เครื่องขยายเสียง Class D คืออะไร? หลักการทำงาน ประสิทธิภาพ และพื้นฐานการออกแบบ OEM

วางมือของคุณบนด้านหลังของลำโพงกำลังไฟ 500 W หลังจากเล่นไปหนึ่งชั่วโมง การออกแบบคลาส A หรือคลาส เอบี มักจะร้อนเกินกว่าจะสัมผัสได้ แอมพลิฟายเออร์คลาส D มักจะอุ่นเพียงอย่างเดียว ความแตกต่างประการหนึ่งนั้นอธิบายสิ่งสำคัญส่วนใหญ่ได้

แอมพลิฟายเออร์คลาส D เป็นแอมพลิฟายเออร์สวิตชิ่ง ทรานซิสเตอร์เอาท์พุตของมันถูกขับเคลื่อนให้เปิดหรือปิดเต็มที่ด้วยความถี่สูง และข้อมูลเสียงจะถูกส่งไปตามความกว้างของพัลส์เหล่านั้น แทนที่จะเป็นจุดทำงานเชิงเส้นของอุปกรณ์ ฟิลเตอร์ LC โลว์พาสที่เอาต์พุตจะตัดแถบพาหะสวิตชิ่งและปล่อยให้เสียงที่ขยายออกไป เนื่องจากทรานซิสเตอร์แทบไม่เคยอยู่ในขอบเขตเชิงเส้น พลังงานเพียงเล็กน้อยจึงเปลี่ยนเป็นความร้อน ประสิทธิภาพโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 80% ถึง 95% เทียบกับประมาณ 25-30% สำหรับคลาส A และ 50-70% สำหรับคลาส AB

แอมพลิฟายเออร์ ชั้นเรียน D คืออะไรกันแน่?

ตัวอักษร D ไม่ได้หมายถึง "ดิจิทัล" มันเป็นเพียงตัวอักษรถัดไปในลำดับของคลาสแอมพลิฟายเออร์ และพาธเสียงภายในสเตจคลาส D จะเป็นแอนะล็อก: กระบวนการพัลส์ไวด์ธมอดูเลชัน (PWM) ไม่ใช่สตรีมของค่าและศูนย์ สิ่งที่เป็นดิจิทัลอย่างแท้จริงในลำโพงขับเคลื่อนสมัยใหม่มักจะเป็น DSP ที่ป้อนแอมพลิฟายเออร์ ไม่ใช่ตัวแอมพลิฟายเออร์เอง

โมดูลเครื่องขยายสัญญาณเสียงคลาส D ทั่วไปประกอบด้วยบล็อกการทำงานห้าบล็อก:

• โมดูเลเตอร์ความกว้างพัลส์ - เปรียบเทียบเสียงขาเข้ากับพาหะสามเหลี่ยมความถี่สูง และสร้างคลื่นสี่เหลี่ยมซึ่งมีรอบการทำงานตามระดับสัญญาณทันที
• ตัวขับเกตและสเตจเอาต์พุต MOSFET - สลับรางจ่ายไฟที่หลายร้อย kHz โดยจัดเรียงเป็นฮาล์ฟบริดจ์หรือที่กำลังสูงกว่า เป็นแบบคอนฟิกูเรชันฟูลบริดจ์ (BTL)
• ตัวกรองเอาต์พุต LC - หาค่าเฉลี่ยของพัลส์เทรนกลับเป็นรูปแบบคลื่นเสียง และคอยสับเปลี่ยนสิ่งตกค้างให้ห่างจากตัวขับ
• เครือข่ายข้อเสนอแนะ - สุ่มตัวอย่างเอาต์พุตและแก้ไขข้อผิดพลาด ซึ่งเป็นสิ่งที่แยกการออกแบบ คลาสดี ที่สะอาดออกจากการออกแบบที่รุนแรง
• แหล่งจ่ายไฟสลับโหมด - มักจะเป็นส่วนหน้า PFC บวกกับสเตจรีโซแนนซ์ LLC ในโมดูลระดับมืออาชีพ โดยยึดรางให้มั่นคงตลอดช่วงอินพุต AC ที่กว้าง

A - แหล่งจ่ายไฟเรโซแนนซ์ PFC และ LLC; B - โมดูเลเตอร์ PWM และไดรเวอร์เกต; C - ระยะเอาท์พุต MOSFET; ตัวกรองเอาต์พุต D - LC พร้อมข้อเสนอแนะ

