Klasse-D-Verstärker mit PSpice simulieren

Produktion_Digitaler Verstärker
Klasse-D-Verstärker mit PSpice simulieren
FlowCAD Schweiz AG
Ein Klasse-D-Verstärker verstärkt Audio-Signale mit wenig Verlustleistung und mit einer hohen Qualität.
Dies ermöglicht kleine Baugruppen mit hoher Ausgangsleistung. Die an der Fachhochschule Nordwestschweiz berechneten Schaltungen werden anschlies­send am PC simuliert und ausgemessen.
Transiente Simulation des PWM-Generators. Unten das Signal der Ausgangsstufe vor dem Tiefpassfilter.
FlowCAD Schweiz AG
Analoge Verstärker arbeiten mit
mehreren Transistoren, die im
Arbeitspunkt teilweise leitend
sind. Dadurch entstehen hohe
Verlustleistungen, die zu gros­
sen Kühlkörpern oder Ventila­
toren führen. Im digitalen Klas­
se-D-Verstärker hingegen sind
die Transistoren in der Endstufe
immer entweder voll leitendend
oder sperren komplett. Dadurch
wird die Verlustleistung niedrig
gehalten. Ein passives Ausgangs­
filter formt das Signal zum ge­
wünschten Audiosignal.
Der Klasse-D-Verstärker wandelt
zuerst das analoge Signal in ein
pulsbreitenmoduliertes Signal
um. Dazu vergleicht ein Kom­
parator das analoge Signal mit
einem Dreiecksignal, dessen
Frequenz mit 250 kHz bis zu
­einigen MHz wesentlich grös­
Blockschaltbild des Audiokanals.
20 SWISS ENGINEERING JULI/AUGUST 2011
ser ist als die höchste Frequenz
des Audiosignals. Das Tonsig­
nal liegt nun im Tastverhältnis
des PWM-Signals vor. Der Mit­
telwert ist proportional zum
Mittelwert des Tonsignals.
In der Endstufe wird das digitale
PWM-Signal verstärkt. Ein Tief­
passfilter, dessen Grenzfrequenz
unterhalb der Frequenz des Drei­
ecksignals liegt, formt aus dem
PWM-Signal wieder ein Audio­
signal, das den Lautsprecher­
boxen zugeführt werden kann.
Teilschaltungen simulieren
Der Verstärker wird für die Ent­
wicklung in Gruppen aufgeteilt:
Speisung, Dreieckgenerator,
Überstromdetektion, Softstart
und die beiden Audiokanäle.
Die einzelnen Hauptgruppen
werden in Teilschaltungen unter­
teilt und jeweils einzeln simu­
liert. Für die Simulationen kön­
nen die Modelle direkt aus der
Bauteil-Datenbank von PSpice
(Cadence) entnommen werden.
So lassen sich die elektrischen
Vorgänge im Dreiecksgenerator
zeitabhängig mit der Transien­
ten-Analyse simulieren.
Der Verstärkerausgang wieder­
um muss gegen Überlast und
Kurzschluss am Ausgang ge­
schützt sein. Die Schaltung zur
Überstromdetektion wird be­
rechnet und danach in einer
­Simulation überprüft. Hierzu
wird der DC-Sweep eingesetzt.
Bei dieser Simulationsart wer­
den mehrere Gleichstromana­
lysen durchgeführt. Bei jedem
Durchgang wird eine Schal­
tungsgrösse verändert. Dies
kann beispielsweise die Tempe­
ratur, eine Spannung oder wie
in diesem Fall ein Strom sein.
Wir lassen den Eingangsstrom
von der Schaltung von 0 bis
25 A ansteigen und können so
die Funktionsweise der Schal­
tung überprüfen.
Mit einer Sprungantwort am Ein­
gang der Schaltung wird über­
prüft, ob die Schaltung auch ge­
nügend schnell reagiert. Zum
Zeitpunkt Null werden 25 A am
Eingang der Überstromdetekti­
onsschaltung angelegt. In weni­
ger als 9us wird der Überstrom
detektiert. Diese Reak­tionszeit
genügt, um bei einem Kurz­
schluss am Ausgang des Ver­
stärkers, die Leistungsschalter
(MOSFETs) rechtzeitig auszu­
schalten und somit gegen Zer­
störung zu schützen.
