در قسمت اول این مقاله ما به تعریف و نحوه ی کار و بررسی اجمالی از تقویت کننده های توان کلاس D پرداختیم و بلوک های سازنده ی این تقویت کننده را خلاصه وار بیان کردیم و کاربرد های هر بلوک را نیز بررسی کردیم.

در این قسمت از تقویت کنننده های توان کلاس D  در ابتدا یکسری از مفاهیم جزئی تر را که به آنها در مسئله ی طراحی این تقویت کننده نیاز داریم را تعریف کرده و دلایل استفاده ی آنها را نیز بیان میکنیم و در ادامه به بررسی تلفات در این تقویت کننده میپردازیم و در انتها هم بازدهی تقویت کننده ی کلاس D را محاسبه میکنیم و این قسمت از مقاله به پایان میرسانیم.

Dead time

 

از آنجایی که ترانزیستور ها کاملا ایده آل نیستند و در آن واحد از روشن به خاموش و از خاموش به روشن سوئیچ نمیکنند در نتیجه با یک تاخیری خاموش و روشن میشوند.این عیب باعث میشود که وقتی یک ترانزیستور در حال روشن شدن و دیگری در حال خاموش شدن است در این زمان هر دو ترانزیستور هدایت الکتریکی داشته باشند و باعث ایجاد یک مسیر اتصال کوتاه و یا کم مقاومت بین سرهای مثبت و منفی منبع تغذیه ما ایجاد شود که باعث عبور جریان خیلی زیاد از ترانزیستورها میشود و این خود صدماتی برای ترانزیستورها و تلفات توان زیاد را پدید میاورد.

برای جلوگیری از این پدیده بایستی یک فاصله ی زمانی بین قسمت high و low شدن موجPWM ایجاد کنیم که این زمان که هیچ کاری انجام نمیشود و تنها به ترانزیستور ها زمان داده میشود تا به طور کامل روشن یا خاموش شوند را  زمان مرده  یا Dead time میگوییم.ایجاد این زمان مرده که با دستکاری موج PWM  ایجاد میشود باعث ایجاد اعوجاج میشود که سعی بر این است که این زمان حداقل ممکن شود.

اینکار(ایجاد زمان مرده) را میتوان با مدارهایی انجام داد ولی ساده ترین راه استفاده از IC  های درایور ماسف مانند IR2011S و IR2110S  است که با کلیک بر روی آنها میتوانید دیتاشیت آنها را مشاهده کنید.

 

**شکل زیر این مفهوم را به تصویر میکشد:

Level-Shifting

این بلوک و بلوک هایی که در ادامه گفته میشود که در شکل بالا آورده نشده جز جزئیات تقویت کننده ی ما هستند که صدالبته به طول کامل مورد بررسی قرار میدهیم.

وظیفه ی بلوک  Level-Shifting  این است که سطح منطقی سیگنال را به سطح دیگری جابجا کند.

موج   PWM  تولیدی توسط مقایسه کننده توانایی درایو کردن هر دو ترانزیستور را دارا نیست که علت آن هم اختلاف ولتاژ سورس در دو ترانزیستور است .

در نتیجه برای جبران این موضوع سطح منطقی سیگنال PWM را برای یکی از ترانزیستور ها با بلوک Level-Shifting به سطح منطقی دیگری شیفت میدهیم.در ترانزیستور P-MOS برای آنکه مطمئن شویم که در منطقه ی قطع است بایستی ولتاژ آن به سطح بالاتر از ولتاژ تغذیه مرحله ی سوئیچینگ شیفت داده شود.

همچنین برای کاهش زمان بین روشن و خاموش شدن ماسفت ها میتوان از یک یا چند درایور استفاده کرد که وظیفه ی این درایور ها شارژ کردن سریع تر خازن های Gate ترانزیستور های میباشد که در نتیجه ی عمل زمان سوئیچنگ را کم میکنند.

 

مفهوم های بیان شده در بالا مواردی بودند که نیاز به ذکر داشتند چرا که در زمینه ی طراحی چالش های موجود را میتوان به وسیله ی آنها حل کرد.

 

تئوری و طراحی مدارات

همانطور که گفته بودیم حالا نوبت انجام تئوری مربوط به تقویت کننده های توان کلاس D- است که به کمک آن طراحی را انجام دهیم.در این بخش هم قسمت به قسمت پیش رفته و با به پایان رساندن یک بلوک سراغ بلوک بعدی میرویم و همچنین در معرفی و بررسی هر بلوک ابتدا ساختار پایه ای آن را بیان کرده و بعد از بررسی ساختار پایه ای ساختارهای ساده که میتواند وظیفه مورد نظر را انجام دهد مانند استفاده از IC های آماده و غیره را مشخص میکنیم.

اما در ابتدا به محاسبه ی بازده ی تقویت کننده ی کلاس D میپردازیم تا ببینیم این نوع تقویت کننده چه مزیتی از نظر بازدهی دارد که قبول کردیم بلوک های اضافه تری را به جان بخریم  صرفا برای اینکه از این تقویت کننده استفاده کنیم.

