Effizienz ist Alles – Design und Implementation eines Class-D Audio Verstärkers auf Basis des TPA3255

Für ein kommendes Projekt wird ein Audio Verstärker benötigt. Die Anforderungen an diesen stellen sich wie folgt dar: Laut. Hohe Leistung soll es also sein. Dazu kommt ein eventueller Akkubetrieb und die damit verbundene Effizienz. Die Frage nach der Verstärkertopologie ist demnach geklärt. Den wehementen Class-D Verweigerern sei noch dies auf den Weg gegeben: Es handelt sich hier nicht um eine HiFi, sondern um eine PA Anwendung. Die vermeintlich schlechtere Audioqualtät wird also gerne gegen eine erhöhte Effizienz und ein geringeres Gewicht abgewogen. Außerdem ist die Eingangsimpedanz der Treiber bekannt und der ausgangsseitige Filter kann exakt eingestellt werden.
Die Nutzung eines Verstärker ICs vereinfacht und beschleunigt die Implementation eines Class-D Verstärkers enorm. Überlegungen zur Stabilität und zu den Power MOSFETs können dem IC Hersteller überlassen werden und es bleibt lediglich das Design einer Platine. Das System ist in drei Abschnitte geteilt: Power, Input und TPA3255. Viele Schaltungsteile wurden aus dem TPA3255 Evaluation Modul übernommen, werden der Vollständigkeit halber hier aber nochmal beschrieben.

Power

Der TPA3255 braucht neben der Hauptspannungsversorgung für die Ausgangsstufe noch eine 12V Versorgung. Aufgrund der möglichen hohen Eingangsspannungen ist die Nutzung eines LDOs nicht mehr möglich. Stattdessen wird ein LM5010 DC/DC Wandler genutzt, welcher auf eine feste Ausgangsspannung von 15V regelt. Nachgeschaltet ist ein Linearspannungsregler mit einer festen Ausgangsspannung von 12V. Hier wird ein LDO verwendet, da dieser eine Tiepassübertragungsfunktion inherent mit sich bringt und damit hochfrequentes Rauschen, bedingt durch das Schalten des DC/DC Wandlers, unterdrückt wird. Auch ein Reset-Controller ist integriert.

Input

Die Eingangsschaltung ist Standard und kann je nach Eingangssignal zwischen single-ended oder differentiellem Eingang umgeschaltet werden. Als Signalverarbeitungs Operationsverstärker werden ausschliesslich NE5532s verwendet. C6, C7, C10 und C11 dienen dem Entfernen der Gleichtaklage. Die OPs sind als invertierende Verstärker implementiert mit einer Verstärkung von -1 und referenzieren das Signal auf halbe Versorgungsspannung. Die Kondensatoren im Rückkoppelpfad (C49 und C50) dienen der Stabilität. Wenn nur ein single-ended Signal anliegt wird der Ausgang des ersten Verstärkers nochmals invertiert und somit um 180 Grad phasenverschoben. Dadurch entsteht ein pseudo differentielles Signal.

TPA3255

Die Schaltung um den Haupt-IC wird strikt nach Datenblatt implementiert. Interessant ist noch der ausgangsseitige Filter, welcher stark an Application Node SLAA701A angelehnt ist. Um eine möglichst hohe Felxibilität zu erreichen, kann bei entsprechender Anpassung der Filterstruktur, der Modus mithilfe der Widerständen R12, R13, R16 und R17 zwischen 4*SingleEnded, 2*BridgeTiedLoad, 1*BTL;2*SE oder 1*ParallelBridgeTiedLoad umgeschaltet werden.

Layout

Beim Layout muss vorallem auf die gute Leitungführung in den Hochstrompfaden am Ausgang geachtet werden. Um noch sicherer zu sein, dass keine Probleme bei hohen Lasten entstehen, wird eine Endkupfer-Dicke von 70um gewählt. Auch auf gutes Grounding mit entsprechend vielen Vias wird geachtet. Der Signalpfad wird so kurz und symmetrisch wie möglich gehalten. Das fertige Design hat eine Größe von 160mm*100mm, hat aber sicherlich noch Potential zur Miniaturisierung.

Hier dann ein Board frisch aus der Fabrik und ein fertig aufgebautes Board:

Das System scheint nach ersten Tests gut zu funktionieren. Ein umfassenderer Bericht wird folgen.

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