Power-MOSFETs

Chipsatz für die Entwicklung von Audio-Class-D-Verstärkern

24.01.2008 | Redakteur: Gerd Kucera

Industrielle Anwendungen wie Stromversorgungen, Motoransteuerungen und Wechselrichter sind typische Einsatzbereiche für Power-MOSFETs. Auf ein ganz neues Anwendungsfeld zielt der Chipsatz IRS2092 (Treiber) und IRF6645 (MOSFET): die Entwicklung anspruchsvoller Class-D-Audioverstärker von 50 bis 500 W.

Als Schalter in industriellen Anwendungen wie Wechselrichter, Stromversorgungen, DC/DC-Wandlern und Motoransteuerungen hat der Power-MOSFET den bipolaren Leistungstransistor nahezu verdrängt. Der nämlich braucht für den Betrieb einen relativ hohen Steuerstrom, während der Power-MOSFET spannungsgesteuert ist und mit einem Steuerstrom von nur wenigen mA sehr energiearm funktioniert. Dies und weitere Vorteile machen ihn in Anwendungen mit hoher Schaltfrequenz zum bevorzugten Leistungshalbleiter. Das gilt auch (oder erst recht) für Highend-Audioverstärker. Ein Anwendungsgebiet, das nicht unbedingt jeder bisher mit Leistungselektronik in Zusammenhang gebracht hat. Eine entsprechende Chipsatz-Lösung für anspruchsvolle Class-D-Audio-Verstärker hat International Rectifier vorgestellt.

Hochleistungsaudioverstärker sind Power-Anwendungen und keineswegs trivial

Stephane Ernoux, International Rectifier: „Class-D-Verstärker sind eine besondere Herausforderung hinsichtlich Leistungsdichte.“
Stephane Ernoux, International Rectifier: „Class-D-Verstärker sind eine besondere Herausforderung hinsichtlich Leistungsdichte.“

„Wer glaubt, ein Audioverstärker habe nichts mit Leistungselektronik zu tun, der irrt“, konstatiert Stephane Ernoux, Marketing Director Consumer Products Energie Saving Group bei International Rectifier in El Segundo,“ denn mit Verstärkerleistungen bis 500 W sind Class-D-Geräte ernst zu nehmende Power-Anwendungen mit großen Potenzial zum Energie sparen.

Die Herausforderungen sind hier mit dem Schaltbetrieb des Leistungstransistors verbunden, der entweder hart ein- oder vollständig ausgeschaltet ist. Eine gut abgestimmte und geschützte PWM-Schaltstufe mag zwar zuverlässig arbeiten, doch führen bei einer Neuentwicklung kleine Fehler oder nicht ideal ausgelegte Betriebsbedingungen zu einem Ausfall des Prototyps. Nach der Zerstörung des Verstärkers ist dann das Aufspüren der Ursache des Ausfalls sehr schwierig.“

Bild 1: Vier grundlegende Class-D-Verstärkerbausteine sind in der Einchip-Lösung IRS2092 integriert
Bild 1: Vier grundlegende Class-D-Verstärkerbausteine sind in der Einchip-Lösung IRS2092 integriert

Zur Beschleunigung der sicheren Entwicklung zuverlässiger Class-D-Verstärker hat International Rectifier vier wichtige Class-D-Verstärkerbausteine in die Einchip-Lösung IRS2092 integriert (Bild 1). Durch die Kombination von Fehlerverstärker, PWM-Komparator, Gate-Ansteuerstufe sowie Überlastungsschutz-Funktionen lässt sich dieser Audio-Treiber rasch optimieren, um sowohl die Leistung als auch die Flexibilität einer Neuentwicklung zu verbessern.

