Projekt Modtager. Kapitel 2. Klasse D.

Transkript

1 Projekt Modtager. Kapitel. Klasse D. Udarbejdet af: Klaus Jørgensen. Gruppe: Klaus Jørgensen Og Morten From Jacobsen. It og Elektronikteknolog. Erhvervsakademiet Fyn Udarbejdet i perioden: /9-3 3/-3 Vejledere: PSS & HHJ

2 Indholdsfortegnelse.: Side : Indholdsfortegnelse. Side 3: Indledning. Side 3: Kravspecifikationer. Side 3: Blokdiagram. Side 4: Forslag til H-Bro. Side 5: H-bro. Side 5: Driver. Side 5: Mosfets. Side 6: Gate Trafo. Side 6: Filter. Side 7: CPLD. Side 8: Simulering af analog klasse D i Pspice. Side 9: Konklusion. Bilag.: Litteraturliste. Bilag.: Beregning på Gate Trafo. Bilag.3: En måde at lave udregninger til lavpas filter. Bilag.4: En anden måde at lave udregninger til lavpas filter. Bilag.5: Maksimal strøm i spoler til filter. Bilag.6: Test af IRF64G og MTP355V. Bilag.7: Diagram til CPLD. Bilag.8: Udregning af delay tid. Bilag.9: PWM. Bilag.: Kontrol målinger af spoler til filter. Bilag.: Effekt tab i MTP355V. Bilag.: Print Layout. Bilag.3: Komponentliste. Bilag.4: Total Diagram. Side./6.

3 Indledning.: Der skal konstrueres en klasse D forstærker, som skal kunne give et hørbart signal ud på en højtaler. Signalet kommer i form af et 8 bit signal fra en cd-afspiller som skal laves om i en CPLD ved hjælp af en 64MHz clock som sider eksternt. Det bliver lavet om til to signaler som skal være på 5KHz., dette signal sendes til en H-bro. H-broen skal forstærke signalet og kunne styre hvor højt der skal spilles på højtaleren. Filtret før højtaleren skal kunne filtrere de 5KHz fra igen så der kun er et signal i det hørbare område tilbage. Kravspecifikationer.: Der skal bruges et klasse D trin. Et 8 bit signal fra en cd-afspiller skal laves om til et hørbart signal. Der skal laves et program til CPLD en. Der skal bruges en 8 ohms højtaler. Blokdiagram.: CDafspiller 8 bit. Power. J-tag CPLD H-bro LP-filter Højtaler Side 3./6.

4 Forslag til H-Bro.: Forslag.: Er det muligt at styrer alle 4 Mosfet i H-broen ved hjælp af et TTL signal fra CPLD en? Det er det hvis der bruges low level logik Mosfets, og alligevel ikke da Mosfetsene skal bruge en stor start strøm. Forslag.: At brug P-kanals Mosfets øverst i H-broen og N-kanals Mosfets nederst i H-broen. Der er dog vise ulemper ved dette der skal bruges et push-pull trin med en transistor som switch til hver N-kanals Mosfet, og forsyningen til H-broen kan kun justeres mellem 8 og V. Forslag 3.: Bruge to trafoere, med en primær og to sekundær viklinger, til at transformere signalet fra de to udgangene på CPLD en via en kontroller (TC444), fra 5V op til V, som skal bruges til at åbne Gaten på Mosfetne med og for at være sikker på at mosfetnen åbner, så der kan der også trækkes den nødvendige strøm. Gate trafoen skal åbne for to Mosfets på krys. X + X4 og X + X3. Forslag 3 er det der bruges og ses på Fig.. VCC V-bro CPLD 5KHz 6 UA 7 TC444 3 C5 n 4 T 9 8 X R 8.k X3 MTP355E/MC MTP355E/MC Gate X3 R4 Sours X3 8.k VCC 6 UB 7 3 TRAN_ISDN_9 Filter CPLD 5KHz TC444 C4 n 4 T 9 8 Gate X3 Sours X3 X R 8.k X4 MTP355E/MC MTP355E/MC R3 8.k 7 3 TRAN_ISDN_9 Fig.. (Forslag 3) Problem.: CPLD en kan ikke trække spolerne selv? Det kan den ikke da der skal bruges en høj peak strøm til spolerne, derfor bruges der to driver som kan levere en høj peak strøm. Problem.: Hvilke mosfets skal der bruges og hvilke er hurtige nok da der skal bruges en 5KHz, Som er opgivet af underviseren. Side 4./6.