H-Brücke verstärkt das Signal
Der Stereoverstärker hat zwei
identische Audiokanäle. Beide
analogen Signale werden mit je
einem PWM-Modulator in ein
digitales, pulsweitenmoduliertes
Schaltsignal umgewandelt. Ge­
nau genommen entstehen zwei
PWM-Signale, je eines vom ana­
logen Signal direkt, und einmal
ein PWM-Signal vom inver­tier­
ten analogen Signal. Diese bei­
den PWM-Signale steuern di­
rekt die H-Brücke an, die das
Kernstück des Verstärkers bil­
det. Eine H-Brücke besteht aus
vier Leistungsschaltern. Je zwei
sind in Serie (übereinander)
­angeordnet. Die Last befindet
sich in der Mitte der H-Brücke.
Durch geschicktes Ansteuern
der Schalter, kann die Polarität
des Ausgangssignals geändert
werden (auch bei unipolarer
Speisung).
Durch ein Filter wird das Aus­
gangssignal in ein analoges S­ ignal
zurückgewandelt. Das S­ ignal
wird über einen PI-Regler zu­
rückgeführt. Der Regler wird
mit einem AC-Sweep analysiert
und die Resultate im Bodedia­
gramm dargestellt.
Fortgeschrittene Analysen
Zusätzlich zu den StandardAnalysen gibt es die Advanced
Analysen. Mit der SensitivityAnalyse wird die Empfindlich­
keit aller Bauteile in einer Schal­
tung analysiert. Die Qualität
der einzelnen Bauteile kann so
nach Ihrem Einfluss auf die
Schaltung optimiert werden. Es
können zum Beispiel Bauteile
mit grösseren Toleranzen ge­
wählt werden, wenn ihr Ein­
fluss auf die Funktionsweise der
Schaltung gering ist.
Der Optimizer dient der Schal­
tungsoptimierung. Es können
Zielfunktionen als Werte oder
Kurven der Schaltung vorgege­
ben werden. Verschiedene Algo­
rithmen berechnen die zu opti­
mierenden Bauteilwerte.
Die Smoke Analyse, auch StressAnalyse genannt, überprüft die
Bauteile einer Schaltung auf
­deren Belastung. Grafisch Bal­
eingesetzt werden, um allfällige
Alterungsprozesse zu berücksich­
tigen.
Die vierte zusätzliche Option ist
die Monte-Carlo-Analyse. Hier
werden für die Bauteile innerhalb
der definierten Toleranzgrenzen
bei jedem Simulationsdurchgang
zufällige Bauteilwerte gewählt.
FlowCAD Schweiz AG
ken geben Auskunft, ob Bautei­
le überlastet sind und ob zum
nächst grösseren Bauteil gewech­
selt werden muss. Natürlich kann
bei überdimensio­nierten Bau­
teilen auf kleinere ausgewichen
werden, um Kosten und Platz zu
sparen. Zusätzlich können auch
Ermüdungsfaktoren (Deratings)
Die Streuung der Fertigungstole­
ranzen jedes einzelnen Bauteils
wird berücksichtigt. S­ omit
­lassen sich Aussagen über die
­Zuverlässigkeit der Schaltung
machen und bereits in der Ent­
wicklungsphase können Bau­
teile mit geeigneten Toleranz­
angaben gewählt werden.
Das Ausgangsfilter des KlasseD-Verstärkers wird im Zeit­
bereich sowie auch mit einer
­Monte-Carlo Analyse simuliert,
damit die Signale möglichst
­originalgetreu übertragen wer­
den. Die Simulation hat erge­
ben, dass bei Bauteiltoleranzen
von 10 % für Kondensatoren
und 20 % bei Spulen das Filter
noch weiterhin den Anforde­
rungen entspricht.
Entwicklungs­ite­ration dadurch
minimiert wird. Ausserdem ist
man nicht auf Liefertermine von
Bauteilen oder Musterboards
angewiesen. Durch systemati­
sche Simula­tio­nen können
­verschiedene Möglichkeiten
überprüft werden u
­ nd die Funk­
tion der Schaltung kann somit
schnell und einfach optimiert
werden – ohne gros­sen Hard­
ware-Aufwand. Es können so­
gar Aussagen über die Streuung
in der Fertigung gemacht wer­
den, wodurch die die Zuverläs­
sigkeit gezielt optimiert werden
kann.
Marco Waller
Applikations-Ingineur FlowCAD
Schweiz AG
Der Nutzen der Simulation
Am Eingang des Filters wird ein Rechtecksignal von 1 kHz angelegt und
anschliessend eine Monte Carlo Analyse durchgeführt. Pro Simulationsdurchgang werden zufällig unterschiedliche Bauteilwerte innerhalb des
definierten Toleranzbereichs gewählt.
www.flowcad.ch
Durch die PSpice-Simulationen
spart man Zeit bei der Entwick­
lung von Elektronik-Hardware,
da Fehler durch die Simulation
schon früh erkannt werden kön­
nen und die Anzahl der
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