27.02.2012, 12:43 AM
Class-D Phasen-Kompensation
Die Frequenzkompensation von Verstärkern ist offenbar ein Randgebiet, über das meist wenig Konkretes zu erfahren ist.
"Irgendwo steckt ein Kondensator im Verstärker, der dafür sorgt, dass das Ganze nicht wild schwingt."
Dieser Kondensator führt ein Tiefpassverhalten ein (einen "Pol" in der komplexen Übertragungsfunktion),
wobei die Eckfrequenz nur tief genug gewählt werden muß bis das Sysem stabil wird. Dies wäre dann der "dominante Pol" des Verstärkersystem.
In der Praxis funktioniert das so in vielen analogen Verstärkern problemlos.
Bei Class-D-Verstärkern mit dem typischen LC-Ausgangsfilter stellen sich die Verhältnisse nicht so einfach dar.
Hier durchläuft die Regelschleife einen Tiefpaß 2.Ordnung der entsprechende Phasenverzögerungen bewirkt.
Um so etwas stabil hin zu bekommen müßte der dominante Pol so tief angesetzt werden, dass bei der LC-Resonanzfrequenz die Schleifenverstärkung der Regelung schon unter 1 gefallen ist. Mit anderen Worten: Die Transitfrequenz der Regelschleife muß unterhalb der LC-Eigenresonanz verbleiben.
Geht man von einer typischen LC-Resonanz zwischen 30 und 50kHz aus, dann liegt es auf der Hand, dass ein solcher Verstärker spätestens bei 20kHz keinerlei Gegenkopplungsverstärkung zur Korrektur von Nichtliniearitäten haben kann.
Was tun?
Einfach garnicht erst versuchen, diesen Filter per GK auszuregeln, sondern die Gegenkopplungsschleife schon am Filtereingang schließen. So macht das z.B. TI mit seinen TPAs. Tatsächlich sind diese Systeme latent instabil nahe der Filterresonanz.
Hier stellt sich ein Serienresonanzkreis ein mit extrem niedriger Lastimpedanz. Abhilfe schafft Bedämpfen des Kreises mit einem RC-Glied (verlustbehaftet) und / oder extrem niederohmige Abblockung der Betriebsspannung.
Alternative
Nach besseren Kompensationstechniken suchen.
Fündig wird man zu diesem Thema am ehesten bei der Kompensation von Abwärts-Schaltreglern (buck converter).
Abwärts-Schaltregler haben vieles gemein mit class-D-Verstärkern, auch hier besteht das Problem,
durch einen LC-Ausgangsfilter hindurch optimales dynamisches Verhalten zu erreichen.
Mit einer etwas komplexeren Kompensationstechnik läßt sich, bei unverändertem LC-Filter,
die Regelungsbandbreite entscheidend erweitern in Richtung höherer Frequenzen,
wobei sogar der Ausgangsfiler mit ausgeregelt werden kann.
Dies ist im Bereich der Schaltregler längst bewährte Praxis, und es erscheint daher folgerichtig,
diese Erkenntnisse auch für Class-D-Verstärker zu nutzen.
Die Frequenzkompensation von Verstärkern ist offenbar ein Randgebiet, über das meist wenig Konkretes zu erfahren ist.
"Irgendwo steckt ein Kondensator im Verstärker, der dafür sorgt, dass das Ganze nicht wild schwingt."
Dieser Kondensator führt ein Tiefpassverhalten ein (einen "Pol" in der komplexen Übertragungsfunktion),
wobei die Eckfrequenz nur tief genug gewählt werden muß bis das Sysem stabil wird. Dies wäre dann der "dominante Pol" des Verstärkersystem.
In der Praxis funktioniert das so in vielen analogen Verstärkern problemlos.
Bei Class-D-Verstärkern mit dem typischen LC-Ausgangsfilter stellen sich die Verhältnisse nicht so einfach dar.
Hier durchläuft die Regelschleife einen Tiefpaß 2.Ordnung der entsprechende Phasenverzögerungen bewirkt.
Um so etwas stabil hin zu bekommen müßte der dominante Pol so tief angesetzt werden, dass bei der LC-Resonanzfrequenz die Schleifenverstärkung der Regelung schon unter 1 gefallen ist. Mit anderen Worten: Die Transitfrequenz der Regelschleife muß unterhalb der LC-Eigenresonanz verbleiben.
Geht man von einer typischen LC-Resonanz zwischen 30 und 50kHz aus, dann liegt es auf der Hand, dass ein solcher Verstärker spätestens bei 20kHz keinerlei Gegenkopplungsverstärkung zur Korrektur von Nichtliniearitäten haben kann.
Was tun?
Einfach garnicht erst versuchen, diesen Filter per GK auszuregeln, sondern die Gegenkopplungsschleife schon am Filtereingang schließen. So macht das z.B. TI mit seinen TPAs. Tatsächlich sind diese Systeme latent instabil nahe der Filterresonanz.
Hier stellt sich ein Serienresonanzkreis ein mit extrem niedriger Lastimpedanz. Abhilfe schafft Bedämpfen des Kreises mit einem RC-Glied (verlustbehaftet) und / oder extrem niederohmige Abblockung der Betriebsspannung.
Alternative
Nach besseren Kompensationstechniken suchen.
Fündig wird man zu diesem Thema am ehesten bei der Kompensation von Abwärts-Schaltreglern (buck converter).
Abwärts-Schaltregler haben vieles gemein mit class-D-Verstärkern, auch hier besteht das Problem,
durch einen LC-Ausgangsfilter hindurch optimales dynamisches Verhalten zu erreichen.
Mit einer etwas komplexeren Kompensationstechnik läßt sich, bei unverändertem LC-Filter,
die Regelungsbandbreite entscheidend erweitern in Richtung höherer Frequenzen,
wobei sogar der Ausgangsfiler mit ausgeregelt werden kann.
Dies ist im Bereich der Schaltregler längst bewährte Praxis, und es erscheint daher folgerichtig,
diese Erkenntnisse auch für Class-D-Verstärker zu nutzen.
...mit der Lizenz zum Löten!