5 H-bro.: Opbygningen af H-broen ses på fig.. på side 4 den består af 4 Mosfets, 4 modstande og gate trafoer. Hver gate trafo styrer hver to Mosfets, gate traforene er nødvendige fordi at Mosfeten skal bruge en stor start strøm og en højere spænding end kontrollerne kan levere, de 4 modstande som er placeret fra gaten til sourcen på hver sin Mosfet bruges til at lukke ordentligt for Mosfeten igen. V-bro er en variabel spænding fra V til 8V der bestemmer hvor høj lyd der skal komme ud af højtaleren efter hvor høj spændingen er. Driver.: De to driver (TC444) bruges fordi at CPLD en ikke kan levere en så høj peak strøm som spolen kræver. Valget af driver faldt på TC444 fordi at den kan lever en peak strøm på 3A og det er et godt stykke over det som der skal bruges. Mosfets.: Valget af mosfets stod mellem en BUZ, IRF64G eller en MTP355V, der er lavet forsøg med IRF64G og MTP355V med en lille måle op stilling som se på fig.. målinger ses i bilag.4. og ud fra de forsøg og data fra datablade blev MTP355V valgt, fordi den er hurtigere end IRF64G. BUZ er der ikke lavet test med fordi den er meget langsommere end de andre ud fra data. berigning af effekt tab i MTP355V ses i bilag. 5Vdc V C u UA 6 7 C Trafo : 5 R k Mosf et C3 u V 8Vdc signal ind 3 TC444 n 4 8 R 8.k fig.. Data om IRF64G : Data om MTP355V : BUZ : Side 5./6.

6 Gate Trafo.: Hver gate trafo styrer to Mosfets, men de styres på krys så T styrer X og X3, T styrer X og X4. Gaten skal forsynes med V for at der er helt åben, og kontrolleren levere 5V på udgangen så det skal transformeres op med en gang. Ugate = gg Ukontroller 5 Hver gate trafo består af en primær spole på 7 viklinger og to sekundær spoler på 34 viklinger. L 4,64µ Np = = 6,97 7vindinger A 78n L Ns = Np N 7 = 34vindinger For at se udregningerne til dette, se bilag. Filter.: Da de skal slutte med at der skal komme et hørbart signal ud af en højtaler skal det 5KHz signal filtreres fra igen og det gøres med et anden ordens Butter worth lavpas filter som er valgt til at ha en grænse frekvens på 3KHz, da det hørbare område er mellem Hz og KHz og derfor skal grænse frekvensen være et stykke over de KHz for at være sikker på at man ikke kommer i nærheden af de KHz. C og C centrere det signalet som højtaleren se symmetrisk omkring stel. L 3uH L 3uH C Rh n C C 8 47n n fig. 3. Udregninger til lavpas filter ses i bilag.3 men disse komponenter bruges ikke Udregninger til lavpas filter ses i bilag.4 disse komponenter bruges. Maksimal strøm i spoler se bilag.5 Kontrol målinger af spoler ses i bilag. Side 6./6.

7 CPLD.: Klaus Jørgensen CPLD en bruges til at dekode et digitalt signal fra en cd-afspiller som er på 8 bit. Til dette skal der laves et program, som skal brændes over i CPLD en hved hjælp af J-tag. Programmeringen foregår ved hjælp af drag and drop princippet med logik symboler i programmet Project Navigator fra Xilinx, diagrammet til dette ses i bilag.7. Programmet skal give to signaler ud, som skal gå til hver sin driver til H-broen, disse signaler er på 5KHz TTL niveau. Med samme periode tid på 4µsek, men med forskellig positiv halvperiode. Fra det ene signal går lav () går der 78n sek. før det andet signal går høj () dette skyldes at man ikke ønsker at mosfetene skal over lappe hinanden da de har en delay tid før de går mod nul som også taget et stykke tid se fig. 4. og se udregninger til de 78n sek. i bilag.7. T : Turn Off Delay Time T : Fall Time T3 : Turn On Delay Time T4 : Rise Time T5 : den tid der går fra CPLD en går ON til mosfeten begynder at gå ON. T T T3 T4 CPLD T5 Mosfets Delayet mellem perioderne kunne godt være mindre end 78n sek. som er regnet ved vorstcase, Man kunne regne den efter typisk værdiger, men det ville ikke være så sikkert da der kan være stor forskel på mosfetene. Der er også lavet en PWM i CPLD en for at få det 8 bit signal lavet om til to signaler til H-broen, hvor pulshviden ændre sig på de to signaler efter hvor stort signal der kommer ind fra cdafspilleren. PWM en er lavet med en tæller der tæller op til 56 meget hurtigt og der efter skifter til og starter forfra ved hjælp af den 64MHz clock. De 56 fordi der bruges 64MHz som clock og 5KHz som frekvens. clock 64M Bit = = 56 f 5K Se diagram over PWM og simulering i bilag.9 fig.4. Side 7./6.

