Сделай громче, диджей! – комплексные решения IR для построения аудиосистем

25 июля 2013

Сложно найти область деятельности, где бы в той или иной мере не использовались звуковоспроизводящие устройства. Где-то они играют центральную роль, где-то используются только для подачи предупреждающих сигналов. Для таких устройств, как портативные компьютеры, автомагнитолы, домашние кинотеатры и аналогичные, важно не только хорошее качество звука, но и высокая выходная мощность. Желательно также, чтобы потери мощности были на приемлемом уровне. На данный момент всем этим требованиям удовлетворяют усилители класса D (усилители, работающие в ключевом режиме). Возможно, они несколько более сложны по схемотехнике, чем линейные усилители, и требуют серьезного подхода к фильтрации выходного напряжения, но на данный момент в выходных каскадах подавляющего большинства аудиоусилителей применяются именно усилители класса D.

Решения International Rectifier для аудиоприложений

International Rectifier предлагает широкий спектр микросхем различной степени интеграции для построения выходных каскадов аудиосистем мощностью до 500 Вт на канал (рисунок 1) [1].

Ассортимент микросхем для выходного аудиотракта от International Rectifier

 

Рис. 1. Ассортимент микросхем для выходного аудиотракта от International Rectifier

Аудиодрайверы семейства PowIRaudio могут содержать ШИМ-контроллер и работать с аналоговым входным сигналом или (IRS20957) использовать входной ШИМ-сигнал, что может быть удобно при воспроизведении звука, синтезируемого с помощью микроконтроллера. Самые продвинутые драйверы содержат в своем составе встроенные выходные ключи, что позволяет добиться минимальных габаритных размеров усилителя.

Таблица 1. Основные параметры микросхем семейства PowIRaudio

Наименование Кол-во
каналов
Корпус Напряжение
питания (макс), В
Входной/выходной ток Io+/Io-, A Встроенные MOSFET ШИМ
IR4301M 1 PQFN 5×6 80 6,5 + +
IR4302M 2 PQFN 7×7 80 6,5 + +
IR4311M 1 PQFN 5×6 40 3,6 + +
IR4312M 2 PQFN 7×7 40 3,6 + +
IR4322M 2 PQFN 7×7 60 7 + +
IRS20124S 1 SO-14 200 1,0/1,2
IRS2052M 2 MLPQ-48 200 0,5/0,6 +
IRS2053M 3 MLPQ-48 200 0,5/0,6 +
IRS2092S 1 SO-16 200 1,0/1,2 +
IRS2093M 4 MLPQ-48 200 0,5/0,6 +
IRS20957S 1 SO-16 200 1,0/1,2

Аудиодрайверы с внешними MOSFET

Микросхема IRS2092 представляет собой высоковольтный аудиодрайвер со встроенным ШИМ-генератором и схемами защиты. В совокупности с двумя внешними MOSFET транзисторами и небольшим количеством пассивных элементов получается полноценный усилитель класса D, устойчивый к внешним шумам и наводкам и обладающий малым уровнем искажения входного сигнала.

Драйвер IRS2052 практически является двухканальной версией аудиодрайвера IRS2092 с рядом дополнительных усовершенствований, таких как встроенный тактовый генератор и защита от перегрева. В данном драйвере также присутствуют выходы обнаружения обрыва нагрузки, вход внешнего датчика температуры (перегрев), а также выходы сигнализации о нештатной ситуации. Выпускается микросхема в компактном корпусе для поверхностного монтажа MLPQ48.

Драйвер IRS2052M предназначен для работы с плавающим уровнем входного аналогового сигнала. Внешние верхние и нижние транзисторы защищены от превышения допустимого тока: ток транзисторов отслеживается датчиком тока и при превышении заданного порога срабатывает защита.

Микросхема IRS2053 поддерживает работу трех каналов, для каждого из которых выделен собственный ШИМ-генератор и схема защиты. Внешние MOSFET позволяют выбрать оптимальный диапазон выходной мощности. Драйвер также работает с плавающим уровнем входного аналогового сигнала и позволяет строить усилители D-класса по полумостовой топологии.

 

Функциональные особенности и возможности микросхемы:

  • вход определения смещения по постоянному току;
  • обнаружение обрыва по выходу;
  • вход температурного датчика;
  • выход сигнализации ошибки;
  • программируемый порог срабатывания защиты по току;
  • защита от проседания напряжения;
  • уменьшение громкости щелчка при включении;
  • высокая устойчивость к шуму.

