Nieuw klasse-D ontwerp

SSassen · Bericht door **SSassen** » di 15 nov 2005, 14:02

Ik heb al enige tijd zitten broeden op een nieuw eigen ontwerp klasse-D versterker. In eerste instantie wilde ik met de Philips TDA8939 aan de slag omdat daar de complete power-stage al inzit en hij beschikt over TTL compatible comparator ingangen, oftewel de lastige output sectie in een compleet IC. Uitgevoerd in een BTL configuratie is de IMD uiteraard minimaal en ook de THD is goed omlaag te krijgen omdat het signaal differentieel wordt verwerkt in de versterker. Hieronder een indruk van deze versterker uitgevoerd volgens het SODFA concept.

TDA8939 SODFA BTL klasse-D (ver. 005)
http://hardwareanalysis.com/images/arti ... /11540.gif

Uiteraard kon ik het niet laten om ook even een UcD variant te verzinnen, maar daar was ik toch minder van gecharmeerd, een simulatie in LTspice van het filternetwerk vond ik toch niet zo netjes simuleren als bovenstaande SODFA, wat helemaal niks zegt over de kwaliteiten van het UcD concept overigens, maar meer over mijn ervaring met LTspice en de complexiteit van de wiskunde achter het UcD concept.

TDA8939 UcD BTL klasse-D (ver. 004)
http://hardwareanalysis.com/images/arti ... /11536.gif

Dit weekend heb ik een oud ontwerp maar weer eens opgepakt en dit wat afgestoft en aangepast. Het betreft hier een SODFA half-bridge met een driver-IC van IR en discrete MOSFET's aan de uitgang. Hieronder het schema, opgezet met semi-differentiele input en een snelle comparator.

Semi-discrete SODFA half-bridge klasse-D (ver. 007)
http://hardwareanalysis.com/images/arti ... /11666.gif

Uiteraard ben ik nog eens flink gaan optimaliseren in dit ontwerp in een poging dit nog verder te vereenvoudigen en tot mijn grote verrassing kwam ik uit op onderstaand ontwerp. Met tegenkoppeling na de LC sectie en daarmee dus een veel beter THD en IMD score. Inmiddels zijn de onderdelen binnen en ga ik deze week even een prototype bouwen en deze flink aan de tand voelen.

Semi-discrete half-bridge klasse-D (ver. 008)
http://hardwareanalysis.com/images/arti ... /11667.gif

Uiteraard zijn deze ontwerpen allemaal nog in de beginfase, kortom er zal nog wel het een en ander aangepast moeten worden voordat er echt goede resultaten worden neergezet. Neemt niet weg dat ik graag jullie feedback verneem over vooral de laatste twee ontwerpen, de TDA8939 zit voorlopig in de ijskast.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

SSassen · Bericht door **SSassen** » wo 16 nov 2005, 17:16

Zo, een middagje zitten solderen en het prototype is af, alles nu alleen nog even nalopen voordat de voedingsspanning erop gaat. Dit is de de klasse-D versterker volgens het laatste ontwerp uit bovenstaande post.

Afbeelding

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

JuuL · Bericht door **JuuL** » wo 16 nov 2005, 17:33

Complimenten voor hoe netjes jij werkt Sander!

SSassen · Bericht door **SSassen** » wo 16 nov 2005, 17:49

Bedankt JuuL,

Maar eerlijk gezegd is dat ook gewoon nodig, immers als je slordig werkt maak je fouten en dan kost het tijd en geld om die weer te herstellen. Een goede voorbereiding en planning is wat dat betreft het halve werk, maar met een goed ontwerp kom je uiteraard ook een heel eind. Bij dit soort dingen zit het venijn hem in de details, dus je moet goed opletten dat je ook de kleine details niet uit 't oog verliest.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

richard · Bericht door **richard** » wo 16 nov 2005, 18:21

Een foto van de onderzijde is misschien ook wel leerzaam!

SSassen · Bericht door **SSassen** » wo 16 nov 2005, 18:30

U vraagt wij draaien, zie bovenstaande post

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

richard · Bericht door **richard** » wo 16 nov 2005, 22:41

SSassen schreef:
U vraagt wij draaien, zie bovenstaande post

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

Geweldig!

Bericht door **Digidoo** » do 17 nov 2005, 1:27

Het ziet er nog verassend klein uit. Ben benieuwd hoe hij het doet!

