Performance von Klasse-D-Verstärkern

Bild 1: Design-Beispiel 2 x 135 W (2 Ω) mit Powiraudio IR4321.International Rectifier

Der Wirkungsgrad und die Vorteile bei den Abmessungen von Klasse-D-Verstärkern, welche Verbesserungen beim Formfaktor des Systems, der Gestaltung und der Batterielebensdauer ermöglichen, sind generell nachvollziehbar und verständlich. Jedoch bietet der Klasse-D-Betrieb darüber hinaus auch eine inhärent geringe Verzerrung sowie eine stabilere Dynamik als Klasse AB. Während Klasse AB die Entwickler zu einem Kompromiss zwischen Leistungswirkungsgrad und Klangtreue zwingt, verbessern sich Effizienz und Klangtreue in Klasse D theoretisch gemeinsam. Mit einem verstärkten Wirkungsgrad infolge der Fortschritte bei Halbleitern nimmt auch die Audio-Performance zu.

Der Klasse D-Betrieb kurzgefasst

Bild 2: Überblick über einen Klasse-D-Verstärker und dessen Grundlagen. International Rectifier

Wie in Bild 2 dargestellt, wandelt der Klasse-D-Verstärker das eingangsseitige Audio-Signal in eine Folge von Impulsen um, deren durchschnittliche Momentanwerte dem Eingangssignal proportional sind. Dieses binäre Signal schaltet die Leistungs-MOSFETs und erzeugt auf diese Weise ein verstärktes PWM-Signal. Ein an die PWM-Schaltstufe folgendes passives Tiefpassfilter entfernt den Hochfrequenzanteil zur Wiedergewinnung des verstärkten Audio-Signals.

Klasse D im Detail

Durch die naturgemäß hohe Effizienz eines Klasse-D-Verstärkers können Bauelemente wie Kühlkörper und Leitungen verkleinert werden, sodass Audio-Geräte wesentlich kleiner ausfallen, als das in der Vergangenheit möglich war. Das trägt nicht nur zur Verbesserung solcher Aspekte wie Gestaltung und Tragbarkeit bei, sondern außerdem zu einer verbesserten Audio-Performance. Jede Stromschleife in einem Verstärker bildet magnetische Kopplungen mit anderen Stromschleifen; dadurch entstehen praktisch zahlreiche kleine Transformatoren, die in der Nähe befindliche Schaltungen und Komponenten stören können. Wenn der Verstärker physikalisch kleiner ist, wird der Magnetfluss infolge dieser Ströme verringert. Zudem ist die Empfindlichkeit gegenüber dem Fluss geringer. In der Praxis sind die Auswirkungen von Magnetfluss umgekehrt proportional zum Quadrat der Größe.

Verglichen mit Klasse AB spricht Klasse D stärker auf Änderungen des Energiebedarfs an, was zu einer hoch dynamischen Klangcharakteristik führt. Diese Überlegenheit ist auf eine völlig andere Art und Weise zurückzuführen, in welcher der Klasse-D-Verstärker seine Ausgangsleistung steuert. Selbst wenn sich der Verstärker im Leerlauf befindet, werden die Ausgangs-MOSFETs alle 1,2 µs abwechselnd ein- oder ausgeschaltet. Folglich steuert der Zeittakt des Schaltens den Energiefluss; um von Null Ausgangsleistung bei Leerlauf zu einem halben Leistungsausgang zu kommen, braucht man lediglich 0,6 µs bis das nächste Schaltereignis getriggert wird. Die Schaltzeit regelt also die Ausgangsleistung, ohne dass zum Beginn des Ereignisses eine zusätzliche Energie benötigt wird. Mit anderen Worten: Die Ausgangsleistung wird unabhängig von dem Strom oder der Spannung geregelt, der vom Lautsprecher gefordert wird; sie wird einfach von dem Zeitpunkt bestimmt, zu dem das PWM-Signal von einem Zustand in einen anderen schaltet. Das gewährleistet eine robuste Steuerung des Leistungsausgangs an die Lautsprecher, und es verringert die durch die Gegen-EMK der Lautsprecher verursachte Verzerrung.

Darüber hinaus enthält eine Klasse-D-Leistungsstufe keine temperaturempfindlichen Arbeitspunkt- Vorspannung. Dadurch kann der Verstärker einen stabilen Betrieb unter dynamischen Leistungsänderungen aufrechterhalten. Die Verstärkung der Klasse-D-Stufe ist einfach eine Funktion von Versorgungsspannung und einem Verhältnis der Einschaltzeit zwischen den Ausgangs-MOSFETs, sie steht in keinerlei Beziehung zur Temperatur. Ein großes Problem in der AB-Entwicklung war meist die Frage, wie die Stabilität des Vorspannungsstroms unter dynamischen Lastbedingungen beibehalten werden konnte, da die Transistorverstärker beim Einsatz im linearen Bereich in hohem Maße vom Vorspannungsstrom abhängen, welcher wiederum höchst temperaturempfindlich ist. Klasse D macht Schluss mit dieser gegenseitigen Abhängigkeit.

Wichtige Halbleiterbausteine

Auch wenn Klasse D einen theoretisch perfekten Verstärker erlaubt, mit 0 % Verzerrung sowie 100 % Wirkungsgrad hängt die tatsächliche Performance von der Qualität der verwendeten Bauelemente ab. Insbesondere haben sowohl die Leistungs-MOSFETs am Ausgang als auch das Controller-IC einen großen Einfluss darauf.

