PAPER – Circuitos Analógicos

PAPER – Circuitos Analógicos

 8Ω 2.5W 1% THD 104dB (A)-Rango dinámico Amplificador de audio clase-D con EMI ultra bajo Detección de sistema y corriente para la protección del altavoz

Abstract- Amplificadores de clase D para dispositivos portátiles son ahora demandando más de 2 W 1% de potencia de salida THD para 8 Ω altavoces en smartphone y tableta para una mejor experiencia de uso multimedia. Sin embargo, una mayor potencia acústica trae consigo restricciones como el daño del altavoz, más energía EMI y reinicio del sistema [battery reset]. El documento presentado demuestra un 2.5W de THD al 1% en 8 Ω amplificador Clase D con rango dinámico de 104 dB (A) usando una nueva arquitectura de la etapa de potencia para reducir el área de silicio. El diseño incluye un sistema ULEMI para reducir la energía de alta frecuencia sin impacto en el ruido de la banda de audio y un sensor de corriente de carga incorporada para el algoritmo de la protección del altavoz.

[Índice de términos- amplificador de conmutación, amplificador de audio, clase D,

Modulación de ancho de pulso, controlador de altavoces, EMI, EMC, altavoz

Protección, detección de corriente.]

INTRODUCCIÓN

Un nuevo concepto de teléfonos móviles se ha convertido en los últimos años: nuevas definiciones como teléfono inteligente, teléfono de función, teléfono de gama alta o incluso la nueva entrada netbook o tableta que en las manos del usuario hay mucho más que un simple teléfono. La adición de más funciones a un sistema móvil tiene generalmente el efecto de aumentar la corriente de la batería; aplicaciones tales como funciones de video e imágenes, tareas de visualización en color de gran tamaño, el reconocimiento de voz o la decodificación MPEG tienen bastante poder de consumo.

Tener el dominio de audio para soportar una gran cantidad de nuevas características multimedia tales como música, reproducción de películas, TV móvil y juegos, esto tiene el efecto de extraer más corriente de la batería.

Mientras que los teléfonos más antiguos sólo requieren un altavoz mono para reproducir un tono de llamada, tal vez unos pocos segundos cada poca hora, los últimos diseños de teléfono multimedia incorporan altavoces estéreo que están activos durante mucho más tiempo, por ejemplo, varios minutos durante la TV de streaming o juegos.

Estas funciones de aplicación también requieren un mayor calidad de audio en las salidas de altavoz que antes y mayores niveles de volumen: la potencia de salida de 1 W es hoy un requisito bastante típico para la mayoría de las aplicaciones ruidosas. 

Otros casos de uso como el uso compartido de medios se están volviendo populares: compartir una canción con amigos o información con colegas es una característica poderosa que podría ocurrir en áreas de alto ruido ambiental como estaciones de tren, aeropuertos o simplemente a lo largo de una calle poblada; Esto requeriría aún más poder hacia el objetivo de obtener más de 2 W en un dispositivo portátil.

Los amplificadores de clase D para dispositivos portátiles se especifican normalmente para el rango de voltaje de alimentación ideal para el uso con baterías de litio [1] - [5]. La alta eficiencia de los amplificadores Clase-D los hace ideales para el funcionamiento de suministros potenciados para proporcionar potencia máxima de salida en 8 altavoces integrados de más de 2 W para una mejor experiencia de usuario en todas las aplicaciones multimedia. Además, los nuevos altavoces pueden lograr una mejor linealidad y sensibilidad que conduce a una menor especificación THD y ruido en los diseños de amplificador.

Para responder mejor a este desafío, este trabajo presenta un amplificador de clase D de 2.5W 1% THD en 8 Ω cargas con un rango dinámico de 104 dB (A), que tiene un conjunto de características para hacer frente a todas las restricciones de alta potencia tales como energía de alta frecuencia, Reajuste de la batería y daño del altavoz.

En la Sección II se revisan las topologías convencionales del amplificador Clase D y se presentan las principales direcciones del diseño propuesto. En la Sección III, se ilustra la nueva etapa de potencia Clase D basada en la arquitectura N dual. En la Sección IV, el problema de protección de los altavoces está ampliamente expuesto, centrándose principalmente en la implementación de la circuitería de detección de corriente de carga necesaria para proporcionar la realimentación requerida al algoritmo de protección. En la Sección V se propone el sistema de EMI Ultra-Low (ULEMI) con los resultados de la simulación del sistema. Por último, las secciones VI y VII resumen los resultados experimentales y la conclusión, respectivamente.

PROPUESTA DE ARQUITECTURA

Los amplificadores de clase D para dispositivos portátiles se especifican típicamente para funcionar desde menos de 3 V a más de 4,2 V, ideales para su uso con baterías de iones de litio o polímeros de litio. A través de este rango de voltaje, la potencia disponible cambia con el voltaje de la batería. Por ejemplo, en una carga de 8 Ω , 3 V proporciona aproximadamente 500 mW y 4,2 V da aproximadamente 1,1 W. Siempre que se necesite más de 1 W de potencia de salida en 8 Ω, independientemente de la tensión de la batería, el amplificador de Clase D debe funcionar con más De 5 V de suministro. El amplificador propuesto se ha integrado en un sistema ilustrado en la Fig. 1 (a). Un convertidor DC-DC escalonado incorporado proporciona el alto voltaje constante requerido desde la batería y un convertidor de corriente de dirección D / A de alta resolución accionado por un modulador sigma delta de 1 bit de orden IV completa el sistema de audio para una mejor colocación cerca del altavoz.

Hay que tener en cuenta algunos inconvenientes al aumentar los amplificadores de Clase D: uno es la bobina adicional requerida por el escalón y también el tamaño de este nuevo componente que debe ser compatible con la muy alta corriente de pico de un amplificador de más de 1 W; Siendo la conmutación escalonada a 1,6 MHz, la frecuencia PWM Clase D debe ser múltiple para evitar cualquier efecto de intermodulación entre los dos bloques (con un diseño muy cuidadoso para aislar sus respectivos motivos). Además, siendo el sistema global suministrado por una batería, un sistema de control de ganancia automático rápido (AGC) dedicado debe evitar que los requisitos de potencia de Clase D reinicien el sistema en caso de que la batería ya no pueda sostener una cierta cantidad de corriente de pico. Es decir, la Clase-D que excede la potencia de salida de 1 W necesita un impulso que puede causar picos de corriente >1.3 A en el dominio de la batería. Los picos actuales también aumentan drásticamente cuando el voltaje de la batería se reduce, eventualmente conduce a la situación que causa el reinicio del sistema al superar el presupuesto actual de la batería).

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