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IST-DEEC 2007

AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA

Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques

AMPLIFICADOR AAMPLIFICADOR AÚÚDIO COMUTADODIO COMUTADOÁudio é parte integrante de muitos aparelhos (multimédia):

I&D para obter aparelhos com:Integração de múltiplas funcionalidades, compactos, leves e com baixo consumo (autonomia)

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AMPLIFICADOR AAMPLIFICADOR AÚÚDIO COMUTADODIO COMUTADO

Rendimento (%)

-50 -40 -30 -20 -10 0PO (dB)ref=POmax

Classes de amplificação linear:

• Baixa distorção

• Ganho constante (Zout)

• Tecnologia bem conhecida

• η reduzido

• Volume elevado

• Fonte potente

• Dissipação elevada

Características:

Classe A

Classe A push-pull

Classe B

Classe G (α=0,4)

Solução: Novas abordagens ao conceito de amplificação

Até há relativamente pouco tempo representavam cerca de 99% dos amplificadores comerciais.

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Porque utilizar uma tecnologia comutada?• Vantagens:

• Rendimento– Menor potência dissipada– Dimensões dos dissipadores

• Frequência de comutação elevada– Menor distorção harmónica– Redução das dimensões dos

componentes de armazenamento de energia

– Dimensões dos transformadores reduzidas

Desvantagens:

• Ruído radiado

• Compatibilidade electromagnética

• Transitórios de alta-frequência

• Não idealidades dos dispositivos de comutação

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Sinal de comando

Comutação Filtragem(desmodulação)

Modulação

Sinalcomutado

Comutação: dispositivos actuam como interruptores, alternando entre os estados ON e OFF, minimizando o produto P=I×U (perdas).

• Distorção elevada

• Ruído

• Ganho variável f(Zout)

Circuito de sinal Circuito de potência

Características:

• η elevado

• Dissipação baixa

• Volume baixo

• Fonte de baixa potência

Amplificação comutada, Classe D:

Saída

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Como obter o sinal áudio nestas topologias?

• Sinal Áudio– Analógico – Contínuo– Bipolar– Largura de Banda 20 Hz – 20 kHz

• Tecnologias comutadas– Sinais com valores discretos de amplitude– Largura de banda superior à de Áudio

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Sinal de comando

Modulação

Sinalcomutado

Meia-ponte (2N): +U

vS+_CMP

Saída

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Modulação de Largura de Impulso a dois níveis

Sinal de Entrada Sinal Modulado Sinal de Referência

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Modulação de Largura de Impulso a dois níveis

ffcfi 2.fc 3.fc 4.fc

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Modulação de Largura de Impulso a três níveis

Sinal de Entrada Sinal Modulado Sinal de Referência

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Ponte completa (3N):

vSL+_CMP

vSL-vSRU

-Uvtrg

Entrada Sinal de comando

Modulação

Sinalcomutado

Saída

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Modulação de Largura de Impulso a três níveis

fcfi 2.fc 3.fc 4.fc

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Que topologias permitem obter

sinais modulados emLargura de Impulso?

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• Conversor em meia ponte (half-bridge converter)

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• Conversor em meia ponte (half-bridge converter)

vCarga

-VDC/2

Dois níveis possíveis para a tensão na carga

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• Conversor em ponte completa (full-bridge converter)

IST-DEEC 2007

• Conversor em ponte completa

Vcarga

positiva

Vcarga

negativa

Vcarga

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• Conversor em ponte completa

vCarga

Três níveis possíveis para a tensão na carga

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Como obter a a tensão de

alimentação dos conversores ?

IST-DEEC 2007

Primeira possibilidade: Fonte de alimentação independente

IST-DEEC 2007

Primeira possibilidade: Fonte de alimentação independente– Isolamento galvânico para a rede eléctrica– Tensão contínua de saída estabilizada

Desvantagens:– Custo acrescido– Dimensões– Peso– Fiabilidade– Rendimento

IST-DEEC 2007

Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprioconversor

IST-DEEC 2007

Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprioconversor– Tensão contínua obtida por um processo mais simples (não

isolado)

Vantagens:– Custo– Fiabilidade– Rendimento– Modularidade

Desvantagens:– Aumento da complexidade do

conversor– Forma de onda da corrente de

entrada– Harmónicas de 100 Hz

resultantes da rectificação– Dimensões– Peso

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fcfi 2.fc 3.fc 4.fc

Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprioconversor

Dimensões

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Hipótese alternativa: Numa implementação estéreo Dimensões

Dois transformadores de baixa frequência

Quatro braços para o conversor

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Multinível (ex.:4N):

