L'actualité PCB - Les défis de conception des amplificateurs numériques haute puissance

Les défis de conception des amplificateurs numériques haute puissance comprennent: 1) les problèmes SMPS, y compris les problèmes de topologie et de conception à haut débit; 2) les composants importants dans le SMPS et les voies de signal à haut débit doivent être correctement spécifiés pour gérer des puissances et des courants plus élevés; 3) problèmes de conception de circuits imprimés (PCB), y compris la largeur des lignes de signal et les interférences électromagnétiques (EMI).

En règle générale, les produits stéréo ou multicanaux pouvant atteindre 300 W par canal doivent pouvoir atteindre 600 W en continu pour être conformes aux réglementations établies aujourd'hui par la Federal Trade Commission (FTC). Selon la Federal Trade Commission, les canaux gauche et droit doivent continuer à appliquer la pleine puissance pendant cinq minutes avant que le fabricant puisse appeler cette puissance nominale. Comme l'alimentation à découpage (SMPS) est actuellement la technologie d'alimentation la plus couramment utilisée pour les amplificateurs numériques, cela nécessite que le SMPS fournisse un niveau de puissance de 600 W pendant au moins 5 minutes. Cinq minutes est une durée relativement longue du point de vue de la dissipation de chaleur. En effet, le SMPS doit pouvoir réaliser cette puissance en continu. Pour cette puissance élevée, un SMPS Push - pull, semi - pont ou pont complet est généralement recommandé. Pour les conceptions SMPS de faible puissance (moins de 200 w), la topologie inverse est le plus souvent utilisée. Cet article ne détaille pas pourquoi les alimentations à découpage Push - pull ou à demi - Pont conviennent à l'égalité électrique haute puissance. Seules de brèves descriptions sont fournies ci - dessous. Dans le SMPS inverse, seule une partie de la courbe B - H magnétique du transformateur est utilisée (voir figure 1). En outre, le SMPS inversé a une structure plus simple et un coût inférieur.

Parce que le courant élevé du SMPS de haute puissance provoquera un flux magnétique extrêmement élevé dans le transformateur SMPS, l'utilisation de l'ensemble de la ligne de retour d'hystérésis B - H peut réduire les pertes du noyau. Les topologies Push - pull ou Half - Bridge peuvent augmenter la puissance du SMPS, mais la complexité et le coût de la conception augmentent également. En outre, il est nécessaire de remplacer les composants utilisés dans le SMPS pour obtenir une puissance et un courant élevés. Les transformateurs SMPS doivent également être amplifiés pour gérer des puissances et des courants élevés. Pour une entrée 220VAC, un courant de crête de 600W SMPS peut atteindre 15 ampères. Pour les modèles 110 VAC (90 vac à 136 VAc), il est recommandé d'utiliser un multiplicateur de tension ou une correction du facteur de puissance (PFC) après le filtre, car pour un SMPS de 600 W avec une entrée de 90 vac à 136 vac, le courant d'entrée sera important. Les composants nécessitant une surveillance étroite comprennent un condensateur redresseur AC - DC d'entrée principale et un condensateur d'annulation de tension ondulée DC auxiliaire. En outre, le filtre de ligne EMI d'entrée doit également être capable de supporter une charge de puissance accrue. Étant donné que la conception de ces Alimentations est assez complexe et nécessite des connaissances spécialisées, il est généralement recommandé d'utiliser les alimentations SMPS existantes. Les composants de chemin de signal audio ont d'autres considérations lors de la conception de courants d'ondulation plus élevés. Par exemple, selon le circuit illustré à la figure 2, le courant ondulé dans un système utilisant le tas5261 peut atteindre 1,6 ampères avec une tension de pont en H (pvdd) de 50 V, une inductance de 10 µh et une fréquence de commutation de 384 kHz. Cela signifie que l'inductance et la capacité dans le filtre LC de sortie et le condensateur pvdd doivent être capables de gérer le courant de charge et ce courant d'ondulation. La présence d'un courant élevé dans l'inductance du filtre signifie également que l'inductance doit avoir une résistance en courant continu assez faible (inférieure à 25 milliohms recommandés). Cependant, même si la résistance est faible, l'inductance du filtre est affectée par les pertes i2r. L'inducteur doit pouvoir répondre à la montée en température qui en résulte, notamment pour le noyau. La conception de référence tas5261 comprend un tableau des matériaux et un numéro de pièce spécifique de l'inducteur.

Problèmes de conception PCB les lignes de signal PCB des amplificateurs à courant élevé et des SMPS doivent avoir une résistance minimale pour minimiser les pertes i2r. En général, cela signifie que 2 onces de cuivre doivent être utilisées et que la ligne de signal doit être aussi large que possible. La figure 3 montre les lignes de signal de la carte PCB de conception de référence tas5261. Pour minimiser les problèmes d'EMI et de performances audio, vous devez suivre la configuration autant que possible et appliquer cette configuration complètement inchangée à l'extrémité haute tension / haute puissance de la classe de puissance. La ligne de signal haute puissance est située à droite du circuit intégré (IC) de la couche supérieure (comme indiqué par la flèche). La figure 3 montre également la configuration du PCB pour le modèle de référence tas5261.

Le nouvel étage de puissance à puissance élevée de l'amplificateur numérique contribue au développement de produits et d'applications plus diversifiés. Les concepts décrits dans cet article peuvent aider à surmonter les principaux défis rencontrés dans la conception de haute puissance.