Wijx · Bericht door **Wijx** » do 17 nov 2005, 12:45

bekende tekeningen met die BCE en GDS. Zit ik ook altijd mee te kloten

Kep er nu maar een metertje voor gekocht

SSassen · Bericht door **SSassen** » do 17 nov 2005, 16:37

Even een korte update, voordat ik de oscilloscoop en toongenerator uit de kast haal, het vereenvoudigde ontwerp werkt niet naar behoren, er is duidelijk sprake van vervorming die waarschijnlijk inherent is aan de (te ver doorgevoerde) eenvoud van het ontwerp. Het ontwerp met SODFA tegenkoppeling, ver. 007, werkt echter boven verwachting goed, dus daar ga ik eerst even aan meten, om te kijken wat de resultaten zijn.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

voodooless · Bericht door **voodooless** » do 17 nov 2005, 16:51

Spannend

Had je dit soort dingen btw niet ook met simulaties kunnen zien?

SSassen · Bericht door **SSassen** » do 17 nov 2005, 16:54

Ik simuleer eigenlijk alleen maar de basis, omdat IC's zoals de IR2011 of de opamps niet eenvoudig in een simulator te krijgen zijn. Daarnaast is er duidelijk een verschil tussen een ideale situatie die je schetst met de simulator en de real-world, waar allerlei bijkomende faktoren als parasitaire capaciteiten en inducties, een niet ideale layout, etc. etc. roet in het eten gooien. Hieronder nog even een actie-foto ter illustratie.

Afbeelding

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

richard · Bericht door **richard** » do 17 nov 2005, 23:08

Nee he, dropveter,

dan kan het nooit wat worden.

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 7:59

Niet alleen een dropveter, maar zelfs een audiofiele portable CD-speler

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 8:13

Inmiddels heb ik wat metingen gedaan aan het prototype. Het ging mij er daarbij in eerste instantie om om te kijken hoe de schakel-sectie van het ontwerp zich gedraagt, wat de draaggolf-frequentie is en uiteraard of er vervorming optreedt daar waar de sinus het nulpunt passeert. Dit is eenvoudig te doen door de ingang van de versterker kort te sluiten en te meten over de uitgangsklemmen met de belasting (8-ohm) aangesloten.

Draaggolf-frequentie +/- 800KHz, schema ver 007.
Afbeelding

Zoals te zien op bovenstaande foto van m'n oscilloscoop is de draaggolf-frequentie wat aan de hoge kant +/- 800KHz en treedt er nogal wat schakelvervorming op, te zien aan de glitches/spikes rondom het nulpunt. Uiteraard is dit debet aan de hoge schakelfrequentie en het feit dat we hier met een niet geoptimaliseerde layout te maken hebben. Hieronder dezelfde foto alleen nu van een Hypex UcD180 module, zoals te zien is dit een veel netter plaatje.

Hypex UcD180 draaggolf-frequentie
Afbeelding

Kortom, hoog tijd om m'n draaggolf-frequentie een flink stuk te verlagen, eerlijk gezegd is een draagolf van +/- 800KHz op gaatjesprint ook wel wat ambitieus. Hieronder nogmaals een foto van de versterker nu op een 450KHz draaggolf-frequentie, duidelijk is dat er nu veel minder schakelvervorming optreedt.

Draaggolf-frequentie 450KHz, schema ver 007.
Afbeelding

Ik laat het hier bij wat betreft m'n pogingen om dit nog weg te krijgen. Immers we hebben 't hier over een niet optimale layout op gaatjesprint, niet een geperfectioneerd ontwerp zoals de Hypex op een dubbelzijdige doorgemetalliseerde print met SMD componenten. Als de versterker straks een nette layout krijgt op een dubbelzijdige print en de hele schakelsectie in SMD wordt uitgevoerd is een dergelijk resultaat prima te behalen.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 11:51

Uh, wacht 'ns even! Dat klopt niet! Mijn digitale multimeter heeft kuren, de uitgelezen frequentie klopt niet, als ik namelijk de sec/div tel en dan de frequentie uitlees dan kom ik op hele andere waardes. Zie ook onderstaande foto.

Draaggolf-frequentie 400KHz, schema ver 007.
Afbeelding

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

JuuL · Bericht door **JuuL** » vr 18 nov 2005, 11:52

Ai!
Dan heb je toch erg last van overspraak ofzo he? Of Shoot trough?
Trouwens ERG leuk dat je dit met ons deelt, leerzaam!

Je hebt een mooie scope zeg.

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 12:02

Juul,

Het is inderdaad mijn bedoeling om het hele project hier te documenteren, daar worden we allemaal wijzer van (ik hopelijk ook door jullie replies, ik wacht dus nog op goed beargumenteerd en technisch onderbouwd commentaar).

