"о вреде курения и пользе никотина" или к чему иногда приводит чтение даташитов

В очередной раз ковыряясь на просторах интернета и размышляя о высоких материях типа того, как бы преобразовать рабкрин сделать схему источника тока попроще и как бы приспособить к этому делу что-нибудь подходящее, типа каких-нибудь готовых микросхем источников питания, наткнулся за забавные мелкие усилители класса D. Из нездорового чистого любопытства решил поглядеть как там оно внутри устроено. Первый же взгляд на структурную схему убил меня наповал. Это было именно то, что я так давно искал — никаких ULVO и прочей ненужной (для конкретной задачи) требухи, отличная линейность и, что совсем уж хорошо, готовность работать с источником сигнала «приподнятым» ровно на половину питания. Именно эти заморочки превращали все мои попытки нарисовать схему с внутренней обратной связью с применением готовых микросхем для источников питания в дикую кашу из операционников и делителей напряжения, сводя таким образом саму идею упрощения практически на нет. В итоге (не очень долгих) размышлений родилась вот такая структурная схема…



Сразу предупреждаю, что это не готовая схема, тут много чего не хватает и вполне могут быть ошибки. Но, надеюсь, для описания идеи это не помешает.
Итак, «безфильтровые» усилители класса D имеют внутри два PWM модулятора, работающих, как бы, в противофазе. После каждого модулятора стоит драйвер на комплементарной паре полевиков. Динамик вешается между выходами драйверов (а не к земле). В итоге без сигнала оба выхода компенсируют друг друга и через динамик течет нулевой ток (в идеале). Да, в качестве нулевого сигнала на входе такой усилитель понимает болтающиеся в районе половины питания входы. Если подать сигнал, то скважность одного из модуляторов уменьшается, второго увеличивается, так что через нагрузку начинает течь ток. При смене полярности сигнала (относительно половины питания), ток течет в другую сторону. Поскольку динамик это, вобщем, индуктивность, а частота преобразования высокая (250-300кГц), то «свиста» ШИМ-а не слышно, остается только сигнал в звуковом диапазоне частот, который динамик успешно и воспроизводит.
Дальше все просто — динамик выбрасываем, к выходу каждого драйвера усилителя вешаем по драйверу полевиков и, собственно, сами полевики. Увы, гальваническая ванная вовсе не индуктивность, поэтому добавлаем по индуктивности (ну и по емкости, что бы уж точно отсеять все, что не нужно). Получается управляемый напряжением регулятор напряжения для незаземленной нагрузки. Подали напряжение больше половины питания усилителя — ток течет в одну сторону, подали меньше — в другую. Осталось сделать последний шаг — добавляем биполярный датчик тока и, о радость, при нулевом токе через него у него тоже ровно половина питания на выходе, что позволяет связать выход датчика непосредственно с инвертирующим входом усилителя, замыкая, таким образом, обратную связь. Теперь уже напряжение на входе усилителя определяет не напряжение на нагрузке, а ток через нее.

Все написанное выше — мои теоретические размышления на тему, проверить на практике в ближайшее время у меня возможности нет. Поэтому комментарии по делу категорически приветствуются.

P.S. конкретную микросхему усилителя не указываю, их вагон и маленькая тележка. на вскидку желающие могут посмотреть, например, серию TPA2001-2006 у TI или NCP2820 у ON Semi.

