印度利西亚小伙 制作D类 UcD 功放 的经验分享

diympgr

Part 1 IRS-900D Class-D Amplifier Tutorial Oleh: kartino@yahoo.com Konsep Class-D Amplifier Dalam satu dekade terakhir, dalam dunia audio power amplifier telah tersedia produk komersial untuk audio amplifier jenis baru yaitu Amplifier Class-D. Berbeda dengan Class-A, B, AB, dimana sinyal masuk langsung dikuatkan dalam bentuk sinyal suara asli, dalam Amplifier Class-D, dilakukan pencacahan sinyal suara yang masuk namun masih tetap dalam metode analog, lalu sinyal dikuatkan. Pada tingkat akhir amplifier, sinyal tercacah tersebut dikembalikan menjadi sinyal suara dengan menggunakan induktor-kapasitor (L-C) filter. Konsep Class-D yang akan dibahas disini menyesuaikan dengan skema yang akan kita ambil sebagai contoh design berikutnya, adalah desain Class-D dengan blok diagram adalah sebagai berikut: Gambar.1 – Blok Diagram Class-D terdapat rangkaian R-C yang akan membuat rangkaian berosilasi sendiri, menjadi generator sinyal gergaji. Secara singkat, self-oscillating Class-D bekerja dengan internal loop feedback, dimana feedback loop Sinyal gergaji ini akan dibandingkan dengan sinyal masukan audio oleh Comparator IC TL071. Sinyal keluaran dari Comparator IC berupa sinyal audio yang sudah dicacah oleh sinyal gergaji, sehingga menjadi sinyal slope dengan komposisi waktu ON-OFF menyesuakan dengan level sinusoidal dari sinyal masukan. Tegangan sinyal slope ini referensinya ke ground (GND) dan karakteristiknya masih belum memenuhi kriteria masukan menuju gate driver IC. Sementara gate driver IC menggunakan referensi tegangan ke –VCC. Jadi untuk itu diperlukan level shifter berupa PNP transistor 2N5401 dan Invert logic IC CD4049. Sementara gate driver juga membutuhkan dua sinyal input yaitu high-gate dan low-gate. Comparator IC yang memiliki satu keluaran, oleh Invert logic IC digandakan menjadi dua keluaran, dimana satunya adalah inverting hingga dihasilkanlah low-gate and high-gate output yang sesuai untuk masukan gate driver IC. Gate driver IC siap menggerakkan kedua sisi high dan low mosfet power secara bergantian. Output dari power mosfet yang secara ON-OFF identik dengan output Comparator. Dan sudah dijelaskan sebelumnya output comparator sendiri menyesuaikan dengan input sinusoidal audio. Jadi dari comparator menuju mosfet ini di atas kertas tidak akan terjadi distorsi. Tidak ada efek-efek khusus yang perlu diperhatikan yang bisa menyebabkan cacatnya suara yang diakibatkan oleh amplifikasi sinyal. Sementara Comparator, Level shifter, Logic IC, dan gate driver IC bekerja pada tegangan 12 Volt, tegangan mosfet bisa sangat variatif dan sangat lebar, bebas di tegangan SOA mosfet. Pada akhirnya, batas tegangan final ini menjadi batas clipping sebuah ampli Class-D. Output final mosfet ini agar kembali menjadi sinyal suara maka dilakukan dengan Low Pass Filter (LPF). Dengan komposisi besar induktor dan kapasitor yang tepat maka sinyal slope tercacah tadi bisa di konversi kembali menjadi sinusoidal. Memang tidak sempurna layaknya sinusoidal pada Class-A maupun Class-AB. Akan tetapi harus diingat bahwa speaker adalah peralatan mekanika dinamis. Efek-efek fisika mekanika dari speaker seperti pegas dan kelembaman massa daun speaker sendiri justru membantu penyempurnaan output suara sehingga cacat yaitu ripple sisa filterisasi frekuensi pencacahan menjadi tidak berarti.