8 Simulering af analog klasse D i Pspice.: Der er blevet konstrueret en analog klasse D i pspice som der er blevet simuleret på for at få en bedre forståelse for hvordan en klasse D forstærker virker. V5 laver en savtadn på 5KHz som bliver sammenlindet med en frekvens fra V4 som kan justeres mellem og KHz som er det hørbare område, disse to signaler sammenlines i U5 som laver et firkant signal på V eller 5V men med forskellig puls tid, det signal sendes ud til H-broen, men der er en inverter så der kommer det modsatte signel ud til to af mosfetterne. Epoly er en komponent der simulerer en trafo som har et omsætnings forhold på :. Filteret der bruges til at simulerer med er et der er fået af underviseren. Efter hvor høj spænding der er på V jo stører udsving vil der komme over RH på udgangen. Vdc V D D V = V = 4.5 TD = TR = u TF = u PW = p PER = 4u VOFF = VAMPL = FREQ = k V5 V4 R3 k R5 k R4 k R6 k U5 + - R k OUT OPAMP U6 INV E EPOLY E EPOLY X G R7 IRF64 8.k D X" G R8 IRF64 8.k S S X3 IRF64 X4 IRF64 S G R S 8.k L 5uH L 5uH D G R9 8.k E EPOLY C 8n C 8n E EPOLY C3 39n V+ RH 8 V- V fig. 5. V -V s.ms.4ms.6ms.8ms.ms V(L:,C3:) Time fig.6. Side 8./6.

9 Konklusion.: Klaus Jørgensen Klasse D projektet forløb uden de helt store problemer, dog blev tiden ikke disponeret helt så godt hvilket viste sig i slutningen af projektet, da tiden blev meget presset og resulteret i af gruppen ikke nåde at få bygget Klasse D forstærkeren færdig og fået lave kontrol målinger på den. Printet til Klasse D forstærkeren blev dog færdigt, men det var der også en del problemer med da printbanerne ikke måtte blive for lange på grund af støj. Der blev også lavcet et lille test print til at finde ud af hvilke mosfets der skulle bruges til H-broen. Og som det tydelig ses i bilag.6 blev der valgt en MTP335V da den giver et udgang signal der er noget flotter en IRF64G. 3/-3 Klaus Jørgensen. Side 9./6.

10 Bilag..: Litteraturliste. Internetadresser.: Xilinx.com Google.com Alltheweb.com Datablade.: Buz.pdf IRF64G.pdf MTP355V.pdf HP.pdf TC444.pdf XC9536.pdf AELCSN.pdf EFD5 3F3.pdf PowerTRSG.pdf Side./6.

11 Bilag..: Beregning på Gate Trafo. pt = = µsek f 5K 4 Klaus Jørgensen Da periodentiden nu kendes kan der nu beregnes hvor mange viklinger der skal være på henholdsvis primær og sekundær siden. U = 5v Periodetid = 4uS Ae = 5 (oplyst i datablad) 33m B MAX = 3 Omsætningsforholdet i spolen er: L Primær : Ns Np = = 5 gg Np = U T BMAX Ae 3 ( 3F3) 5 4µ 33m ON. = vindinger L Sekundær: Da omsætningsforholdet er på gg bliver L Sekundær derfor.: L Sekundær = = 4vindinger Beregning af størrelsen på trafoen.: L = N Av Av er oplyst til 78nH Lp = 78n =.3µ H Ls = 4 78n = 449.8µ H Når størrelsen på spolerne kendes kan der beregnes hvor mange ampere der løber i spolen.: di UL dt 5 4µ UL = L di = = = 78. 6mA dt Lp.3µ Side./6.

12 Eftersom den beregnede strøm i spolen er for stor er det valgt at prøve og halvere denne så den måske er mere acceptabel. I 78.6m = 89.3mA Ny Lp (primærspole) med ny di: UL dt 5 4µ L = = 4.64µ H di 89.3m Np = L A L 4,64µ 78n = 6,97 7vindinger Da Np nu kendes kan Ns findes da omsætningsforholdet kendes: Ns = Np N 7 = 34vindinger Beregning af størrelsen på trafoen.: L = N Av Av er oplyst til 78nH Lp = 7 78n = 5. 4µH Ls = 34 78n = 9µH Side./6.

