Diseño y cálculo de un amplificador de audio clase D autooscilante de 20 W de potencia

Martínez Fernández, Luis Alfonso (2021). Diseño y cálculo de un amplificador de audio clase D autooscilante de 20 W de potencia. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Diseño y cálculo de un amplificador de audio clase D autooscilante de 20 W de potencia
Author/s:
  • Martínez Fernández, Luis Alfonso
Contributor/s:
  • Alou Cervera, Pedro
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Ingeniería Industrial
Date: February 2021
Subjects:
Freetext Keywords: Modulación PWM, modulador de histéresis, modulador por retraso de fase, modulador por retraso temporal, amplificador clase D, driver, comparador, etapa de salida, MOSFET, puente en H, bootstrap, diodo Schottky, realimentación, amplificador operacional, etapa preamplificadora, filtro LC, red Zobel, fuente de corriente, condensadores de desacoplo, cambiador de nivel, tiempos muertos, Matlab, Multisim, Kicad, método de Runge Kutta de cuarto orden, método de Adams-Bashford, método de factores ponderados.
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En el presente trabajo se aborda el diseño y cálculo de un amplificador de audio clase D autooscilante analógico de 20 W. Para la realización del mismo se llevó a cabo en primer lugar una búsqueda bibliográfica de las tecnologías de amplificadores de audio existentes en la actualidad. El propósito de esta búsqueda es evaluar qué tipología de amplificador se comporta de forma más eficiente y estudiar qué sistemas amplificadores introducen mayor distorsión en la señal de audio. Una vez se eligió el tipo de amplificador más adecuado para nuestro proyecto (clase D analógico) se realizó una segunda búsqueda bibliográfica con el objetivo de estudiar posibles tipologías de sistemas moduladores PWM (Pulse Width Modulation): autooscilantes por histéresis, retraso temporal o retraso de fase y con portadora de frecuencia fija. A partir del estudio de los moduladores se decidió realizar un amplificador de tipo autooscilante y se procedió al diseño de la topología del sistema amplificador. En primer lugar se revisó la normativa necesaria para el proyecto del amplificador y se definieron los requisitos de diseño como son la potencia nominal, 20 W, y la carga del amplificador, 4 Ohm, por otra parte se seleccionó el altavoz de 4 Ohm FRS 10 WP. A partir de la definición de las especificaciones del amplificador se dimensionó la tensión de alimentación del puente en H necesaria para otorgar la potencia máxima de 20 W. Conociendo la inductancia y resistencia de la bobina de voz y los parámetros RLC del modelo electromecánico del altavoz se procedió al cálculo de la red Zobel necesaria para ecualizar la carga vista por el amplificador en toda la banda de audio, finalmente se fijó la frecuencia de oscilación del sistema en 700 kHz. Con la carga de 4 Ohm (resistiva) se proyectó el filtro LC de salida de cuarto orden Butterworth con frecuencia de corte de 80 kHz. La selección del orden del filtro y de la frecuencia de corte del mismo se obtuvo calculando en Matlab la THD mediante la FFT (Fast Fourier Transform) de la señal filtrada. La entrada al filtro es una señal PWM generada por comparación de una onda triangular de 500 kHz y la señal de audio de 20 kHz. Con los requisitos de diseño definidos, la red Zobel y el filtro de salida calculados, se procedió a la selección del modulador PWM autooscilante más adecuado para nuestro equipo. Para la elección del sistema modulador nos basamos en la realización de simulaciones con el programa Matlab en las que en primer lugar se evaluó la linealidad de cada modulador PWM para señal de entrada continua calculando la correlación entre la fundamental de la señal de salida PWM y el índice de modulación; por otro lado se midió la variación de la frecuencia de trabajo con el índice de modulación para entrada moduladora continua. En segundo lugar se midió la THD (Total Harmonic Distortion) de la señal PWM de salida para entrada alterna de 2 kHz. Obtenidos estos resultados, se eligió como mejor modulador el basado en retraso temporal con retardo acotado entre 5 y 20 grados para una frecuencia de oscilación de 700 kHz. A continuación se procedió al diseño de la etapa de potencia de salida eligiendo la topología para la misma, puente en H, de este modo se pudieron seleccionar los interruptores. Para elaborar una lista previa de dichos interruptores se atendió a criterios de tensión y corriente máximas admisibles. Con la lista de dispositivos confeccionada se llevó a cabo una estimación de pérdidas en los interruptores; para seleccionar los definitivos se utilizó el método de los factores ponderados valorando con diferentes pesos cuatro parámetros: la resistencia en conducción de los mismos, la carga de puerta, el tiempo de encendido y apagado de dichos interruptores para