แอมพลิฟายเออร์คลาส D ทำงานอย่างไรทีละขั้นตอน

1. การปรับสภาพอินพุต เส้นหรืออินพุตแบบบาลานซ์ถูกบัฟเฟอร์ และในโมดูลที่ติดตั้ง DSP จะส่งผ่าน EQ, ครอสโอเวอร์, การจำกัดและการหน่วงเวลาก่อนถึงระดับกำลัง
2. การปรับ ตัวเปรียบเทียบจะผสมเสียงกับพาหะรูปสามเหลี่ยม ข้อความที่ดังทำให้เกิดเสียงเป็นจังหวะกว้าง ความเงียบทำให้เกิดรอบการทำงาน 50% ซึ่งตัวกรองจะมีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์
3. การสลับ โปรแกรมควบคุมเกตจะเปิดและปิด MOSFET อย่างหนัก โดยใส่ Dead Time ไว้ ดังนั้นอุปกรณ์ทั้งสองในฮาล์ฟบริดจ์จะไม่ทำงานพร้อมกัน
4. การฟื้นฟู ตัวกรอง LC จะส่งผ่านเสียงและบล็อกพาหะ โดยมีจุดตัดที่อยู่เหนือ 20 kHz แต่ต่ำกว่าความถี่สวิตชิ่งมาก
5. การแก้ไขข้อผิดพลาด เสียงตอบรับจะส่งสำเนาเอาต์พุตตามขนาดไปยังโมดูเลเตอร์ ซึ่งลดการบิดเบือนและปรับปรุงปัจจัยการหน่วงที่ขั้วต่อ

รายละเอียดสองประการเป็นตัวตัดสินว่าผลลัพธ์จะฟังดูชัดเจนหรือหยาบ: การสลับความถี่และการออกแบบลูป การเพิ่มความถี่ในการสลับจะทำให้ตัวกรองหดตัวและปรับปรุงพฤติกรรมความถี่สูง แต่เพิ่มการสูญเสียการสลับและ EMI การตอบสนองของตัวกรองล่วงหน้านั้นเรียบง่ายแต่ไวต่อโหลด ผลป้อนกลับหลังตัวกรองจะแก้ไขข้อผิดพลาดของตัวกรองและเป็นมาตรฐานในโมดูลที่ต้องคงที่ในโหลด 4 โอห์มหรือ 8 โอห์ม

คลาส D กับคลาส A, AB และ H: สิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปจริงๆ

ชั้นเรียนไม่ใช่ระดับคุณภาพ โดยจะอธิบายวิธีการทำงานของอุปกรณ์เอาท์พุต และตัวเลือกเดียวนั้นขับเคลื่อนประสิทธิภาพ ความร้อน ขนาดตู้ และต้นทุนแหล่งจ่ายไฟ

ช่องว่างจะประกอบกันอย่างรวดเร็ว ที่ประสิทธิภาพ 90% โมดูล 1000 W จะเปลี่ยนพลังงานความร้อนประมาณ 110 W; ที่ 55% เอาต์พุตเดียวกันหมายถึงความร้อนมากกว่า 800 W นั่นคือความแตกต่างระหว่างตู้แบบไม่มีพัดลมและยูนิตชั้นวางที่มีการบังคับระบายความร้อน

คลาส D ครั้งหนึ่งเคยถูกละทิ้งเนื่องจาก EMI การตอบสนองความถี่ที่ขึ้นอยู่กับโหลด และการบิดเบือนที่สูงกว่าบริเวณด้านบนของแบนด์ ข้อร้องเรียนเหล่านั้นมาจากความถี่สวิตช์ต่ำและข้อเสนอแนะจากตัวกรองล่วงหน้า และส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมออกมาแล้ว สิ่งที่สำคัญมากกว่าชื่อคลาสในปัจจุบันคือการนำไปใช้: โทโพโลยีแบบวนซ้ำ ความถี่สวิตชิ่ง คุณภาพแหล่งจ่ายไฟ และการออกแบบการระบายความร้อน

โดยที่ Class D อยู่ในลำโพงเพาเวอร์หรือซับวูฟเฟอร์

สำหรับลำโพงแบบแอคทีฟที่ใช้ในอาคาร OEM ตู้มักจะเป็นผู้ตัดสินใจ ลำโพงแบบคอลัมน์หรือกล่องสองทางแบบหล่อไม่มีที่ว่างสำหรับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ ดังนั้นสวิตช์บอร์ดตัวเดียวที่ส่งกำลัง เช่น 400 W ไปยังตัวขับความถี่ต่ำ และ 100 W ไปยังตัวขับความถี่สูง จึงเป็นคำตอบที่ใช้งานได้จริง ตรรกะเดียวกันนี้ใช้กับช่องซับวูฟเฟอร์ BTL โดยที่หนึ่งโมดูลสามารถจ่ายกำลังวัตต์สี่หลักไปที่โหลด 8 โอห์มโดยไม่ต้องใช้พัดลม

ตระกูลโมดูลสามตระกูลครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่:

EON520: LP400W HP100W PFC LLC โมดูลเครื่องขยายสัญญาณเสียงคลาส D แรงดันไฟฟ้ากว้างแบบเรโซแนนซ์ ● พาวเวอร์ซัพพลายแบบสวิตชิ่งประสิทธิภาพสูงพร้อม PFC LLC Resonance: 800W ● อินพุตแรงดันไฟฟ้ากว้างแบบปรับตัวเองได้: 100V-240V ● แอมพลิฟายเออร์กำลังกลางและความถี่ต่ำ: CLASS D 40... ดูผลิตภัณฑ์ →