Микросхема IRS2093 аналогична вышеописанным драйверам и при том же наборе функций имеет четыре независимых канала.

Структура входных каскадов микросхемы допускает работу в режиме самотактирования ШИМ, работу с внешним синхросигналом или ШИМ с естественной несущей.

Аудиодрайверы со встроенными MOSFET — IR43x1/2

Микросхемы серий IR43xх включают в себя полноценный аудиодрайвер и выходные транзисторы и по сути представляют собой законченный аудиоусилитель класса D, требующий для работы лишь небольшого количества внешних элементов.

Микросхемы серии IR43xx способны работать в конфигурациях с одно- или двухполярным питанием в режиме инвертирующего или дифференциального усилителя.

Среди защитных функций реализованы защита от перегрузки по току, защита от перегрева, защита от падения напряжения питания с автоматическим сбросом системы логического управления.

Микросхемы серии IR43x2 содержат в себе два независимых канала [2].

Аудиодрайверы со встроенными ключами выпускаются в компактных PQFN-корпусах размерами 5х6 мм для серий IR43x1 и 7х7 мм для двухканального решения (серия IR43x2). Благодаря специальной форме контактных площадок в большинстве случаев для работы усилителей серии IR43xx не требуется внешнего радиатора [1-3]. В этом случае возможна организация дополнительного теплоотвода за счет металлизированной области на противоположной от IR43xx стороне печатной платы, соединенной с посадочным местом рядом металлизированных переходов.

Диапазон выходных мощностей, обеспечиваемых серией IR43xx, представлен на рисунке 2.

Диапазон выходных мощностей, обеспечиваемых серией IR43xx

 

Рис. 2. Диапазон выходных мощностей, обеспечиваемых серией IR43xx

Благодаря компактным размерам, малому тепловыделению и простой схеме включения, приборы серий IR43x1, IR43x2 идеально подходят для построения портативных систем, настольных и носимых приборов, а также многоканальных систем воспроизведения звука.

 

Основные области применения усилителей серии IR43xx:

  • домашние кинотеатры;
  • аудиодоки (для планшетных компьютеров или смартфонов);
  • аудиотракт персональных компьютеров;
  • электронные музыкальные инструменты;
  • игровые консоли;
  • активные колонки;
  • аудиоусилители общего назначения.

Возможности усилителей семейства PowIRaudio можно оценить при помощи демонстрационных плат [4]. Кроме того, платы служат примером построения систем на базе аудиодрайверов International Rectifier. Основные характеристики демонстрационных плат представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики демонстрационных плат драйверов семейства PowIRaudio

<t
r>IRAUDAMP9IRS2092S IRFB4227 1 1700 +

Наименование платы Базовый драйвер Выходной
транзистор
Количество
каналов
Выходная мощность (на канал), Вт ШИМ
IRAUDAMP10 IRS2052M IRF6775 2 300 +
IRAUDAMP11 IRS2053M IRF6665 3 120 +
IRAUDAMP12 IR4301M встроенные 2 130 +
IRAUDAMP15 IR4311M встроенные 2 35 +
IRAUDAMP16 IR4302M встроенные 2 70 +
IRAUDAMP17 IR4302M встроенные 2 100 +
IRAUDAMP18 IR4312M встроенные 2 35 +
IRAUDAMP19 IR4301M встроенные 2 75 +
IRAUDAMP4A IRS20957S IRF6645 2 120
IRAUDAMP5 IRS2092S IRF6645 2 120 +
IRAUDAMP6 IRS20957S IRF6785 2 250
IRAUDAMP7D-xx IRS2092S опр-ся мощностью 1 100…500 +
IRAUDAMP7D-xx IRS2092S опр-ся мощностью 2 25…250 +
IRAUDAMP7S-xx IRS2092S опр-ся мощностью 1 100…500 +
IRAUDAMP7S-xx IRS2092S опр-ся мощностью 2 25…250 +
IRAUDAMP8 IRS2093M IRF6665 4 120 +

Транзисторы для аудиоприложений

Для аудиодрайверов с внешними транзисторами International Rectifier предлагает серию транзисторов IRFI4xxxH-117P, оптимизированную для аудиоприложений. Транзисторы данной серии интегрированы попарно в одном корпусе по схеме полумоста, имеют малую емкость «затвор-исток», низкое сопротивление канала в открытом состоянии, а также встроенный диод с малым временем обратного восстановления.

