Микросхема XA9221. Описание, характеристики, схемы включения

Микросхема XA9221 – стереофонический усилитель мощности звуковой частоты класса D снабжённый функцией регулируемого ограничения мощности.

Высокий КПД и хорошие мощностные характеристики микросхемы позволяют использовать её в портативных акустических системах, bluetooth-колонках, бумбоксах (портативных радиоприёмниках) с автономным питанием.

Данную микросхему можно обнаружить в портативной аудиосистеме SVEN PS-650.

При определённых режимах работы микросхема не нуждается в использовании внешнего охлаждающего радиатора.

Немаловажной особенностью данной микросхемы является однополярное питание и широкий диапазон питающего напряжения (от 4,5 до 26V). Правда, стоит учесть, что при снижении уровня питающего напряжения снижается и выходная мощность усилителя.

При питании 24V усилитель способен развить мощность 20 Вт на канал (стерео) при работе на громкоговоритель (нагрузку) сопротивлением 8 Ом. Коэффициент нелинейных искажений плюс шум (THD+N) составляет ~0,08% (0,03% при f = 1 кГц).

График зависимости коэффициента нелинейных искажений и шума от частоты.

Также возможна эксплуатация усилителя в монофоническом режиме на нагрузку в 4 Ом. При этом максимальная мощность составляет 40 Вт на канал (моно) при питании 24V и искажениях (THD+N) меньше 10%.

Микросхема полностью самодостаточна и не требует внешнего управления по цифровой шине (что не редкость для многих чип-усилителей класса D, встроенных в TV и другую аппаратуру). Поэтому её можно использовать в простых и доступных для самостоятельной сборки самоделках.

Основные сведения о микросхеме XA9221 представлены в следующем порядке:

• Основные характеристики микросхемы;

• Функциональная блок-схема;

• Тип корпуса, распиновка и назначение выводов;

• Интерфейсные выводы;

• Встроенные функции защиты;

• Типовые схемы включения микросхемы.

Технические характеристики микросхемы XA9221.

Основные характеристики микросхемы XA9221 представлены в таблице №1.

Таблица №1. Основные технические характеристики микросхемы XA9221.

Пояснения к содержанию таблицы.

PVCC – напряжение питания микросхемы. THD+N – коэффициент нелинейных искажений плюс шум. Искажения измеряются при подаче на вход усилителя тестового сигнала частотой 1000 Гц (f = 1kHz). Как видим, при рекомендуемом напряжении питания в 24V усилитель выдаёт на каждый из двух каналов усиления 20 Вт (W) мощности. При этом искажения составляют 0,03%, что практически незаметно на слух и считается достаточным для комфортного прослушивания музыки.

При вдвое меньшем напряжении питания 12V, усилитель выдаёт 10 Вт на канал, но уровень искажений составляет уже 10%, которые будут сильно заметны при прослушивании. Для такого уровня искажений, как правило, указывается максимальная, а не номинальная выходная мощность усилителя. Из этого следует, что для качественного и мощного воспроизведения звука на микросхему необходимо подать довольно высокое напряжение питания в районе 20...24 вольт.

В качестве нагрузки к выходам микросхемы XA9221 допускается подключать громкоговорители с сопротивлением звуковой катушки 4, 6 или 8 Ω (Ом).

Графики зависимости коэффициента нелинейных искажений и выходной мощности микросхемы при различном напряжении питания и разном сопротивлении нагрузки показаны далее.

Для нагрузки 8 Ω.

График зависимости нелинейных искажений от выходной мощности при разном напряжении питания и нагрузке 8 Ом.

Как видим, при минимальном напряжении питания 5V, усилитель способен выдать лишь около ~1,3W мощности на канал при искажениях 0,05%. При увеличении выходной мощности уровень нелинейных искажений существенно возрастает.

Для нагрузки 6 Ω.

График зависимости нелинейных искажений от выходной мощности при разном напряжении питания и нагрузке 6 Ом.

При уменьшении сопротивления нагрузки до 6 Ом выходная мощность увеличивается. Например, при 12 вольтовом питании микросхема может выдать почти 10 Вт на канал (~9,5 Вт).

Для нагрузки 4 Ω.

График зависимости нелинейных искажений от выходной мощности при разном напряжении питания и нагрузке 4 Ом.