UPDATE:
Существенный момент: в отличие от той схемы, которую я развивал раньше, тут верхнее и нижнее плечи полумостов ролями не меняются, соответственно можно подбирать транзисторы и драйверы как для обычного синхронного преобразователя. Это дает как более широкий диапазон выбора, так и более оптимальное сочетание параметров транзисторов.
  • +1
  • 22 ноября 2012, 06:00
  • evsi

Комментарии (54)

RSS свернуть / развернуть
А можно конкретный пример биполярного датчика тока?
0
Конечно. Вот целый выводок.
0
Я заказал ACS756SCA-050B.
0
Если честно, то мне больше нравится 709-я (35А вариант). Она вообще как-то особняком стоит во всей этой компании. У нее довольно низкая чувствительность, поэтому свои номинальные +-35А она выбирает примерно в диапазоне +-1В от питания. Но рабочий диапазон выходных напряжений значительно шире и даташит гарантирует (с некоторой потерей точности) нормальную работу в диапазоне +-75А. Кроме того, у нее много встроенных полезных плюшек типа опорного источника напряжения Vcc/2 и настраиваемого триггера перегрузки по току.
0
Давно вынашиваю идею мерить ток заряда/разряда АКБ в авто + кулонометр можно сделать. Вот эти датчики тока приерно то, что мне надо.
0
Реально ли? При работе стартёра ток может быть несколько сот ампер. Тогда как в простое — миллиамперы.
0
Посмотрел, тут есть на +/- 200A при OverCurrent до 1200 А. Хотя с чувствительностью будет не очень. Можно поставить 2 датчик тока между генератором и аккумулятором и между аккумулятором и бортсетью (исключая стартер), тогда можно просто смотреть ток зарядки и ток разрядки АКБ. Вообще это только идеи.
0
Я тоже давненько на них подсел, в смысле на ACS-ки. Есть еще вот такая хрень, но к ней шунт нужен. Да и как у нее с доставабельностью я не проверял.
0
У меня лежит две amc1200 от TI семплами пришли. Правда тоже шунт нужен.
0
добавил одно существенное дополнение к тексту
0
  • avatar
  • evsi
  • 22 ноября 2012, 13:15
Вопрос ламера: в синхронном преобразователе, ток течет всегда в одну сторону. В Вашем реверсируемом преобразователе, ток течет то в одну то в другую сторону, с некой частотой, регулируемой снаружи (МК например). А в этом получается что ток течет то в одну то в другую с частотой ШИМ усилителя (100+КГц). Или я что-то не понимаю?
0
Стоящая после полумоста и индуктивности фильтрующая емкость замыкает цепь по переменному току, поэтому можно считать, что после нее просто регулируемое постоянное напряжение. В итоге ток через нагрузку течет пропорционально разности напряжений между каналами. Если углубиться в подробности, то окажется, что нижнее плечо «проигравшего» канала замыкает цепь по постоянному току. Поскольку каналы работают в противофазе, то нижнее плечо «проигравшего» канала работает с бОльшей скважностью (поскольку выходнодное напряжение у этого канала ниже), так что оно открывается раньше, а закрывается позже, чем нижнее плечо «выигравшего» канала, синхронно с верхним плечом «выигравшего» канала (поскольку фазы изменяются синхронно). Ток с частотой ШИМ через нагрузку течет только в виде сглаженных пульсаций «победившего» канала.