Ein perfekter MOSFET würde den Verstärker in die Lage versetzen, einen Wirkungsgrad von 100 % zu haben und in der Folge keinerlei Wärme erzeugen. Bei Verwendung der derzeit erhältlichen modernsten MOSFETs kann ein Klasse D in der Praxis einen Leistungswirkungsgrad von über 90% erreichen. Eine eingehende Betrachtung der Gütezahl (FOM) Einschaltwiderstand (R_DS(ON)) x Gate-Ladung (Q_g) macht deutlich, wie nahe die Performance von heutigen MOSFETs inzwischen der eines idealen Leistungsschaltbausteins kommt.

Man betrachte die Evolution von MOSFETs mit 200 V Nennspannung in den letzten Jahrzehnten. Um den höchsten Wirkungsgrad in einem Klasse-D-Verstärker zu erreichen, sollten sowohl der Leitungsverlust durch den R_DS(ON) als auch der durch die Gate-Ladung Q_g bestimmte Schaltverlust so gering wie möglich sein. Der IRF640 aus den 1980-er Jahren, der eine planare Struktur aufwies, hat einen R_DS(ON) von 180 mΩ bei einer Q_g von 70 nC. Die jüngste MOSFET IRFB4227 mit Trench-Struktur weist einen R_DS(ON) von 20 mΩ bei derselben Q_g von 70 nC auf. Die FOMs wurden von 12.600 auf 1400 gesenkt, eine neunfache Verbesserung.

Was den Controller-IC betrifft, so ist die Isolierung gegen Störungen eine entscheidende Anforderung. IR hat diesem Aspekt bei der Entwicklung seiner Controller für Klasse-D-Verstärker besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Durch den Einsatz proprietärer Techniken werden Schaltstörungen verhindert, die in eine störungsempfindliche Fehlerkompensationsschaltung eingekoppelt werden. Dadurch ist beispielsweise der eingebaute störungsempfindliche analoge Fehlerverstärker im Controller IRS2092 in der Lage, einen sauberen, rauscharmen Ausgang zu bieten. Und zwar trotz der Tatsache, dass die nur 1 mm entfernte Gegenseite des Silizium-Chips zwischen -60 V und +60 V mit sehr schneller Anstiegsgeschwindigkeit schaltet. Dieser Fehlerverstärker ist außerdem gut vom Schalten des externen Leistungs-MOSFETs am Ausgang isoliert.

Zum Erreichen einer geringen Verzerrung ist eine genaue Timing-Steuerung des PWM Gate-Drive-Signals ebenso wesentlich wie die Sicherstellung einer präzisen Verarbeitung des Analogsignals im  Bereich des Fehlerverstärkers. Eine stabile Totzeit-Steuerung und eine Jitter-freie Pegelverschiebung wird ebenfalls benötigt, um die Gate-Signale der Ausgangs-MOSFETs zu steuern. IR hat spezielle Schaltungen entwickelt, die sich durch einen sehr geringen Jitter im Signalpfad auszeichnen.

Der IRS2092 kombiniert diese Features der Störungsisolierung und Zeittaktsteuerung mit robusten Schutzschaltungen zur Schaffung eines Klasse-D-Verstärkers, welcher die Audio-Performance, die mit einer herkömmlichen Klasse-AB-Methode möglich ist, in vielerlei Hinsicht übertrifft.

Integrierter Klasse-D-Verstärker

Auf der Grundlage desselben MOSFET- und Controller-IC-Aufbaus vereinen IR‘s Powiraudio IR43xx-ICs beide Komponenten in einem kleinen, oberflächenmontierbaren Gehäuse.

Bild 3: Interne Struktur des IRS2092.International Rectifier

Anstatt den Controller und die Ausgangs-Leistungs-MOSFETs auf einem einzigen Stück Silizium zu integrieren, ist die IR43xx-Familie durch getrennten Controller-IC- und MOSFET-Chips gekennzeichnet. Dieser Lösungsansatz nutzt sowohl den weiten Betriebsspannungsbereich und die hohe Rauschfestigkeit des IRS2092 in vollem Umfang aus als auch die Anwendungs-optimierten MOSFETs der jüngsten Generation, um den hohen Wirkungsgrad sowie die hohe Audio-Qualität wie bei Klasse D zu erreichen, dabei jedoch auf einer sogar noch kleineren Montagefläche. Die Evolution wird sich weiter fortsetzen, zum Beispiel durch die Verwendung neuer Halbleitermaterialen wie Gallium-Nitrid (GaN), die potenziell eine zehnfache Leistungssteigerung hervorbringen können.

Die Powiraudio-Familie umfasst die IR4301M, IR4311M, IR4321M, IR4302M, IR4312M und IR4322M, sie unterstützt Vollbrücken- und Halbbrücken-Topologien von 20 W bis 320 W pro Kanal.

Zusammenfassung

Klasse D definiert die Kompromisse in der Entwicklung von Audio-Leistungsverstärkern neu, denn sie gewährleistet geringere Abmessungen und höhere Leistungsdichte bei gleichzeitig besserem Klang. Die Roadmap für IR‘s jüngste IR43xx Powiraudio-ICs zeigt, wie eine geringere Größe der Lösung bei derselben Ausgangsleistung neue Produktgenerationen ermöglicht, die für eine höhere Energieeffizienz und bessere Audio-Performance sorgen. Kleiner ist mit Klasse D wirklich besser.

(jj)