При минимальном сопротивлении нагрузки в 4 Ома, микросхема выдаёт 26...28 Вт на канал при питании в 18 вольт.

Вывод из всего этого напрашивается сам собой. Чтобы выжать из микросхемы максимум, нужно подключить к ней динамики сопротивлением 4 Ом и использовать источник питания на 18V.

КПД микросхемы XA9221.

График производительности или эффективности (Effeciency), он же КПД микросхемы при разных напряжениях питания и стереофоническом включении показан на следующем изображении.

График зависимости КПД от выходной мощности микросхемы XA9221 при различном напряжении питания.

При монофоническом включении КПД микросхемы чуть ниже, чем для стерео режима при аналогичных напряжениях питания.

Высокий КПД (вплоть до 88%) полученный за счёт использования класса D позволяет отказаться от охлаждающего радиатора.

Функциональная блок-схема.

Микросхема XA9221 включает в себя множество узлов и блоков, которые показаны на следующей функциональной блок-схеме.

Основу микросхемы составляют два усилителя класса D, которые позволяют усиливать стереосигнал, а также работать в одноканальном режиме с вдвое большей выходной мощностью.

К усилителям относятся такие блоки, как:

• Gain Control Amplifier – входной регулируемый усилитель;

• Δ-wave – генератор пилообразного напряжения;

• Modulator – блок модулятора;

• PWM Logic – блок ШИМ-логики;

• Power Stage – выходной силовой каскад.

Указанные блоки являются типовыми для усилителя класса D. Согласно даташиту (техническому описанию) на микросхему, частота f_OSC встроенного генератора (Δ-wave) составляет 310 килогерц (kHz) с допуском ±60 килогерц (мин. 250, макс. 370 кГц).

Предварительный каскад усиления имеет дополнительный блок, с помощью которого можно выбрать желаемый коэффициент усиления, а также блок функции ограничения мощности.

• Gain Select – блок выбора коэффициента усиления;

• PLIMIT Reference – опорный блок узла ограничения мощности PLIMIT;

• PLIMIT – блок ограничения мощности.

Блоки, отвечающие за защитный функционал:

• Short-Circuit Protection – блок схемы защиты от короткого замыкания;

• DC Detect – блок обнаружения постоянного тока;

• Bias and Reference – блок формирования опорных уровней и смещения;

• Under-Voltage Protection – блок защиты от пониженного напряжения. Сюда же можно отнести и блок защиты от повышенного напряжения (Over-Voltage protection);

• Thermal Detect – блок контроля температуры;

• FAULT Logic – логический блок обработки и сигнализации об ошибках.

Также микросхема имеет в своём составе блок управляющей логики, который отвечает за вкл./выкл. усилителей и их блокировку в случае обнаружения ошибок, а также встроенный стабилизатор напряжения на 5 вольт.

• Control Logic – блок управляющей логики;

• Regulator – встроенный стабилизатор напряжения.

Приходящее на стабилизатор (Regulator) напряжение PVCC стабилизируется до уровня 5V и подаётся на вывод GVDD. Максимальный выходной ток для данного стабилизатора составялет I_GVDD = 0,1mA, то есть всего 100 мкА. Допустимое напряжение на выходе стабилизатора может быть в пределах от 4,75 до 5,25V.

Тип корпуса, распиновка и назначение выводов.

Микросхема выполнена в корпусе E-TSSOP 28L для монтажа на поверхность и имеет 28 выводов.

Распиновка (pinout) микросхемы XA9221 показана на следующем изображении (вид сверху).

Ключ-метка начала отсчёта номера вывода показана в виде небольшого кружка возле первого вывода. Отсчёт ведётся против часовой стрелки. На верхней части корпуса реальной микросхемы возле первого вывода имеется небольшое углубление круглой формы. Это и есть ключ.

В определённом режиме работы микросхема XA9221 не нуждается в охлаждении с помощью дополнительного радиатора, но на нижней стороне её корпуса имеется так называемый thermal pad (термопрокладка). Это, ни что иное, как площадка-теплоотвод, которая запаивается на поверхность печатной платы и отводит в неё тепло от кристалла микросхемы.

Таблица №2. Описание назначения выводов микросхемы XA9221.