Возможно я, конечно, ошибаюсь, но пока мне работа этой схемы представляется именно так.
0
Был бы признателен минусующим за конструктивную критику.
0
  • avatar
  • evsi
  • 23 ноября 2012, 19:09
Слепил макет на TPA2001 с управлением по неинвертирующему входу. Ввиду её невысокого входного сопротивления (100 кОм максимум) пришлось добавить операционник. Результат ожидаемый. По плану сегодня подключить к драйверу и дроссели мотать.
Рассматривал варианты с интегральными усилителями класса D большой мощности… увы. Они все рассчитаны на нагрузку в 4 Ом и выше и, соответственно, их выходные мосфеты не те что нужно — по напряжению избыточны, по току и сопротивлению в открытом состоянии — наоборот. Максимум ампер 10 можно вытащить…
0
  • avatar
  • Katz
  • 24 ноября 2012, 09:31
Можно подробнее? Куда операционник и каков был ожидаемый результат? Да, и чем помешало входное сопротивление? Его, вроде как, и так с запасом.
0
По управляющему напряжению (неинвертирующий вход) и по напряжению с датчика тока (инвертирующий). Там ещё коэффициенты передачи должны быть 1/4, при сохранении «средней точки» (минимально возможное усиление у TPA2001 6 дБ).
0
По идее вся конструкция представляет собой своеобразный операционник, общее усиление которого определяется парой резисторов на инвертирующем входе, а внутренние усиления особой роли не играют. Если же перейти к неинвертирующему включению, то инвертирующий вход можно напрямую соединить с выходом датчика тока, а на инвертирующий подавать управляющее напряжение. Усиление такой схемы будет равно единице, только единице не в смысле напряжения не выходе, а в смысле напряжения на выходе датчика тока. То есть подавая, скажем, 3.5В на вход (+1В к средней точке) на выходе получим ток соответствующий этому напряжению на выходе датчика тока (например, для 20A варианта ACS712 это будет 10А, а для 30А варианта — 15 с копейками).
0
Я извиняюсь. А можно разжевать подробно, для даунов в схемо-технике? Спасибо.
0
Берем схему повторителя на операционнике. Теперь представляем себе, что схема из топика, от пары дифференциальных входов IC1 до выхода датчика тока, это треугольник с картинки из вики. Тепер соединяем все так как на картинке в вики — инвертирующий (INM) вход IC1 подключаем напрямую к выходу датчика тока. Поскольку питание у нас однополярное, то виртуальный 0 находится на половине питания, соответственно, неинвертирующий вход вешаем на делитель напряжения питания пополам. Туда же будем подавать управляющее напряжение в диапазоне, скажем, 0.5 — 4.5В (на самом деле диапазон определяется датчиком тока). Когда на входе ровно 2.5В — через нагрузку ток не течет, на выходе датчика тока тоже 2.5В. Теперь если «приподнять» относительно виртуального нуля неинвертирующий вход на, скажем, 1В, то этот «операционник» будет стремиться скомпенсировать это входное напряжение увеличивая ток через нагрузку до тех пор, пока на выходе датчика тока не станет такое же напряжение, как и на неинвертирующем входе. Какой конкретно при этом будет ток через нагрузку однозначно зависит от датчика тока (от его коэффицианта преобразования ток-напряжене). У ACS712 в 20А исполнении это 100мв/А, то есть на выходе напряжение смешается относительно половины питания на 100мв при прохождении тока через датчик в 1А. Соответственно, поскольку в мысленном эксперименте мы увеличили напряжение на входе на 1В, то для получения такого же напряжения на выходе датчика тока нужно, что бы через нагрузку тек ток 10А. Совершенно аналогично все работает и с уменьшением напражения на входе относительно половины питания. Поскольку датчик у нас биполярный, то при прохождении через него тока в обратном направлении уменьшает напряжение на выходе относительно половины питания.