13 Bilag.3.: En måde at lave udregninger til lavpas filter. De komponenter der findes frem til i dette bilag bruges ikke. H ( S ) = S + S + Grænsefrekvensen er valgt til 3KHz. ω = π f L og C = filter Rhøjtaler 8 * L = = 3µ H π * f π 3KHz L C C` Rhøjtaler 8 C ' = = nF RH 8 π * f π 3KHz C sættes til ca. % af *C en hånd regel op givet af underviseren n C = * = 87.57n 8nF C' n C = = 468.9n 47nF H-bro L 3uH L 3uH C 8n C 8n C 47n LS 8 Ohm Simulering af LP filter. 4 d (6.956KHz) Kurven VP viser fase drejningen og ved de 9 grader er knæk frekvensen, som ses på VDB kurven og den ligger ved 6,7KHz d (6.745KHz/ grader) >> -d Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VDB(C4:) VP(C4:) Frequency VP VDB Vac Vdc V L 3uH C4 8n C3 u Rh 8 Side 3./6.

14 Bilag.4.: En anden måde at lave udregninger til lavpas filter. Komponent størrelser der findes i dette bilag bruges til lavpas filteret. F ( s) = ω K * S + Qω K * S + S bliver lavet om til Jώ F( Jω ) = J ω * ω K ω + J * Qω K + F ( Jω ) laves om til Real og Imaginær ω ω J ω + Q * ω K K Re al Im aginær Forstærkningen i filteret Au = Re + Im ϕ = tag Re * tag Im * ( ) = 9 H R Z = RCS + * Z+ Z R LS + RCS + RLCS R R RCS RCS + + R LS R L * + LCS S R R S givet størrelser er Rhøjtaler som er sat til 8Ω og knæk frekvensen som er sat til 3KHz Q = =,77 ω = ω f rad K = π * sek L R = Q * ω K R L = Q * ω K 8 = 6µH * π *3K De 6µH en den samlede værdig af spolerne og da der skal bruges to er de på det halve hver. L 6µ L & L = = = 3µH L * C = C = ω L * ω 6µ * K = K ( π *3K ) 47nF L filter C Rh 8 Side 4./6.

15 C kondensatorerne sættes til % af C. dette er dog kun en ca. regel, som er opgivet af underviseren C* 47n * C total = = 47nF Der bruges nf til C da de er i serie. C = 5n 47 nf total = ( C + C ) ( n + n ) L 3uH L 3uH C n C C n 47n Test med de beregnede komponenter. L er på 6µH fordi den skal simulere bege spoler. Rh 8 d (9.86K,-.954dB) (9.86K, Grader) -4 -d -8 >> -d Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VDB(C3:) VP(C3:) Frequency Målt : -,954dB 9,96KHz -89,58grader db,954 Q = log log =,7 Vac Vdc V L 6uH C3 47n VP VDB Rh 8 d (8.564K,-.583dB) -d (8.564K, Grader) -4 >> -8 -d Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VDB(C3:) VP(C3:) Frequency målt : -,58dB 8,564KHz -89,965grader Q = log db log,58 =,743 Vac Vdc V L 6uH C 47n VP C3 47n VDB Rh 8 Side 5./6.

16 Bilag.5.: Maksimal strøm i spoler til filter. EFD5 A6 S - µ i luftgab pr. styk. Og der bruges to, så der vil være et luftgab på 4µ AL aflæses ud fra at der er et luftgab på 4µ man da der kun er et på µ og som har en AL på nh trækkes der lidt far og man får en ca. værdig på 95nH I *L MAX aflæst til = * -4 = µ (maksimalt energiindhold) der er dog aflæst en lidt støre værdig end de µ men for at være sikker på at det holder er der gået lidet ned i værdig. 4 µ H I 3µ H = I = = 6. 66A 3µ H I = I = I 6.66 =. 58A (maksimal strøm) N = L A L 3µ = vindinger 95n Side 6./6.

17 Bilag.6.: Test af IRF64G. Målinger fortaget med en : probe. Klaus Jørgensen mv pr/div. mv pr/div. 5Vdc V = V = 5 TD = TR = n TF = n PW =.9u PER = 4u UA V V3 C u TC444 C n Traf o : R 8.k R k Mosf et C3 u V 8Vdc 5mV pr/div. mv pr/div. 5mV pr/div. Side 7./6.