Интерфейсные выводы.

Выводы SD, FAULT, GAIN0, GAIN1, PBTL, PLIMIT являются интерфейсными. С их помощью задаётся общий режим работы микросхемы или параметр какой-либо функции.

Например, с помощью выводов GAIN0 и GAIN1 задаётся коэффициент усиления микросхемы, а с помощью вывода PBTL активируется монофонический (одноканальный) режим работы.

Перевод микросхемы в дежурный режим.

При подаче на вывод 1 (SD) низкого напряжения (0,8V), микросхема XA9221 переходит в режим низкого потребления тока, что позволяет экономить электроэнергию от источника питания. При этом выходные каскады усиления микросхемы блокируются и воспроизведение звука будет отключено.

Для перевода микросхемы в рабочий режим необходимо подать на вывод SD напряжение 2V.

Установка коэффициента усиления.

С помощью выводов GAIN0 (5) и GAIN1 (6) задаётся коэффициент усиления микросхемы.

Всего имеется четыре фиксированных параметра усиления. Изменением входного сопротивления микросхемы XA9221 задаётся различный прирост уровня громкости.

Таблица №3. Конфигурация для установки усиления и входного сопротивления.

Уровень усиления выбирается подачей на выводы GAIN0 и GAIN1 напряжения высокого или низкого уровня, которые указаны, как «1» и «0». В реальной схеме нулю «0» соответствует напряжение 0,8V, а для единицы «1» оно составляет 2V.

Таким образом, подав на выводы GAIN0 и GAIN1 напряжение в 2V («1»), мы зададим для микросхемы наибольшее усиление из возможных (36 дБ).

Выбор ёмкости разделительного конденсатора.

Далее следует упомянуть о разделительном конденсаторе C_in, который устанавливается на входе правого и левого каналов усилителя. Он является частью ВЧ-фильтра задача которого состоит в том, чтобы отсечь постоянную составляющую аудиосигнала.

В то же время ВЧ-фильтр должен хорошо пропускать полезную составляющую, а в особенности низкие частоты (басы). Именно поэтому частота среза ВЧ-фильтра (f_c) выбирается достаточно низкой.

Типовая схема ВЧ-фильтра (High Pass Filter) показана на изображении и отмечена цифрой 2. Формула расчёта частоты среза f_c указана под номером 3.

В приведённой формуле под резистором R_in понимается входное сопротивление предварительного усилителя, который является частью микросхемы.

От выбранного коэффициента усиления микросхемы XA9221 зависит входное сопротивление R_in. Их соответствие указано в таблице №3. Так, для максимального усиления в 36 дБ оно составляет 9 кОм.

В качестве входного конденсатора C_in, как правило, выбирается керамический конденсатор ёмкостью 0,1...1 мкФ.

Обилие баса, который мы получим на выходе усилителя определяется частотой среза получившегося ВЧ-фильтра.

Если поиграться с формулой расчёта частоты среза (3), то наиболее разумным будет применение входного конденсатора C_in с номинальной ёмкостью 1 мкФ, так как при любом из возможных коэффициентов усиления, а, стало быть и входном сопротивлении, ВЧ-фильтр пропустит все низкие частоты аудисигнала.

Напомню, что диапозон слышимых человеком частот лежит в интервале от 20 герц до 20 килогерц.

Стоит учесть, что входное сопротивление имеет допуск в 20% в связи с допустимыми отклонениями при производстве изделия.

Включение монофонического режима.

При необходимости микросхему XA9221 можно перевести в монофонический режим. В такой конфигурации микросхема работает на один громкоговоритель или колонку, а выходная мощность удваивается, поскольку объединяются два канала усиления.

Для того, чтобы перевести микросхему в данный режим, необходимо подать высокий уровень напряжения на вывод PBTL. Вывод PBTL допускает подачи на него напряжения до 30V (максимальное значение). Поэтому для активации режима Parallel BTL (Моно) вывод 14 можно соединить с плюсом питания (PVCC), как это указано на типовой схеме включения для одноканального режима работы.

При этом, положительный и отрицательный выход левого и правого каналов синхронизированы и работают в фазе.

В режиме моно аудисигнал подаётся на вход правого канала (RINP, выв. 12), а вход левого канала (выв. 3 – LINP, выв. 4 – LINN) подключается к общему проводу схемы (заземляется).