Sinal de comando

Modulação

Sinalcomutado

Saída

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Entrada Sinal de comando

Modulação

SaídaSinal

comutado

ω (log)

Ganho (dB)

10ωnωn

Fase (º)90º

-180º

ωn/10

ω (log)

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Sinal de comando

Modulação

SaídaSinal

comutado

Carga (tweeter)

Compensação

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• Frequência de comutação fs

• Frequência de corte do filtro fc

• Topologia de conversor (n.º níveis)

Problemas:

• Susceptibilidade a ΔU (PSRR baixo)

• THD elevada (tp)

• Tremor da tensão de saída

• Variação do ganho ΔG, (variação de Zout)

• Ruído

• Ruído electromagnético

Dimensionamento:

• fs tremor , perdas, ruído electromagnético

• fc ΔG , tremor

• n.º níveis da topologia tremor , ruído electromagnético, complexidade, custo

• THD (tp) inalterada (2 a 25% para valores de tp comuns: 100ns)

Implicações:

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Controlo linear:

• Aumenta PSRR

• Diminui THD

• Diminui a variação do ganho ΔG, (em função de Zout)

• Diminui ruído

• Instabilidade

• HAB tipicamente de 18dB@ 20kHz (reduzido)

Características:

Entrada

Comutação FiltragemModulação

Controlo PID

refHAB

Href y

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Modulação e controlo não linear “One Cycle Control”:

Entrada

Comutação FiltragemModulação e controlo OCC

O conceito básico inerente ao sistema OCC é“forçar” a média do valor da variável comutada, vS, a ser exactamente igual ao valor do sinal de referência, em cada período de comutação.

vINT t

Relógio

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• Idealmente compensa os erros do sistema (com reflexo no PSRR, THD e ruído)

• Estável

Vantagens :

• Não compensa a variação do ganho ΔG, (ΔZout)

• Exige um Integrador com Resetrápido e preciso, a operar a fs

Inconvenientes :

Foi desenvolvida nova topologia de integrador com Reset:

Modulação e controlo não linear “One Cycle Control”:

_RiCi Ci

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Foi desenvolvida uma nova topologia para o filtro assim como critérios de dimensionamento

Filtro “Notch Low Pass”:

• Grande atenuação a fs (tremor reduzido)

• Permite uma fc elevada minimizando ΔG, com ΔZout

Vantagens :

Filtro tradicional

(log)ffc

Filtro NLP

Banda de

áudio

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Amplificador comutado com técnicas desenvolvidas:

• Grande atenuação a fs (tremor reduzido)

• Permite fc elevado, minimizando ΔG, com ΔZout

• Permite topologias simples para conversor (meia ponte)

• THD reduzida, insensível a tp, PSRR elevado

• Sem instabilidade

Vantagens :

Entrada

Comutação FiltragemModulação e controlo OCC

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Protótipo: Conv. meia ponte, fs=333kHz fc=85kHz, +-32V

Filtro

OCCRelógio

IR2110

-U+13V U

74HC02

VSS COM

R21 150

R22 6.8

R23 6.8

P6KE100

L1 190nH

L2 190nH

Q1IRFB41N15D

Q2IRFB41N15D

D7 BYV27

D8 BYV27

L3 15.8uHComutaçãode potência

OCCVREF

LMC vO1

vO2C21

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Resultados experimentais:

relógio

One CycleControl

IST-DEEC 2007

Filtro tradicional Filtro NLP

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00,20,40,60,8

11,21,4

0 10 20 30 40 50 60 70

THD(% )

PSRR>30dB

Rendimento (% )

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1K

FiltroComutaçãode potência

OCCRelógio

vREF’

+_C24 1.5uF

R25 10k

R32 560 C25 220pF

R31 5.6kR30 15kR29 5.6k

R33 2.2k C26 1.2nF

R34 10M

Há a possibilidade de utilizar realimentação linear: 16dB@20kHz

IST-DEEC 2007

Existirá alguma forma de eliminar as

componentes de baixa frequência nos

transformadores, utilizando o processo

de modulação?