diympgr

Implementasi Skema Ada banyak rancangan skema Class-D Amplifier yang bisa ditemukan dari internet. Kali ini yang akan dibahas dalam tulisan ini adalah Self Oscillating Cass-D Amplifier IRS-900D. Skema ini beredar di internet, dan cukup bagus, bisa diimplementasikan dan memiliki kemampuan output sampai 900 Watt pada 4 ohm, sebuah kemampuan yang cukup besar. Dipilihnya skema ini dikarenakan menyesuaikan dengan ketersediaan komponen dan teknologi PCB yang tersedia di Indonesia. Untuk membuat Class-D yang bagus dan bermutu tinggi sangat dibutuhkan mutu komponen yang bagus dan lay-out PCB yang sesuai untuk high-frequency switching. Namun, untuk dengan keterbatasan ini walaupun tidak bisa dihasilkan mutu yang sesuai dengan kriteria industri tapi masih sangat memuaskan bila dibandingkan dengan kelas-kelas rakitan Class-AB yang banyak dijual di pasaran. Berikut adalah skema yang mengaplikasikan design dan konsep yang sudah diterangkan di atas. Resolusi gambar yang lebih besar dilampirkan di halaman belakang bersama PCB layout. Skema ini sudah dimodifikasi oleh penulis agar lebih handal dan aman. Nlai-nilai warna merah dibawah adalah penggantian dari nilai skema asli dan mungkin tidak terdapat jalur pada PCB. Sehingga harus disolder dibawah PCB. Gambar.2 – Skema Audio Amplifier Class-D IRS-900DCara bekerja skema di atas seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Rangkaian di atas memakai catu daya +/- 100V DC. Disamping itu juga 12 Volt catu daya terpisah diperlukan untuk menggerakkan gate driver IC IR2110. Pertimbangannya dibuat terpisah adalah karena akan lebih menyederhanakan skema. Dengan rangkaian di atas, cocok untuk peruntukan dari subwoofer sampai mid-hi. Peruntukan tersebut tidaklah mengecewakan, mengingat di pasaran kit rakitan tingkat 900 Watt memang umumnya diperuntukkan untuk aplikasi Subwoofer sampai Mid-Hi. Modifikasi dapat dilakukan untuk meningkatkan performa. Misalnya dengan menaikkan kemampuan frekuensi osilasi. Dalam Class-d self oscillation, kecepatan frekuensi osilasi ditentukan oleh efek kecepatan on-off dari closed loop feedback yang melibatkan keseluruhan komponen di dalam feedback loop. Peningkatan bisa dilakukan dengan mengganti OP Amp comparator dengan kemampuan lebih tinggi, misal dari Burr-Brown. Dan yang utama adalah mosfet power, dimana bisa dipilih produk dengan gate capacitance yang rendah dari IXYS atau IRFP4227, atau IRFB4227, atau merek lain dengan generasi yang lebih maju. Yang harus diperhatikan adalah gate capacitance yang terkecil dan kecepatan switching tertinggi, serta tentu saja SOA yang besar.

diympgr

LPF Filter LPF filter yang harus diperhatikan adalah inti harus cocok untuk frekuensi tinggi. Untuk sebuah Class-D amplifier induktor tanpa air gap harus berjenis iron-dust atau iron powder. Iron powder mempunyai nilai saturasi magnetik pada arus tinggi dengan losses rendah. Secara global kriteria LPF harus memenuhi kriteria: 1. Nilai induktansi seperti skema, dalam hal ini 22-30uH 2. Core magnetic tidak mengalami saturasi pada beban tertinggi 3. Core losses harus rendah agar tidak terjadi panas berlebihan pada saat beban tinggi
Beberapa contoh berikut adalah iron powder core yang bisa dipakai untuk merakit class D.