Динамик или звуковая колонка подключается между левым (23 – OUTNL, 25 – OUTPL) и правым (18 – OUTPR, 20 – OUTNR) выходами.

Если используется стереофонический режим работы микросхемы XA9221, то вывод PBTL соединяется с общим проводом.

Функция ограничения мощности PLIMIT.

Отдельно стоит рассказать о функции ограничения мощности (power limit function), которая предназначена для защиты громкоговорителей от перегрузки.

В обиходе данный функционал называют просто лимитером. Например, в некоторых автомобильных усилителях имеется кнопка включения функции «Clip Limit» (Kicx QS 1.1000).

При активации данной функции входной сигнал ограничивается для предотвращения перегрузки (клиппинга) на выходе усилителя.

Если взглянуть на блок-схему усилителя, то по ней видно, что блок PLIMIT идёт сразу же за входным регулируемым усилителем. То есть работа данной функции завязана на предварительный усилитель сигнала.

Если активировать функцию PLIMIT, то предварительный усилитель будет органичивать чрезмерно мощный входной аудиосигнал до такого уровня, который после усиления выходным каскадом будет находится в заданных пределах.

Исходя из документации на микросхему, верхним порогом ограничения мощности считается уровень искажений (THD+N) в 10%. Как правило, такому уровню искажений соответствует максимальная выходная мощность усилителя.

Настройка уровня ограничения данной функции осуществляется по выводу 10 (PLIMIT).

Для её включения необходимо подключить резистивный делитель между выводом GVDD и AGND (общим проводом аналоговой части схемы). Напряжение с делителя (V_PLIMIT) необходимо подать на 10 вывод PLIMIT. На принципиальной схеме элементы резистивного делителя отмечены, как RPL1 и RPL2. Вот фрагмент схемы.

Для активации функции необходимо подать на вывод PLIMIT напряжение до 2,4V (в пределах 1,33...2,4V).

В качестве ориентира можно воспользоваться следующей таблицей из даташита. В ней указаны напряжения V_PLIMIT для конфигурации усилителя с питанием 24V и нагрузкой 8 Ом.

Так, если мы хотим ограничить выходную мощность на уровене 15W при искажениях (THD+N) в 10%, то нужно выбрать напряжение V_PLIMIT равное 1,67V.

Для отключения функции ограничения мощности необходимо соединить вывод PLIMIT с выводом GVDD (выход встроенного стабилизатора на 5V), то есть подать на вывод PLIMIT напряжение больше 2,4V или же соединить с общим проводом схемы (8 вывод AGND).

Сигнализация об ошибках.

Специальный вывод FAULT (2) используется для сигнализации о нештатной ситуации. Вывод имеет конфигурацию открытого выхода стока (drain). С него сигнал о неисправности может поступать в управляющие цепи устройства, частью которого является усилитель.

По данному выводу выдаётся сообщение об ошибке при срабатывании одной из двух защит выходного каскада. Одна из защит – это защита от короткого замыкания на выходе. Вторая защита контролирует появление постоянного тока на выходе.

Если подключить вывод FAULT к выводу SD (1), то будет активирован режим автоматического восстановления. В противном случае, при срабатывании любой из защит, микросхема будет в заблокированном состоянии даже после устранения причины нештатной ситуации. Отключить защиту можно будет только снятием и повторной подачей напряжения питания (выкл./вкл).

Более подробно о встроенных функциях защиты рассказано далее.

Встроенные функции защиты.

Микросхема XA9221 имеет набор встроенных защит.

Часть из них обеспечивает защиту цепей выходных каскадов усилителей и нагрузки:

• Защита от короткого замыкания на выходе (Short-Circuit protection);

• Обнаружение появления постоянного тока на выходе (Output DC detection).

При неисправностях обмотки звуковой катушки динамика или замыкании проводов, соединяющих выходы усилителя и динамиков, возникает ток короткого замыкания (КЗ), который способен повредить выходные каскады усилителей микросхемы.

Чтобы защитить выходные каскады от повреждения током короткого замыкания (КЗ), микросхема XA9221 снабжена схемой защиты от КЗ.