Fehlerverstärker mit Rauschisolierung korrigiert die Störungen in der Ausgangsstufe

Die Hauptgütefaktoren für einen Audioverstärker sind Rauschen sowie der Gesamtklirrfaktor (THD – Total Harmonic Distortion). Ernoux: „In einem Class-D-Verstärker ist die Beeinträchtigung der Güte auf Unvollkommenheiten im Schaltungsentwurf zurückzuführen, zu denen eine endliche Schaltzeit, ein Über- und Unterschwingen sowie Schwankungen der Stromversorgung zählen. Ihre Verringerung wird im Wesentlichen durch die Leistungsfähigkeit des Fehlerverstärkers bestimmt, der das ausgangsseitige Audiosignal mit dem Audiosignal am Eingang vergleicht, um diese Störquellen in der Ausgangsstufe zu korrigieren.“

Bild 2: Der im Audio-Treiber integrierte und optimierte Operationsverstärker mit hoher Rauschfestigkeit und 5 MHz Bandbreite führt zu einem Klirrfaktor von 0,005%
Bild 2: Der im Audio-Treiber integrierte und optimierte Operationsverstärker mit hoher Rauschfestigkeit und 5 MHz Bandbreite führt zu einem Klirrfaktor von 0,005%

Die verrauschte Umgebung eines Class-D-Verstärkers erfordert andere Kennwerte, als sie beim Entwurf einer Class-A- oder Class-A/B-Entwicklung benötigt werden, und dadurch wird das Aufspüren eines passenden Operationsverstärkers zu einem komplizierten und zeitraubenden Vorgang. Im IRS2092 ist ein optimierter Operationsverstärker mit hoher Rauschfestigkeit und einer Bandbreite von 5 MHz integriert, was in dem in Bild 2 dargestellten Designbeispiel zu einem Klirrfaktor von 0,005% führt.

Rauschisolierung in einer monolithischen Lösung

In der Class-D-Topologie müssen Eingangs- und Ausgangsteil physikalisch nahe beieinander liegen. Bei einer diskreten Lösung muss der Entwickler festlegen, wie der rauschempfindliche Analogteil im Eingang vom nachteiligen Schaltrauschen der lauten Ausgangsstufe isoliert werden soll.

Bei einer monolithischen Lösung besteht die größte Herausforderungen darin, eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen den beiden Schaltungen zu erreichen. Der IRS2092 von International Rectifier setzt hier eine proprietäre Methode zur Sperrschichtisolierung ein, um eine Rauschisolierung zu gewährleisten.

Aufgaben von PWM-Komparator und Pegelverschiebung

Sobald der Fehlerverstärker das Audiosignal am Eingang verarbeitet, woraufhin der Ausgang die proportionale Form des Eingangssignals erhält, wandelt der Komparator dieses Analogsignal in ein Impulsbreiten-moduliertes PWM-Signal um.

Der PWM-Komparator des IRS2092 nimmt die Umwandlung des Analogsignals in PWM mit einer kurzen Ausbreitungsverzögerung vor, wodurch eine größere Flexibilität zur Optimierung bei der Entwicklung der Rückkopplungsschleife möglich wird.

Die nächste Herausforderung liegt in der Übertragung des PWM-Signals vom ruhigen Fehlerverstärkerbereich in die verrauschte Schaltstufe. Ein Hochvolt-Pegelumsetzer transferiert das digitale Signal auf ein anderes erdfreies Potenzial, wobei das PWM-Signal genau weitergeleitet wird, unabhängig von irgendeiner Spannungsdifferenz auf jeder Seite, genau wie bei einem idealen Differenzverstärker.

So arbeiten die Gate-Ansteuerung und MOSFET-Schaltstufe

Bild 3: Die Verlustleistung im MOSET ist dem Quadrat des Laststroms proportional. Im integrierten Baustein wird der eingebaute Überlastungsschutz durch den Einschaltwiderstand des MOSFETs bestimmt.
Bild 3: Die Verlustleistung im MOSET ist dem Quadrat des Laststroms proportional. Im integrierten Baustein wird der eingebaute Überlastungsschutz durch den Einschaltwiderstand des MOSFETs bestimmt.

Die Gate-Ansteuerstufe erhält das PWM-Signal vom Komparator – der auf Erdpotenzial bezogen ist – und verschiebt den Pegel nach unten auf die Gate-Ansteuersignale, die auf jede Source der High-Side- -und Low-Side-MOSFETs bezogen sind. In der Gate-Ansteuerstufe wird eine Totzeit zwischen jedem On-Zustand eingefügt, um gleichzeitige Durchlasszustände in den High- und Low-Side-MOSFETs zu unterbinden.