007083A7, Kool Mu








T157-2 Amidon



T157-2 Micrometal



MS157060 Arnold




MS130060 Arnold

diympgr

Detil lebih lanjut lihat Part 3 – LPF Design


Alternatifnya adalah ferrite core yang bisa didapat dari inti PSU atau filter. Filter output PSU juga bisa

digunakan. Jenis ferrite core harus dibuat air gap untuk menaikkan kemampuan megnetik, yaitu dengan jalan

memutus lingkaran toroid dengan gergaji besi atau memotong inti untuk EI Core. Karena tidak ada data

pabrikan maka untuk menentukan jumlah lilitan yang optimal hanya bisa dilakukan dengan coba-coba.

Jumlah lilitan dengan inti ferrite air gap harus dicoba dari yang tertinggi ke terendah antara 14-22 kali dengan

kawal diameter 1-1.5mm.

Fungsi air gap adalah meningkatkan kapasitas magnetik dari inti untuk menaikkan nilai saturasi. Bila tidak

cukup besar nilai saturasi dari inti besi maka koil induktor beserta inti akan menjadi sangat panas pada beban

tinggi. Namun dengan adanya air gap ini juga membuka peluang kebocoran elektromangetik (EMI) yang

mungkin keluar ke jaringan. Gambar dibawah adalah contoh material yang bisa digunakan:









Gambar.3 – Alternatif Inductor

Untuk kapasitor karena bekerja pada frekuensi tinggi maka dipilih jenis non polar dengan kemampuan

charge-discharge yang tinggi dan juga tegangan kerja yang cukup tinggi. Kapasitasnya berkisar 470n – 1uF

600V non polar.




Gambar.4 - Output Capacitor dan Inductor

Jenis kapasitor yang direkomendasikan adalah polyester atau polypropylene seperti LLC grade capacitor atau

MKP.



WIMA MKP Capacitor

diympgr

Polyester based capacitor untuk LLC resonant (biru)



MEX-X2 MKP capacitor

diympgr

Skematik
PCB Layout
Komponen Layout

diympgr

Part 2 Class D Frequently Asked Class D amplifier gagal bekerja? Kebanyakan kegagalan dalam merakit sebuah amplifier class D dikarenakan pemilihan part dibawah standard kualitas. Umumnya, disebabkan oleh penggantian komponen yang tidak sesuai dengan skema aslinya. Komponen amplifier harus sesuai dengan frekuensi kerja tegangan yang cukup tinggi. Tidak sembarang part bisa digunakan sebagai pengganti. Komponen kunci adalah part aktif dan design LPF Filter. Kegagalan bisa juga karena perancangan layout yang tidak sesuai dengan kaidah perancangan untuk switching pada frekuensi tinggi. Layout yang baik harus setipis mungkin untuk sinyal lemah, jarak cukup untuk beda tegangan dan arah arus, sinyal arus lemah dan arus kuat harus dijauhkan agar arus besar tidak menginduksi sinyal lemah. Jalur sinyal lemah berfrekuensi tinggi harus sependek dan serendah mungkin dari PCB ground plane. Ground plane tidak boleh membentuk close loop. LPF Design? Design LPF, menentukan jenis induktor, jenis core, jumlah lilitan dan besar kapasitor lihat Part 3. Class D bersuara serak dan kasar, treble terlalu tajam? Suara serak dan kasar biasanya dikarenakan adanya cut off LPF yang terlalu tinggi sehingga menyebabkan sisa frekuensi PWM terbawa ke speaker. Umumnya disertai keluhan induktor yang panas. Solusinya ditambah jumlah lilitan. Kalau dicek dengan osiloskop, residu PWM diusahakan kurang dari 3Vpp dalam keadaan speaker terpasang (Gambar-1). Tetapi penambahan lilitan juga menurunkan kesepatan PWM.



