

Ну да, причем в этой есть:
Self-Protection Design (Including Undervoltage, Overtemperature, Clipping, and Short Circuit Protection)

Я вполне допускаю что при повышенном напряжении питания (т.е. выше 53 но ниже 69) при работе на полной мощности там может быть и overcurrent, и overtemperature, но эти защиты не должны были допустить ее выхода из строя.

Я не верю, что это кто-то подделывает.

100% утвердждать не могу, все может быть, но это в самом деле маловероятно.
Тем более, что их не в коммунистическом Китае делают.

[DrModd]

Не верю.

А я не играю с вами в верю не верю. Это было больше трех лет назад, соответственно я ничего не фиксировал. Охлаждение - мощный медный кулер от серверов.
Нагрузка была резистивная конечно.

[stratov]

Ещё раз фрагмент из даташита
Вложение 465655
Там указано максимальное У для 4 Ом. Меня эта цифра в 69 вольт тоже с толку сбила, но факт есть факт - чип погибает даже при 51 V

Скажите а никаких проблем с охлаждением микросхемы нет? Тепловое сопротивление мс/радиатор минимальное?

[DMandrakov]

Скажите а никаких проблем с охлаждением микросхемы нет? Тепловое сопротивление мс/радиатор минимальное?

Между кулером и чипом - медная пластина 2 мм и слюдяная прокладка через термопасту. кулер плотно прижат 4-мя болтами М4.

[Serge_L]

Между кулером и чипом - медная пластина 2 мм и слюдяная прокладка через термопасту. кулер плотно прижат 4-мя болтами М4.

Простите, а нафига???
Те не в качестве претензии к термосопротивлению, а просто: хачем?

[DMandrakov]

Простите - а подумать? Кулер спроектирован для процессора, а не для аудиочипа. вот стоит кулер на плате, и надо же - не прилегает плотно к чипу, расстояние там как раз те самые 2 мм.

[Slava!!!]

Ув. коллеги, а никто не подскажет, какое постоянное напряжение у TPA3255 на входах в рабочем режиме?