18 Test af MTP355V. Målinger fortaget med en : probe. Klaus Jørgensen mv pr/div. mv pr/div. 5Vdc V = V = 5 TD = TR = n TF = n PW =.9u PER = 4u UA V V3 C u TC444 C n Traf o : R 8.k R k Mosf et C3 u V 8Vdc 5mV pr/div. mv pr/div. 5mV pr/div. Side 8./6.

19 Bilag.7.: Diagram til CPLD. Side 9./6.

20 Bilag.8.: Udregning af delay tid. T : Turn Off Delay Time T : Fall Time T3 : Turn On Delay Time T4 : Rise Time T5 : den tid der går fra CPLD en går ON til mosfeten begynder at gå ON. T T T3 T4 CPLD T5 Mosfets Udregningerne til de 78n sek. er udregnet ud fra vorstcase. T n T3 + T 3n + 5n = 75nsek I programmet i CPLD en bruges der en johnson counter som delay som tæller op til 5 pulser som den får fra 64MHZ generatoren som er ekstern, det gøres for begge udgange. pt = = 5, nsek f 64M 65 pulser delay 75n = = 4,8 pulser pt 5,65n 5 delay _ tid = pulser * pt 5*5,65n = 78,5n 78nsek Side./6.

21 Bilag.9.: PWM. A og B output er udgang på CPLD til driver. Når A går til V, vil der gå 78n sek. til at B går til 5V Savtak 8 bit Input signal A output B output Simulering.: Indgangs signal : Indgangs signal : Side./6.

22 Bilag..: Kontrol målinger af spoler til filter. Spole L ( prik).: Q er målt til en værdig på 34Q med et Q-meter, der er målt følgende værdiger. F =,4MHz C = 47pF Det giver en L på : L = * * = 6, µh * f *,4M 47p 73 π π L er også målt med et LCR meter til en værdig på 7,8µH Spole L ( prikker). Q er målt til en værdig på 35Q med et Q-meter, der er målt følgende værdiger. F =,4MHz C = 47pF Det giver en L på : L = * * = 7, µh * f C *,4M 47 p 497 π π L er også målt med et LCR meter til en værdig på 8,µH I forhold til beregningerne i bilag. er afvigelsen inder for det acceptable område. Side./6.

23 Bilag..: Effekt tab i MTP355V. Klaus Jørgensen f = 5kHz Vcc = 8v Vcc 8 I D = = =.5A RL 8 T r = 6nS (Datablad - MTP355V) T f = 5nS (Datablad - MTP355V) 3.9µ D =.98 (dutycycle) 4 µ S 78nS = 3. 9µ S (max on-tid) = 98.5% 4µ dutycycle R DS-ON =.5Ω (Datablad - MTP355V) Effekt under stigetiden: tr Pr = PD ( t) dt Pr T = 6 f Vcc I D t r P r = 5k 8.5 6n =.5mW 6 Effekt i faldtiden: P f t = T f P ( t) dt P D f = 6 f Vcc I D t f P f = 5k 8.5 5n = 84.37mW 6 Effekt i on-tilstanden: PDON = D I RDS ON = n = mW Side 3./6.

24 Bilag..: Print Layout. På undersiden af printet er der langt en stor stel-flade for at spare så mange baner så muligt. I øvrigt er komponenterne rykket meget mere tæt på hinanden så der ikke opstår for meget støj. Samtidig er alle baner optimeret så de har en forholdsvis bred signalvej og dermed sikrer at det på de steder hvor der løber meget strøm er en bred bane. Overside af printudlæg Underside af printudlæg : : Komponentplacering : Side 4./6.

25 Bilag.3.: Komponentliste. Klaus Jørgensen Antal. Nr. Navn. Værdi / type Tolerance. Spænding / effekt Bemærkninger 4. R,,3,4 Modstande 8,KΩ +/- 5%.4W. C, Kondensator n Filter. C3 Kondensator 47n +/- 5% Filter 6. C8,,,,4,5 Kondensator n Afkobling. C4,5 Kondensator n Overførings. C6,7 Elektrolyt u +/- % 35V 4. X,,3,4 Mosfets MTP355V. U7 Xtal 64MHz 64MHz U3 XC9536 CPLD. UA, UB Driver TC444 Driver. T, Gate trafo Lp 5µH x Ls 9µH. L, Filter spoler 3µH Side 5./6.

26 Bilag.4.: Total Diagram. Side 6./6.