При обнаружении короткого замыкания на выходах микросхемы любого из каналов усиления (правого или левого) или же их контакта с цепями VSS или PVCC, срабатывает схема защиты.

При этом выходы усилителей переходят в Hi-Z состояние (высокоимпедансное), что по-сути равно размыканию цепи. При этом блок обработки и сигнализации об ошибках (FAULT Logic) формирует на выводе FAULT низкий уровень напряжения, что свидетельствует о срабатывании схемы защиты.

Выходные каскады усилителя будут блокированы пока не будет сброшено питание (выкл./вкл.) или подан сигнал сброса по выводу SD.

Защита от КЗ на выходе имеет функцию автоматического восстановления. Она активируется при соединении выводов FAULT и SD. В случае срабатывания защиты выходные каскады усилителя блокируются на 420 миллисекунд. Если по прошествии этого времени перегрузка на выходе устранена, то усилитель включится и продолжит работать в штатном режиме. При повторном обнаружении КЗ на выходе усилитель снова заблокируется.

Появление постоянного тока на выходе микросхемы чревато выходом из строя звуковой катушки динамика из-за её перегрева.

Постоянный ток на выходе может возникнуть из-за неисправности входного конденсатора или замыкания входов на печатной плате.

Чтобы предотвратить порчу громкоговорителя или динамика в микросхему встроена защита от появления постоянного тока на выходе (Output DC detection).

Блок DC detect обнаруживает наличие постоянного тока после предварительного каскада усиления. При этом на вывод FAULT выдаётся сигнал ошибки, а выходной каскад обоих каналов усиления переходит в Hi-Z состояние.

Чтобы сбросить ошибку необходимо снять и вновь подать питание на микросхему (выкл./вкл.).

Функции защиты цепей питания.

У микросхемы XA9221 имеются следующие защиты цепей питания:

• Обнаружение пониженного напряжения питания (Under-Voltage detection);

• Защита от перенапряжения (Over-Voltage protection).

Функция обнаружения пониженного напряжения работает следующим образом. В случае, если напряжение на выводе GVDD становится ниже 2,8V или напряжение на выводе PVDD падает ниже уровня 4V, то выходной каскад правого и левого канала отключаются и будут в таком состоянии до тех пор, пока напряжение не придёт в норму.

Функция защиты от перенапряжения работает похожим образом. Если напряжение питания PVCC превысит порог в 29,5V, то выходные каскады микросхемы будут отключены. Сброс защиты происходит, если напряжение PVCC понизится до уровня менее 29V.

Температурная защита.

Защита от перегрева (Over temperature protection) срабатывает, когда температурный сенсор (T_SENSOR) встроенный в микросхему нагревается до 150°С (допуск 10%). При этом работа выходного каскада блокируется. Интервал сброса защиты составляет 25°С. При охлаждении микросхемы до 125°С она вновь заработает. При срабатывании температурной защиты сигнал на вывод FAULT не выдаётся, то есть микросхема не сообщает о нештатной ситуации по цепи обнаружения ошибок.

Кроме указаных защитных функций микросхема XA9221 имеет защиту от "хлопка" в колонках при включении (так называемый "Pop noise") (Pop noise and click noise reduction).

Схемы включения микросхемы XA9221.

Микросхема имеет две возможных конфигурации включения. Стереофоническую и монофоническую. В режиме моно выходная мощность двух каналов складывается и микросхема работает на один мощный громкоговоритель.

Стереофоническое включение.

Типовая схема включения микросхемы в двухканальном (стерео) режиме.

Примечания к схеме:

• Заметка 2 (Note 2). Номинальное сопротивление данных резисторов должно быть в диапазоне от 1 до 200 кОм. Один из выводов резистора необходимо подключить к общему проводу (AGND).

• Заметка 3 (Note 3). При минимальном напряжении питания схемы (5 или менее вольт, PVCC), номинальная ёмкость указанных конденсаторов должна быть 0,47 мкФ вместо 0,22 мкФ.

• Минимальное сопротивление нагрузки R_L (сопротивление звуковой катушки динамика) – 4,8 Ом (при питании PVCC больше 13V) и 3,2 Ом (при питании PVCC меньше или равном 13V).

Монофоническое включение.