Надеюсь так понятнее.
0
Спасибо огромное за ответ. Эту часть я как раз понял :)
1) Я не понял куда и как Katz поставил ОУ и для чего?
2) Зачем на управляющем входе управляющий сигнал и сигнал от датчика подаются через резисторы?
Спасибо еще раз.
0
То, что я описал выше, это те изменения в схеме, которые я предлагаю сделать. То, как схема нарисована в топике, это всего лишь инвертирующий повторитель с ровно такими же свойствами. Если посмотреть в ту же вики на инвертирующий усилитель, то вы увидите, что схема в топике это именно он и есть.
0
Теперь понятно. Меня R1 с толку сбил. Он должен быть подключен по другому (ошибка в схеме?).
Спасибо за ответы.
0
Не, там все правильно, просто схема так нарисована.
0
А по моему — все же ошибка. R2 дожен цепляться к входу, а не выходу.
0
Гм. Если я правильно понял, о какой схеме речь. Я о схеме в посте.
0
Точно. Инвертирующий вход и выход источника тока поменяны местами.
0
Схему отрисую после экспериментальной проверки.
Опер там, в принципе, не нужен, если выходное сопротивление источников управляющего напряжения и напряжения ОС мало по сравнению со входным сопротивлением усилителя. В моём случае это не совсем так — предполагается применить «бортовой» ЦАП STM8L151 с отключенным буфером, а в процессе «пристрелки» — вообще 10-кОмный потенциометр. При 100 кОм входного сопротивления усилителя 10%-ный косяк уже получается.
0
Я подумал и решил, что там самое место не ЦАП-у, а цифровому резистору. Да, а при неинвертирующем включении выходные сопротивления должны быть пофиг, поскольку входное там будет достаточно большим.
0
Грубые они, эти цифровые резисторы, дискретность регулировки большая будет.
0
Для резистора на 256 положиний получается меньше четверти ампера даже для 30А источника. Для работы, IMHO, вполне достаточно.
0
Да нормально. Первоначально я собирался 6-битный ШИМ гонять с STM-ки (чтобы получить 250 кГц) — погрешность установки тока около полутора процентов ну никак не фатальна.
10-килоомные DS1267 где-то просто так валяются, но, в принципе, они дороговаты.
0
Ну так не в серию же, для себя любимого один можно и выделить.
0
Ну естественно. Не собираюсь же я эти источники тысячами тиражировать. :)
С контроллером тоже напряга нет. Просто так получилось, что STM8L справляется. Изначально был заложен, куплен… и куда-то благополучно про… н C8051F410 стоимостью аж в 5 пачек сигарет вместо двух. ;)
Просто ради ориентира заложил планку в 500 грн., выбрано не больше трети от этой суммы на всё про всё. ЧПУ сверлилка куда дороже обойдётся, а без неё с моим зрением — мучение сущее.
0
По ходу зарапортовался. 6 дБ — это ведь 2 раза по напряжению, так что половина. :)
0
Кстати, внимательное курение даташита на TPA200x показало, что выходы там переключаются в фазе, но скважность меняется разнонаправлено. В итоге при перекосе на входе относительно нуля частота импульсов на выходе вдвое больше частоты дискретизации. Осталось понять как это можно учесть при расчете. То ли забить и использовать частоту дискретизации, то ли действительно можно индуктивности меньше поставить…
0
Это проверю экспериментально, дроссели на 10 и 22 мкГн уже намотаны. :)
Пока что ориентируюсь на частоту ШИМ 200 кГц, дальше подгоню по минимуму потерь…
0
Кстати, какие транзисторы и какие драйверы планируешь использовать?

P.S. подгонять частотой не стоит, лучше посчитать.
0
Кстати, внимательное курение даташита на TPA200x показало, что выходы там переключаются в фазе, но скважность меняется разнонаправлено.
Так по другому и быть не могет. Эта микросхема не один, а два усилителя класса D в мостовом включении. При желании динамики можно к нему подключить и так (перерисовал только выход)

Второй усилитель работает в противофазе с первым. То, что ШИМ сигнал в фазе не удивительно — тактируются оба канала от одного генератора.

Относительно входа. У TPA2001 он дифференциальный, т.е. на входы INN (Input negative) и INP (Input positive) сигнал подается тоже в противофазе. Я не могу понять, что делает обведенный красным узел,

но если его убрать, то мы имеем два независимых канала класса D. ИМХО, при приведенной тобой схеме включения входа INP (2,5В постоянки) на выходе OUTP будет сигнал с постоянной скважностью. Или это так и задумано? Потому как реверс тока можно реализовать и в таком варианте, гонять второй выход от VDD до GND относительно VDD/2, вот только эффективность гораздо ниже.
0
именно так все и задумано — вся схема это один большой операционник и оба канала используеются по назначению.