Gambar-1 Vout menunjukkan residu PWM, diukur di output terminal dalam keadaan speaker terpasang Jumlah lilitan secara singkat agar induktansi dihasilkan sekitar 22uH s.d. 30uH atau lebih tergantung kecepatan switching PWM. Makin cepat makin kecil induktansi dan sebaliknya. Tentu cut off akan makin tinggi tapi itu bagus. Tujuan sebenarnya adalah membuat sinyal output rendah ripple frekuensi PWM. Makin cepat makin rapat PWM makin mudahmembuatnya halus bebas ripple. Suara kasar bisa juga disebabkan oleh kapasitor LPF yang terlalu kecil, kering atau mati. Mosfet panas? Mosfet panas bisa disebabkan oleh kurangnya dead time sehingga terjadi cross-conduction yang cukup menyebabkan arus langsung mengalir melewati mosfet high side dan low side. Solusinya dengan menaikan tahanan pada gate, yang berkisar 22 sampai 33 ohm. Untuk mosfet ringan semacam IRFP4227 R gate bisa dipilih sampai 47 ohm. Makin besar Qg mosfet makin kecil R gate dan sebaliknya. Mosfet panas bisa juga disebabkan oleh terlalu banyaknya lilitan sehingga mosfet menjadi lebih susah ON dan OFF karena adanya induksi lawanan dari induktor akibat storage energy tersimpan terlalu besar.

diympgr

Brek-brekkk saat clip? Brekk brekkk saat clip adalah normal, dan menjadi ciri khas class D. Brekk brekk terjadi saat clip, PWM berhenti sesaat, dan menyebabkan speaker seperti terkena arus DC. Brek-brekkk sebelum clip? Brekk brekkk sebelum clip dikarenakan supply bias terlalu lemah, bisa karena tegangan bias kurang, dioda bootstrap kurang memenuhi syarat, kurng cepat atau kurang besar. Dioda bootstrap harus minimal 3A dengan reverse recovery time (Trr) lebih kurang 30ns. Suara treble kurang jernih seperti terpotong? Suara treble tereduksi dikarenakan cut off LPF yang terlalu rendah. Kedua disebabkan kecepatan PWM yang kurang. Untuk menaikkan kecepatan switch PWM, rangkaian harus lincah dan ringan. Untuk itu harus didukung komponen yang memiliki miller effect yang rendah, misal pemakaian mosfet dengan Qg kurang dari 70nC, dan cukup satu set mosfet misal IRFP4227 tanpa totem. Untuk menghasilkan suara treble yang bagus diperlukan kecepatan switch minimal 300kHz. Agar lebih cepat bisa dipadukan dengan core iron powder seperti T157-2 merah dari Micrometal. Suara pada saat awal dinyalakan bagus, beberapa saat kemudian buruk? Masalah ini disebabkan oleh pemakaian core yang saturasi karena terlalu kekecilan atau core losses terlalu tinggi sehingga core panas dan kehilangan induktansi. Saat core panas nilai AL turun dan menyebabkan induktansi (uH) juga turun. Solusinya pilih core core yang cukup besar dan tidak mudah saturasi seperti warna biru dari produk Arnold atau warna merah dari Micrometal. Lakukan pengetesan di lapangan. Bila saat full load core panas hingga tidak kuat dipegang berarti kurang besar dan saturasi. Pemakaian kipas bias sangat membantu memperbaiki kinerja core yang terlalu panas. Saturasi adalah dimana kondisi nilai pemagnetan cari core sudah tidak mau naik lagi karena jenuh akibat arus yang mengalitr cukup tinggi. Ampli susah start? Ampli susah biasanya mudah bila dipancing dengan input sinyal masuk. Atau dengan mengisi bootstrap dengan menambahkan R 15K dari plus ke bootstrap high dan Zener 12V dari boostrap ke jalur prefilter.



Terdengar noise saat volume ditutup (nol)? Ampli nyicit atau timbul noise saat volume ditutup hingga nol disebabkan terganggunya frekuensi PWM dikarenakan posisi potensio menyebabkan loop feedback terganggu. Untuk mengatasinya R input dibesarkan sehingga ada nilai minimum saat volume ditutup naik dan frekuensi tinggi triangle pada input tidak terby-pass ke ground lewat potensio.




