201501190735Class-D 的 Pumping Effect

單端雙電源的 Class-D,存在一個必需面對的問題 Pumping Effect,電感是電流可以雙向流動的零件,探討這個效應之前,先定義自左向右流過電感的電流,在 B-H Loop 的第一象現,自右向左則為第三象現。

在細部探討每段時間,Class-D 在做什麼事之前,先為每個零件命名:


先描述一下 Class-D 靜態時的動作,在 T0 這時間點 Class-D 開始工作,Qp 先導通,電流自 Cp Qp 流過 L Co,電流自 T0 時的零,上升至 T1 AT0 ~ T1 這段時間的動作很容易理解,很多人會卡在接下來的 T1 ~ T1a


T1 ~ T2Qn 導通,一般初學者常會卡在 T1 ~ T1a,電流怎麼會從 Cn 的負端流出,經 QnLCo 流到 Cn 的正端,這明顯違反電流自高電位往低電位流,實際的原因為:MOSFET 導通時電流可在 MOSFET D S 間雙向流動T1 ~ T1a 這段時間B-H Loop 要從 A 回到零而這段路位於 B-H Loop 第一象現不要忘了第一象現電流自電感左側流往電感右側。從另一個角度看,電感有儲能的功能,在 T0 ~ T1,電流自 Cp Qp 流過 L Co,流過 L 的電流儲存了一些能量(充電),在 T1 ~ T1a 這段期間釋放能量(放電),自 Cp 抽能量轉到 Cn,北電南送。

T1a ~ T2,電流自 Cn 的正端,經 CoLQn 流回 Cn 的負端,電流自 T1a 的零負向增加到 T2 時的 BB-H Loop 也從零往第三象現跑。


T2 ~ T3 的動作跟 T1 ~ T2 的動作相同,只是電流方向相反,B-H Loop 象現對調,T3 就是下一個 T1,舟而復始。有趣的是:T0 ~ T1a 北電南送,T1a ~ T2a 南電北送,Cp Cn 禮尚往來,兩電容維持相同電壓。


Class-D 有輸入信號時怎麼工作?當 Qp 導通時間多於 Qn ,電流往上跑,反之往下。下圖 T0 ~ T1 之間為正半周輸出,電感電流都是由左往右流,即這段期間都是北電南送,如果用 60Hz 矽鋼片變壓器供電,Cp 電荷被取走後,市電下一個半周來時會對 Cp 補充能量,但是 Cn 被充電電壓增高後,Cn 負端對地電壓會低於 -50VD2D4 逆偏,只得任由 Cn 的端電壓增加,若 CpCn 的容量不夠大,音樂信號頻率較低(T0 ~ T1 時間較長),Cn 會被充到較高的電壓


前面的推導,看到一個單端雙電源 Class-D Class-AB 很不一樣的地方,此處不談 SMPS,以60Hz矽鋼片變壓器供電,在正半周輸出時:

Class-AB 正電源濾波電容 Cp 電壓漣波增大、電壓降低,負電源源濾波電容 Cn 電壓不變。

單端雙電源 Class-D 正電源濾波電容 Cp 電壓漣波增大、電壓降低,負電源源濾波電容 Cn 電壓增加,大大增加正 / 負電源不對稱

知名音響大廠 audio research DS225 DS450 都是用 IRS2092,架構就是單端雙電源的 Class-D,難道他們不知道 Pumping Effect?他們的解法是用大量的 CpCn 來降低南電北送 & 北電南送的充電電壓,從照片看一共 16 10000uF,遠超過 Class-AB Class-A,這麼高的容量勢必得有暖開機電路,否則電源開關 & 橋式整流壽命堪慮,且由於超高的容值,每當市電在正弦波峯對電容充電的峯值電流會非常高,勢必得想些電路去克服,即:要把 IRS2092 玩好,PCB 絕不會是乾乾淨淨、清清爽爽。

聰明的你馬上想到:那 IcePower 為何體積那麼小?也沒有用一缸子高容量電容,不是因為它用 SMPS 供電,而是起因於 IcePower 不是單端雙電源,而是單電源橋接,對同一顆濾波電容充、放電,當然就沒有 Pumping 的問題啦!

 

 

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