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase

VA com factor de ciclo 50%

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase

VA com factor de ciclo 50%

VB com factor de ciclo 50% desfasado de VA

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase

φVAB com factor de ciclo igual à diferença de fase entre VB e VA

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase (MF)vs

Modulação de Largura de Impulso (MLI)

Largura dos impulsos igual nos dois tipos de modulação

Frequência de comutação dos dispositivos em MF émetade da de em MLI

Informação da polaridade da tensão de entrada é perdida na MF

IST-DEEC 2007

Modulação de Fase (MF) vs

Modulação de Largura de Impulso (MLI)

Componentes de baixa frequência eliminadas em MF

Transformadores, peso e dimensões menores

Recuperação do sinal em MF, já não é possível apenas com um filtro

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Implementação estéreo com modulação de fase

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Dois transformadores de alta frequência

Três braços para o conversor

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− Factor de ciclo 50% nos três nós

− Fase fixa na tensão do nó B

− Modulação independente para os dois canais através dos desfasamentos de VA e VC em relação a VB

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Como recuperar o sinal áudio após o processo de

modulação de fase ?

IST-DEEC 2007

Ideia base:

1. Encontrar um processo que, a jusante dos transformadores, permita transformar os impulsos modulados em fase nos que se obteriam por modulação de largura de impulso.

2. Recuperar então o sinal através de um filtro passa baixo

IST-DEEC 2007

Solução: Ciclo-conversor de ciclo integral

IST-DEEC 2007

Ciclo-conversor de ciclo integral

Tensões nas cargas iguais ou simétricas às tensões nos secundários dos transformadores, independentemente do sentido da corrente

Possibilidade de comutação dos dispositivos no zero da tensão• Eliminação das perdas de comutação

IST-DEEC 2007

Vcarga

S11S12

S13S14

S11S12

S13S14

S11S12

S13S14

S11S12

S13S14

S11S12

Ciclo-conversor de ciclo integral

IST-DEEC 2007

MF >MLI

Filtro de saída

fi 2 . fc

IST-DEEC 2007

Sumário:

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• Ausência de fonte de alimentação• Transformador de alta frequência• Braço comum para os dois canais• Perdas de comutação nulas no ciclo-

conversor• Modularidade

CARACTERÍSTICAS:

IST-DEEC 2007

• Esquema do protótipo a construir

• Especificações de dimensionamento

• Conversor em ponte

• Transformador

• Ciclo-conversor

• Filtro de saída

• Realimentação

Projecto e construção do protótipo

IST-DEEC 2007

Esquema do protótipo a construir

IST-DEEC 2007

• Potência de saída 1000 W por canal• Tensão DC 400 V• Colunas de áudio com impedância

de 8 Ω• Relação do número de espiras do

transformador N1 : N2 = 4 : 1• Frequência de comutação de 132 kHz

Especificações de dimensionamento

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• Escolha dos Mosfets e circuitos de comando– Tensões e correntes máximas– Resistência de condução– Tempos de comutação

• Projecto do circuito de controlo– Modulação de fase– Ajuste do tempos de comutação dos MOSFETS superior e inferior

do mesmo braço– Circuito de protecção– Isolamento eléctrico entre circuito de controlo e circuito de potência

Conversor em ponte

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Problemas de construção:

• Aparecimento de oscilações transitórias em que se atingem correntes e tensões elevadas capazes de danificar os componentes

Amplificador Áudio Modular de Potência

Conversor em ponte

IST-DEEC 2007

Conversor em ponte

Causas:• Existência de

elementos parasitas• Presença de tensões

elevadas com declives acentuados

• Deformação das tensões de comando dos MOSFETS

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Soluções:• Diminuição da frequência

de comutação• Circuitos de comando

mais eficientes• Circuito de inibição de

transitórios

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Conversor em ponte (resultados)

• Canal 1: VA

50 V / div

• Canal 2: VB

50 V / div

• Referência 1: VAB

50 V / div

• Base Tempo:2,5 μs / div

IST-DEEC 2007

• Referência 1: VGS1

5 V / div• Canal 1: VGS2

5 V / div• Referência 2: VGS3

5 V / div• Canal 2: VGS4

5 V / div• Base Tempo:

2,5 μs / div

IST-DEEC 2007

• Canal 1: VREF

2 V / div

• Canal 2: VMLI

5 V / div

• Base Tempo:5 μs / div

IST-DEEC 2007

• Referência 1: VMLI

10 V / div

• Canal 1: VS3

10 V / div

• Canal 2: VS1

10 V / div

• Base Tempo:2,5 μs /

IST-DEEC 2007

• Canal 1: VS1

10 V / div

• Canal 2: VS2A

10 V / div

• Referência 1: VS1A

10 V / div

• Base Tempo:2,5 μs /

IST-DEEC 2007

CA-CC-CAhf-CA

Amplificador Amplificador AudioAudio ComutadoComutado

Frequência:

[132 kHz]

Pot<2kW η<80%

Circuito de controlo

Circuito de potênciaCircuito de potência

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