КПД микросхемы в данном включении несколько снижается. Минимальное сопротивление нагрузки (сопротивление катушки динамика) при использовании такой схемы составляет 3,2 Ом. Также не стоит забывать о номиналах элементов выходного LC-фильтра. Для разного сопротивления нагрузки (сопротивления катушки динамика) они разные.

Типовая схема включения микросхемы в одноканальном (моно) режиме.

Примечания к схеме:

• Заметка 2 (Note 2). Номинальное сопротивление данного резистора должно быть в диапазоне от 1 до 200 кОм (на схеме указано 10 кОм). Один из выводов резистора необходимо подключить к общему проводу (AGND).

• Аудиосигнал подаётся на вход правого канала (R-ch Input). Вход левого канала (выводы 3, 4) заземляются – подключаются к общему проводу схемы (AGND).

• Минимальное сопротивление нагрузки R_L (сопротивление катушки динамика) – 3,2 Ом.

На приведённых схемах выводы GAIN0 и GAIN1 (5, 6) соединены с общим проводом, что задаёт минимальный коэффициент усиления микросхемы в 20 дБ (мин. – 18 дБ, макс. – 22 дБ). То есть на GAIN0, GAIN1 подано 0V.

Напряжение, подаваемое на контакты GAIN0, GAIN1 должно быть в интервале от -0,3 до 30V, иначе микросхема может выйти из строя. Рекомендуемые уровни напряжения составляют 0,8V (для низкого уровня, «0») и 2V (для высокого уровня, «1»). Таким образом, высокому уровню напряжения соответствует напряжение от 2V до 29V (макс.).

Подавление ВЧ-помех на выходе усилителя.

Так как усилители класса D имеют встроенный модулятор, работающий на высокой частоте, то он порождает высокочастотные электромагнитные помехи. Если проводники (на печатной плате) или провода, соединяющие выходы усилителя с динамиком имеют существенную длину, то они начинают излучать электромагнитные помехи в окружающее пространство и мешают работе других электроприборов.

Чтобы устранить электромагнитные помехи (ЭМП) на выходе усилителя необходимо установить LC-фильтр.

На следующем рисунке показаны типовые LC-фильтры для нагрузки 8 и 4 Ом с частотой среза 27 кГц.

Вот так подобный фильтр выглядит на печатной плате портативной Bluetooth-колонки SVEN PS-650.

В случае, если соединительные проводники или провода от выхода микросхемы до динамика имеют небольшую длину, то можно применить более простой фильтр на ферритовых "бусинах" (Ferrite bead, сокращённо, – FB).

В таком случае рекомендуется использовать ферритовые фильтры (дроссели подавления ЭМП) с очень низким импедансом на низких частотах и высоким на частотах выше 1 МГц, чтобы соответствовать требованиям электромагнитной совместимости.

Выбор блокировочных конденсаторов в цепи питания.

По цепи питания микросхемы (PVCC) необходимо установить несколько блокировочных (развязывающих) конденсаторов разной ёмкости.

Блокировочные конденсаторы (Decoupling Capacitors) рекомендуется размещать как можно ближе к выводам PVCC (PVCCR и PVCCL, «+» питания выходных каскадов) и PGND (общий провод схемы), чтобы исключить потери мощности и образование паразитных сопротивлений и индуктивности.

Для подавления высокочастотных помех, как правило, используется керамический конденсатор с низким ESR и ёмкостью 1000 пикофарад (pF).

Для фильтрации среднечастотных шумов применяется конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ (μF) или 1 мкФ, размещаемый как можно ближе к выводам PVCC.

Для фильтрации низкочастотных шумов подойдёт электролитический или танталовый конденсатор с ёмкостью 100 мкФ (μF) или более.

Рабочее напряжение блокировочных конденсаторов должно быть на 20% больше, чем напряжение питания схемы. При PVCC равном 24V, рекомендуется использовать конденсаторы с рабочим напряжением 30...35V.

• Даташит на микросхему XA9221 можно скачать по ссылке (.pdf).

Главная » Мастерская » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Ремонт Bluetooth-колонки JBL Charge 3 (копии).

• Гудит сабвуфер. Ремонтируем акустику SVEN SPS-820.

• Ушёл в защиту. Ремонт усилителя «DL Audio Gryphon Lite 1.1500».