Nee, dit is schakelvervorming rond het nulpunt, je gaat dan namelijk van de bovenste MOSFET (V+) naar de onderste (V-) en daar zit het probleem. Ik ga even andere MOSFET's bestellen want spelen met de dead-time heeft weinig zin gehad. Anders is het helaas debet aan de layout en het niet gebruiken van SMD componenten. Wellicht dat ik de versterker nog een keer opbouw op een nieuw stuk print, maar nu nog compacter.

Maar uiteraard zijn suggesties welkom!

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 13:38

En ja, alweer een update, er wordt vandaag niet gewerkt, alleen geknutseld. Ik ben er inmiddels achter wat de oorzaak is van het gedrag rond het nulpunt. Ik gebruik namelijk een reactieve belasting, een luidspreker, als ik deze vervang door een puur ohmse belasting, een 8.2-ohm/10-watt/MOX weerstand dan ontstaat een heel ander plaatje. Hieronder nogmaals een foto, maar nu met de ohmse belasting, waarin duidelijk het veel betere resultaat te zien is. Kortom, voor het debuggen van een klasse-D ontwerp vooral geen luidspreker gebruiken maar gewoon een ohmse belasting.

Draaggolf-frequentie 400KHz, ohmse belasting, 8.2-ohm/10-watt/MOX, schema ver 007.
Afbeelding

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 15:50

Zo, weer nieuwe foto's. Ik bedacht me zo dat je wel naar het resultaat aan de uitgang kan kijken en je afvragen hoe je dat kunt optimaliseren maar eigenlijk benader je 't probleem dan van de verkeerde kant, immers, je kijkt dan naar het gevolg, terwijl datgene wat interessant is, en ook wellicht oplosbaar de oorzaak is. Kortom, heb even de versterker van voor tot achter doorgemeten.

Overshoot op uitgangen comparator
Afbeelding

Uit bovenstaande foto blijkt al duidelijk dat er op de ingang van de IR2011 MOSFET driver best al veel overshoot zit, dat natuurlijk ook weer terugkomt in het signaal van de eindtrap. Zowel de out (pin 7) als |out (pin 8, inverse) uitgang van de comparator laten hetzelfde beeld zien.

Overschoot op uitgang integrator
Afbeelding

Uit bovenstaande foto blijkt dat we geen vingerwijzingen richting comparator hoeven te doen, de uitgang van de integrator bevat namelijk ook flink wat overshoot. Kortom, de overshoot wordt in het begin van de schakeling geintroduceerd en wordt dan gewoon ook aan de uitgang weer zichtbaar. Of dit komt door overspraak van de eindtrap of dat er een andere oorzaak is is mij nog niet helemaal duidelijk. Eventuele suggesties of commentaar is dan ook meer dan welkom.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

b2 · Bericht door b2 » vr 18 nov 2005, 17:26

Wat staat er op de voeding? Ben je zeker dat de schakelstroom van de FET's niet terug komt op de voeding van de opamps?

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 17:32

b2,

De opamps worden met een 7905/7805 gevoed via een weerstand van 47-ohm vanuit dezelfde voeding (+/- 27-volt) als de MOSFET's. Alle spanningsregelaars zijn voorzien van een 100uF condensator met 100nF aan de input en 680nf MKT en 22uF Panasonic FC aan de output. Maar zie schema voor de details in de eerste post, ver. 007.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

JuuL · Bericht door **JuuL** » vr 18 nov 2005, 17:33

b2 bedoelt of je dat ff hebt gemeten met de scope denk ik

SSassen · Bericht door **SSassen** » vr 18 nov 2005, 17:37

Ja, da's een van de eerste dingen die ik gemeten heb, modulatie door de voedingsspanning is uiteraard een standaard oorzaak. Helaas was het niet zo simpel, en ik had daar natuurlijk al op geanticipeerd door de voeding voor de opamps uit te voeren met spanningsregelaars ipv. een zener en een weerstand bv.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
http://www.hardwareanalysis.com

b2 · Bericht door b2 » vr 18 nov 2005, 17:37

@ JuulL: inderdaad. een simpel metinkje kan veel verhelderen.

Maar,
Waarom maakt je het schema niet zoals in de datasheet van de ir2011? Daar zit de belasting tussen de drain en de source van de 2 fet's tussenin.
Op die manier zijn de piekstromen door de schakeleffecten zeker begrenst.
Ik weet niet of dit kan hé, het is gewoon een vraag.