 

بازدهی تقویت کننده ی کلاس D

همانطور که میدانیم حداکثر بازدهی برای تقویت کننده های خطی و کلاسیک به 78.5% میرسد که بازدهی نسبتا مناسبی میباشد که به همین علت کاربردهای فراوانی هم دارند این نوع تقویت کننده ها . ولی بازدهی تقویت کننده های کلاس D 100%   میباشد!
در ادامه بررسی میکنیم:
حداکثر تلفات تقویت کننده کلاس D مربوط به تلفات اتصالات و تلفات اهمی میباشد . شکل زیر مقاومت هایی که سبب اتلاف توان میشوند را نشان مدهیم:

در شکل بالا RP مقاومت های انگلی ناشی از اتصالات و سیم بندی ها و … میباشد.RON مقاومت خود ترانزیستور ها میباشند که در اینجا از نوع ماسفت هستند و به علت پوش-پول بودن ساختار میبینیم که دو مقاومت داریم از این نوع.RF  ها مقاومت های فیلتر میباشند که در اینجا به صورت یک مقاومت مدل شدند و RL هم مقاومت بار ما میباشد.بدین ترتیبت با صرف نظر از سایر مقاومت ها و در نظر گرفتن تنها مقاومت بار خواهیم داشت:

η = POUT/PSUPPLY = (IOUT²RL/IOUT²RL)*100=100%

ولی در دنیای واقعی وضعیت کمی متفاوت میشود:

از آنجایی که ترانزیستور ها در یک لحظه ی واحد از قطع به وصل و بالعکس تغییر وضعیت نمیدهند به همین علت اندکی در منطقه ی فعال میگذرانند که این باعث تلف شدن توان میشود:

PSWITCH = ½fOSCIOUT²(tON + tOFF)2RON

در معادله ی بالا fOSC فرکانس اسیلاتور که در واقع فرکانس PWM اعمالی به ترانزیستور ها میباشد و ton/off هم زمان های rise/fall time  میباشند که ناشی از خازن های درونی و زمان مورد نیاز برای جابجایی بار های الکتریکی درون ترانزیستور میباشند.

در نتیجه میتوان دید که توان سوئیچینگ رابطه ی مستقیم با فرکانس دارد و اگر فرکانس 1MHz باشد دارای توان تلفاتی سوئیچینگ 4 برابری نسبت به زمانی که فرکانس250KHz میباشد هستیم.

در نتیجه توان تلفاتی کل ناشی از هر دو تلفات میباشد :

η = POUT/(PSUPPLY + PSWITCH) = IOUT²RL/(IOUT²(2RON + 2RF + RP + RL) + ½fOSCIOUT²(tON + tOFF)2RON)

بنابراین برای مقادیر حدودی زیر دارای بازدهی 100 درصد که در بالا ذکر شده بود نیستیم:

RL = 4Ω, fOSC = 250kHz, tON = tOFF = 25ns, RON = 250mΩ, RF = 25mΩ, and RP = 80mΩ

 

η=86.33%

همانطور که میبینیم بازدهی ما 100 درصد نبوده ولی خب خیلی بهتر از مقدار بازدهی تقویت کننده های خطی میباشد.حتی اگر مقدار مقاومت بار را کمی بیشتر کرده و به 8Ω برسانیم بازدهی به مقدار%92.66 میرسد.به عنوان مثال با استفاده از امپلی فایر MAX9701 میتوانید نمودار مربوط به بازدهی با دو بار مختلف را مشاهده کنید:

برای مشاهده ی دیتاشیت MAX9701 میتوانید بر روی آن کلیک کنید.

 

 

 

مدار داخلی این IC:

هر چند 90 درصد با 100 درصد بازدهی فاصله ی تقریبا چشمگیری دارد ولی نسبت به تقویت کننده های کلاس های A,B,AB که در نهایت به 78.5 درصد خواهیم رسید بازدهی 90 درصد کلاس D یک پیشرفت چشمگیر خواهد بود.

 

 

 

در قسمت بعد به سراغ مسئله ی طراحی مدار میرویم ودر هر مرحله بلوک های تقویت کننده های کلاس D را بررسی کرده و به سراغ بلوک بعدی خواهیم رفت تا در انتها به سراغ شبیه سازی های SPICE برویم…

ترک

نویسنده: امیرارسلان ترک لشکناری

دانش آموخته ی مهندسی برق
علاقه مند به هوش مصنوعی، حوزه ی فیزیک کوانتوم و پردازش های کوانتومی، پردازش سیگنال های دیجیتال و سیستم های embedded
ترک

نویسنده: امیرارسلان ترک لشکناری

دانش آموخته ی مهندسی برق
علاقه مند به هوش مصنوعی، حوزه ی فیزیک کوانتوم و پردازش های کوانتومی، پردازش سیگنال های دیجیتال و سیستم های embedded

منبع

ELP

خبرهای مرتبط

0 0 رای
رتبه بندی مقاله
guest
0 دیدگاه
بازخورد درون خطی
مشاهده همه نظرات