las condiciones de la hoja de datos y las pérdidas totales de cada uno. Con la etapa de salida proyectada se realizó el diseño y cálculo del driver así como la elección de sus componentes. Para ello evaluamos diferentes arquitecturas de drivers basados en sistemas Totem-Pole con transistores BJT (Bipolar Junction Transistor) realizando una estimación de las pérdidas en los mismos y de la rapidez de carga y descarga de las capacidades de puerta de los MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) de la etapa de salida. El cálculo se llevó a cabo en Excel utilizando el modelo de Ebers-Moll para los transistores BJT del driver. Finalmente se realizó una simulación en Multisim para el sistema driver predimensionado conectado al MOSFET elegido para la etapa de potencia con carga de 4 Ohm. De esta forma se pudo comprobar el efecto de diferentes valores de resistencias en el driver sobre la eficiencia del sistema y la rapidez de carga. Posteriormente se procedió al diseño del comparador con componentes discretos para lo cual se analizó el modelo de pequeña señal del mismo; así se evaluó la ganancia diferencial, la ganancia en modo común y la relación de rechazo en modo común para los transistores elegidos en función de las tensiones Early de dichos transistores y de la intensidad de polarización. Después se seleccionó la tensión de alimentación del comparador y la arquitectura del mismo (transistores NPN o PNP) para un modo común de 6.5 V y un modo diferencial de amplitud 0.2 V. Para finalizar esta etapa del diseño se realizaron simulaciones en Multisim y se midieron los tiempos muertos generados por el comparador y los tiempos de cambio de estado del mismo para diversas intensidades de polarización concluyendo con el diseño de la fuente de corriente de polarización. Con el bloque formado por comparador, driver y etapa de salida se simuló el conjunto en Multisim evaluando el comportamiento del comparador cargado. En este punto se diseñaron los cambiadores de nivel para lograr conmutar los MOSFET del lado alto y se estudió el efecto de la resistencia de conexión de base Rb’ y de la resistencia de colector de los mismos en los tiempos muertos conseguidos en la señal cuadrada de salida, PWM; asimismo se midieron la rapidez y el consumo del sistema (sin realimentación) para entrada al comparador de 200 mV (700 kHz) diferencial con modo común de 6.5 V. Posteriormente se cuantificó en Multisim el retraso temporal generado por la electrónica activa de comparador, driver y etapa de potencia. El dato de retardo de tiempo medido nos permitió diseñar y calcular la red de realimentación necesaria para lograr la oscilación a una frecuencia aproximada de 700 kHz. Para el cálculo de la red de realimentación se realizó un modelo de pequeña señal del amplificador autooscilante diseñado con el que pudimos obtener los valores de resistencias y condensadores de realimentación necesarios para conseguir la frecuencia de oscilación aproximada de 700 kHz, la ganancia del bucle en baja frecuencia prefijada por diseño, la ganancia del sistema en cadena abierta y la ganancia en cadena cerrada. Para el diseño final de la red de realimentación se valoraron diferentes escenarios para las ganancias de bucle en baja frecuencia, la ganancia del sistema en cadena cerrada y la ganancia del sistema en cadena abierta observando en Matlab la variación de frecuencia con el índice de modulación y el comportamiento en cada escenario al inyectar distorsión en la banda de audio. A continuación se diseñó el sistema bootstrap, se seleccionó la etapa preamplificadora y se calcularon los subsistemas del amplificador como son referencias de tensión y condensadores de desacoplo de la alimentación de potencia. Para el diseño del bootstrap se realizó una evaluación mediante simulación en Multisim de diversos casos en los que se contemplaron valores de capacidad de bootstrap, resistencia de bootstrap, resistencias de driver y de conexión driver-comparador para estudiar qué combinaciones permiten una mayor eficiencia del sistema y una menor THD de la señal de audio de salida. A continuación se eligieron los componentes reales en el catálogo de Mouser y se procedió al diseño de la PCB (Printed Circuit Board) con el programa Kicad encargando la construcción de la misma a la empresa PCBWay. Finalmente se simuló en Multisim el sistema en conjunto evaluando la frecuencia de oscilación, el rendimiento y el buen funcionamiento del equipo amplificador con los componentes reales elegidos en Mouser Electronics Inc.

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Item ID: 66491
DC Identifier: https://oa.upm.es/66491/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66491
Deposited by: Luis Alfonso Martínez Fernández
Deposited on: 23 Mar 2021 12:54
Last Modified: 23 Mar 2021 12:54
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