Малое сопротивление снижает потери проводимости и повышает общую эффективность схемы, малая емкость затвора позволяет транзистору работать на более высоких частотах, а также снижает потери на переключение и общий уровень импульсных помех.

Основные характеристики «аудио-MOSFET» International Rectifier представлены в таблице 3.

Таблица 3. Транзисторы International Rectifier для аудиоприложений

Наименование Корпус Макс. напряжение (Vdss), В Rds(on) @10 В, мОм Макс. ток
при Tc = 25°C, А
Заряд затвора Qg тип., нКл
IRFI4024H-117P 5-pin TO-220 55 48 11 8,9
IRFI4212H-117P 5-pin TO-220 100 58 11 12
IRFI4019H-117P 5-pin TO-220 150 80 8,7 13
IRFI4020H-117P 5-pin TO-220 200 80 9,1 19
IRF6665TRPBF DirectFET SH 100 53 19 8,7
IRF6645TRPBF DirectFET SJ 100 28 25 14
IRF6644TRPBF DirectFET MN 100 10 60 35
IRF6775MTRPBF DirectFET MZ 150 56 28 25
IRF6785MTRPBF DirectFET MZ 200 85 15 26
IRF6648TRPBF DirectFET MN 60 5,5 86 36
IRF6668TRPBF DirectFET MZ 80 12 55 22
IRF6646TRPBF DirectFET MN 80 7,6 68 36
IRFB4212PBF TO-220 100 72 18 15
IRFB4019PBF TO-220 150 80 17 13
IRFB5615PBF TO-220 150 32 35 26
IRFB4228PBF TO-220 150 12 83 72
IRFB4020PBF TO-220 200 80 18 18
IRFB4227PBF TO-220 200 20 65 70
IRFB5620PBF TO-220 200 60 25 25
IRFP4668PBF TO-247 200 8 130 161
IRFB4229PBF TO-220 250 38 46 72
IRFP4768PBF TO-247 250 15 93 180

Эксплуатационные характеристики транзисторов при работе в составе усилителей с полумостовой топологией представлены на рисунках 3 и 4.

Допустимые рабочие области транзисторов DirectFET

 

Рис. 3. Допустимые рабочие области транзисторов DirectFET

 

Допустимые рабочие области транзисторов в корпусах TO-220 и FP 5-pin

 

Рис. 4. Допустимые рабочие области транзисторов в корпусах TO-220 и FP 5-pin

Применение транзисторов в специальном низкопрофильном корпусе DirectFET позволяет значительно уменьшить габаритные размеры конечного усилителя. Кроме того, данные корпуса обладают очень низким тепловым сопротивлением (менее 1,5°С/Вт) и позволяют эффективно отводить тепло как на поверхность печатной платы, так и на внешний радиатор, помещаемый на металлическую крышку корпуса транзистора.

Для аудиоусилителей большой мощности компания IR предлагает несколько транзисторов в силовом корпусе TO-247. Их применение (естественно, при креплении на соответствующий радиатор) позволяет достичь выходных мощностей до 1,5 кВт на канал.

Новые серии транзисторов IRFI4xxxH в различном корпусном исполнении перекрывают диапазоны средней и большой выходной мощности, обеспечивая при этом меньшие размеры печатных плат и необходимых радиаторов охлаждения по сравнению с дискретными транзисторами.

Заключение

Компания International Rectifier предлагает полный спектр продукции для построения аудиоканалов для широкого круга задач. Используя различные типы предлагаемых аудио-драйверов и транзисторов, можно получить законченный звуковой усилитель D-класса мощностью от десятков ватт до 1,5 кВт на канал. Используя микросхемы со встроенными ключами — семейство IR43xx — можно реализовать усилитель с минимальными габаритными размерами и отличными звуковыми характеристиками.

Литература

1. Class D Audio Product Selection Guide// http://www.irf.com/product-info/selection-guide/sg-audio.pdf

2. PowIRaudio IR43x2// http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir4302.pdf

3. PowIRaudio IR43x1// http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir4301.pdf

4. International Rectifier — Audio Reference Design Kits// http://www.irf.com/technical-info/refdesigns/audiokits.html

5. 35W/4Ω x 2 Channel Class D Audio Power Amplifier Using the IR4312// http://www.irf.com/technical-info/refdesigns/iraudamp18.pdf.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

•••

Наши информационные каналы