Тот узел, насколько я понимаю, позволяет синхронно и противофазно сдвигать скважность обоих шимов.
0
Я немного не правильно отписался. Что он делает я приблизительно понимаю, уровни синхронизирует, я не пойму, как он это делает. По структурке его действие не совсем понятно и в текстовом описании тоже не нашел.
0
Он это делает синхронно и разнонаправлено сдвигая скважность ШИМ-а в протовоположном канале. В итоге через нагрузку начинает течь ток пропорциональный разности скважностей между каналами. Если мы смотрим одинаковый даташит, то на Figure 2 три верхних эпюры показывают выходы при отсутствии сигнала (и неидеальном согласовании каналов), а три нижние — при наличии напряжения на входе. Там даже стрелочками показано как изменилась скважность в каждом из каналов.
0
А вот тут позвольте не согласиться. Обведенный красным, возможно, балансирует среднюю точку, чем компенсирует возможную несимметричность дифсигнала на входе. Опять таки ИМХО, сдвигом фаз занимается «Deglitch logic».
0
Эта штука даёт противофазные сигналы на плечи моста вообще-то — точно так же, как и в линейных мостовых усилителях. :)
0
Не, там хитрее. В паузе сигналы идут наоборот, в фазе. В даташите это все расписано.
0
Почти в фазе, там ток в виде коротких импульсов изобразили. ;)
0
Ну совпадение-то не идеальное, поскольку каналы не просто инверсия один другого, а два полноценных ШИМ модулятора. Там полного совпадения добиться сложно, поэтому короткие противофазные импульсы.
0
Которая из них, «в красном» или Deglitch logic?
0
Если этот «в красном» сможет скомпенсировать скормленный тобой сигнал таким образом

то будет счастье. А вот если нет, т.е. микросхема тупо рассчитывает на симметричный дифсигнал, либо глубины коррекции будет недостаточно, то будет, но уже не совсем счастье.
Да, всю схему (вместе с нагрузкой и датчиком тока) можно представить как один операционник. Вот только операционники бывают с Uпит/2 выходом, а бывают «Rail-To-Rail». Последние интереснее, да и не надо забывать, что цель наша находится внутри этого операционника. Если этот «в красном» такую компенсацию не обеспечит, то ее нужно городить, эффективность выше будет.
0
Один из вариантов включения этих схем предусматривает работу от недифференциального источника сигнала. Что же до RR операционников, то у них на выходе тоже V/2, да и пофиг нам это, поскольку датчик тока все равно V/2 и от RR нам никакого проку, это сильно за пределами рабочего диапазона.
0
Так по другому и быть не могет.
Кстати, может. Почитай внимательно даташит, там описаны оба варианта. И у TPA200x, кстати, не классический (когда оба канала в противофазе).

P.S. лучше, все-таки, рассматривать такие чипы не как пару каналов, а как один операционник с дифференциальным входом и выходом.
0
Таки могет! Дурацкая привычка читать через абзац опять подвела. :) Прочитал внимательнее. Тогда совсем не понятно стало тут:
выходы там переключаются в фазе, но скважность меняется разнонаправлено

Это что, взаимоисключающие параграфы? :) Меня именно «выходы там переключаются в фазе» с толку и сбило, почему и влез в обсуждение. ИМХО, формулировка не совсем корректная.
Играя «duty cycle» эта микросхема обеспечивает синфазность сигналов на выходах только при нулевом токе в нагрузке, т.е. нуле на входе, во всех остальных случаях фронты и спады смещены. И, таки да, к классическому двойному ШИМ, включенному в мост, это решение отношения практически не имеет.
0
Если понимать «в фазе» как «в одном направлении в течении полупериода» (что я, собственно и хотел сказать), то фраза остается корректной не только при нуле на входе. Что же касается неклассичности этого решения, то нам, как бы, это пофиг :)
0
Да, в качестве нулевого сигнала на входе такой усилитель понимает болтающиеся в районе половины питания входы.
ИМХО, в качестве нулевого сигнала на входе такой усилитель понимает равенство напряжений на входах. Хоть 5в хоть 0в.
0
оно-то так, только если посмотреть на диаграммы генерируемых ШИМ-ов, то лучше, все-таки, держать именно половину питания.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.