Eine präzise Gatesteuerung ist der Schlüssel zum Erhalt einer guten Audio-Leistung. Der Gate-Treiber muss sich durch eine niedrige Impulsbreitenverzerrung auszeichnen, mit enger Abstimmung zwischen den High- und Low-Side-Gate-Ansteuerstufen. Beide Eigenschaften sind entscheidend, damit die Totzeit minimiert und so die Linearität in der Verstärker-Performance gefördert werden kann.

Totzeit-Einfügung bei der Schaltstufenentwicklung

Die Einfügung der Totzeit wird als der wichtigste Teil bei der Schaltstufenentwicklung in einem Class-D-Verstärker angesehen. Indem die begrenzte Schaltübergangszeit des MOSFETs aufgenommen wird, verhindert die Totzeit Brückenkurzschlüsse und gewährleistet dadurch einen sicheren Betrieb. Allerdings erzeugt sie eine Nichtlinearität, die zu einer unerwünschten Verzerrung führt. Häufig sind die Entwickler gezwungen, einen Kompromiss zwischen THD-Performance und dem Sicherheitsspielraum zu finden.

Durch die im IRS2092 eingebaute Totzeit kann der Entwickler die Totzeitdauer entsprechend dem gewählten MOSFET wählen. Im Gegensatz zu einem externen Totzeit-Design erspart die integrierte Totzeit-Einfügung mit garantierter Dauer, ein Worst-Case-Scenario zu veranschlagen.

Überlastungsschutz verbessert die Funktionssicherheit

Weil die Verlustleistung im MOSET dem Quadrat des Laststroms proportional ist, überwachen Schutzschaltungen im Allgemeinen den Laststrom, um einen MOSFET-Ausfall beim Auftreten einer Überlastungsbedingung zu vermeiden. Üblicherweise verwendet man einen externen Nebenschlusswiderstand zur Erfassung des Laststroms, doch sind dabei Gesichtspunkte wie die Auswahl des Widerstands und Rauschfilterung kritisch. Das kann für die Gesamtlösung mehr Entwicklungszeit, höheren finanziellen Aufwand und eine physikalisch größere Bauform nach sich ziehen.

Die Schutzschaltung wird auch zur Unterstützung der Kompensation von zusätzlichem Schaltrauschen benötigt, das infolge der Streuinduktivität im kritischen Stromschleifenpfad der Leistungsstufe erzeugt wird.

Im integrierten Baustein wird der eingebaute Überlastungsschutz durch den Einschaltwiderstand des MOSFETs bestimmt. Integrierte Schaltkreise überwachen den Ausgangsstrom und schalten die PWM ab, wenn eine vordefinierte Schwelle überschritten wird. Zusätzlich senkt der große positive Temperaturkoeffizient des MOSFET-Durchlasswiderstands die Überstromschwelle mit der Sperrschichttemperatur, was wiederum die Sicherheit des Verstärkers verbessert.

Integrierte Lösung erlaubt planbare Kosten und Markteinführung

Durch die Integration dieser vier essentiellen Schaltungsfunktionen liefert der IRS2092 eine steckbare Class-D-Verstärkerlösung, die bereits die entscheidend wichtige geschützte PWM-Schaltstufe implementiert. Ihr hoher Integrationspegel löst viele Probleme bei der Entwicklung, doch sind zudem auch flexible Merkmale vorhanden, mit deren Hilfe Ingenieure die Funktionalität, um spezifischen Anforderungen an das Design zu entsprechen, auf ihre Bedürfnisse zuschneiden können.

Auch eine Skalierung des Verstärkers auf verschiede Ausgangsleistungen oder eine unterschiedliche Kanalzahl lässt sich einfach erzielen, und zwar durch die Auswahl des geeigneten externen MOSFET-Paars sowie durch entsprechende Einstellung der Totzeit und des Schwellenwerts für den Überlastungsschutz. Die Verwendung externer MOSFETs ermöglicht es den Ingenieuren darüber hinaus, sowohl EMI als auch Wirkungsgrad entsprechend den Anforderungen der Applikation zu optimieren.

Weil eine betriebsbereite Skalierbarkeit auch die gemeinsame Nutzung eines Designs in der Basisschaltung mehrerer Produkte erlaubt, sorgt schließlich der IRS2092 für Kalkulierbarkeit bei Kosten und Time-to-Market im Zuge der Produktweiterentwicklungen.

 

Chipsatz optimiert Hochleistungsverstärker

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