EON522SUB: LP 500W/4ohm LLC โมดูลเครื่องขยายเสียงซับวูฟเฟอร์แบบเรโซแนนซ์ที่ใช้งานอยู่ ●LLC Resonant ประสิทธิภาพสูงและความน่าเชื่อถือสูง Switching Power Supply: 800W ●เครื่องขยายเสียงเบส: CLASS D 500W-4 โอห์ม ●หม้อน้ำอลูมิเนียมรูปตัว U, กำลังขับที่เสถียร, ... ดูผลิตภัณฑ์ →

EON521 1500:LP 1500 W/8ohm Pro Audio BTL ซับวูฟเฟอร์เครื่องขยายเสียงโมดูล ●LLC Resonant ประสิทธิภาพสูงและความน่าเชื่อถือสูง Switching Power Supply: 1800W ●BTL Power Amplifier: CLASS D 1500W-8 Ohm ●หม้อน้ำอลูมิเนียมรูปตัว U, กำลังไฟที่เสถียร... ดูผลิตภัณฑ์ →

การจับคู่โมดูลกับทรานสดิวเซอร์มีความสำคัญพอๆ กับกำลังไฟที่ตรงกัน โมดูลสองทางจะจับคู่ช่องสัญญาณความถี่ต่ำผ่านกับช่องสัญญาณความถี่สูงและคาดว่าจะมีจุดครอสโอเวอร์ที่เหมาะสมกับไดรเวอร์ HF ของคุณ โมดูลซับวูฟเฟอร์คาดว่าจะมีอินพุตแบบจำกัดแบนด์และอิมพีแดนซ์โหลดที่ได้รับการออกแบบมา อิมพีแดนซ์และจุดครอสโอเวอร์ที่ไม่ตรงกันเป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดที่ทำให้โมดูลคลาส D วัดค่าได้ดีบนม้านั่งสำรองและเสียงภายในตู้ไม่ตรงกัน

สิ่งที่ต้องตรวจสอบก่อนที่คุณจะระบุโมดูลคลาส D

ประสิทธิภาพตามโหลดที่คุณใช้จริง

เอกสารข้อมูลอ้างอิงถึงประสิทธิภาพสูงสุดที่จุดปฏิบัติการจุดเดียว ขอเส้นโค้งระหว่าง 10% ถึง 100% ของกำลังพิกัด และที่โหลด 4 โอห์ม 8 โอห์ม และบริดจ์ เนื่องจากประสิทธิภาพจะลดลงเมื่ออิมพีแดนซ์โหลดลดลง

THD N และเสียงตกค้าง

0.05% THD N หรือต่ำกว่าเป็นเป้าหมายปกติสำหรับโมดูลสมัยใหม่ เสียงที่ตกค้างมีความสำคัญมากกว่าการบิดเบือนในห้องฟังที่เงียบสงบ ดังนั้นให้ตรวจสอบพื้นเสียงที่ไม่มีการถ่วงน้ำหนัก แทนที่จะตรวจสอบเฉพาะตัวเลขพาดหัวเท่านั้น เพื่อการเปรียบเทียบโทโพโลยีที่กว้างขึ้น คู่มือคลาสเครื่องขยายเสียง ครอบคลุม A, AB, D และ H เคียงข้างกัน

การสลับความถี่ EMI และเวลาตาย

ความถี่ในการสลับที่สูงขึ้นหมายถึงตัวกรองขนาดเล็กลงและประสิทธิภาพความถี่สูงที่ดีขึ้น แต่มีการควบคุมเวลาตายที่เข้มงวดยิ่งขึ้นและโครงร่าง PCB ที่ระมัดระวังมากขึ้น หากโมดูลจะวางอยู่ใกล้เครื่องรับวิทยุหรือเครื่องรับไมโครโฟนไร้สาย ให้ขอข้อมูล EMI ที่ดำเนินการและแผ่กระจาย

โทโพโลยีพาวเวอร์ซัพพลายและการป้องกัน

เสียงสะท้อนของ PFC plus LLC คือคำตอบตามปกติสำหรับการทำงานที่มีแรงดันไฟฟ้ากว้างและรางที่เสถียร ยืนยันว่ามีการป้องกันกระแสไฟฟ้าเกิน แรงดันไฟฟ้าเกิน ออฟเซ็ต DC และความร้อนด้วย และตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อไฟดับ แทนที่จะตรวจสอบเฉพาะไฟหลักที่กำหนดเท่านั้น

เมื่อชิ้นส่วนมาตรฐานไม่พอดีกับตู้ โหลด หรือรายการคุณลักษณะ DSP แนวทางปฏิบัติคือการปรับแพลตฟอร์มที่มีอยู่: การพัฒนาโมดูลเครื่องขยายเสียงแบบกำหนดเอง มักจะเริ่มต้นจากระดับกำลังที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว และปรับช่องสัญญาณเอาท์พุต โหมด EQ และอินเทอร์เฟซ แทนที่จะออกแบบแอมพลิฟายเออร์ใหม่ตั้งแต่ต้น

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับเครื่องขยายเสียงคลาส D