Ampli keluar asap pada bagian belakang resitor dari output ke ground? Ini umumnya terjadi akibat resonansi yang timbul saat output tidak dikoneksi ke speaker saat ampli dinyalakan. Karena tidak ada speaker, terjadi kesetimbangan (resonansi) L dan C dari LPF sehingga terjadi efisiensi sangat tinggi, sehingga energi yang masuk ke LPF seperti tertampung makin naik menyebabkan output bertegangan sangat tinggi sehingga membakar tahanan tadi. Cara mengatasinya adalah dengan memasang anti resonan resistor dengan watt cukup besar, 1K5 5W dan memasang dioda ultrafast, seperti pada gambar dibawah. Saat terjadi resonansi bila tegangan output melebih tegangan supply karena arusnya cukup kecil, oleh dioda ultrafast tersebut muatan LPF akan ditumpahkan ke elco supply sehingga tegangan maksimal dibatasi sama dengan tegangan supply. Jadi aman.




Mosfet sering mati saat ON, tanpa penyebab? Mosfet bati mendadak saat ON, tiba-tiba saja, dan sering terjadi dikarenakan gate driver floating dan terinduksi sehingga mosfet ON dengan sendirinya dan kontinyu. Sebab kedua, tegangan Vgs melebihi ketentuan. Saat mosfet mati mendadak, umumnya GDS junction lumer sehingga ketiganya akan short. Bila ini terjadi maka bisa jadi totem pole, dan mungkin gate driver IR2110 atau IR2092 ikut terbakar. Jadi harus diganti juga. Untuk mengatasi gate driver floating, maka perlu ditambahkan tahanan 4K7 dan juga Zener 12V dari Gate ke source mosfet.





Kecepatan switching PWM rendah? Kecepatan switching PWM ditentukan oleh besarnya miller cap dari keseluruhan feedback loop dari awal sampai akhir seperti ditunjukan dibawah ini.



Sehingga setiap komponen mempengaruhi kecepatan. Kecepatan PWM secara signiifikan dipengaruhi oleh pemilihan mosfet. Pemilihan mosfet dengan Qg rendah seperti IRFP4227 secara signifikan menaikkan kecepatan PWM. Juga layout yang seringkas mungkin akan mendukung kecepatan PWM yang tinggi. Jumlah lilitan induktor (atau tinggi rendah induktansi – uH) juga mempengaruhi kecepatan. Makin tinggi induktansi, makin rendah kecepatan PWM. Tetapi makin rendah pula ripple sisa PWM dari output, jadi seperti timbangan. Untuk menaikkan kecepatan PWM bisa dengan memilih mosfet dengan Qg rendah dan melakukan penyetelan ulang jumlah lilitan. Sehingga didapat kecepatan yang ideal dari sebuah ampli class D. Mosfet apa yang tepat untuk Class D? Mosfet yang tepat untuk class D disesuaikan dengan peruntukan amplifier. Peruntukan amplifier menentukan tingkat kecepatan switching PWM. Kecepatan switching PWM menentukan jenis mosfet yang dipakai. Makin tinggi kecepatan PWM makin rentan terhadap gangguan. Untuk amplifier yang diaplikasikan untuk Low dan sub sampai mid, tidak butuh kecepatan tinggi. Ampli ini dapat diset pada kecepatan 200-250kHz. Mosfet dapat menggunakan IRFP260 atau IRFP250. Karena Qg mosfet besar maka harus digunakan totem pole. Untuk amlifier full range sebaiknya kecepatan PWM tidak kurang dari sekitar 300kHz. Agar handal pada kecepatan tersebut harus dipilih mosfet yang ringan dengan Qg rendah seperti IRFB4227 hanya dengan 1 set tanpa totem pole.

diympgr

Menaikkan dan menurunkan kecepatan switching PWM Di dalam class D kecepatan switching yang tinggi dan rendah kadang diperlukan untuk diset agar: 1. Mengoptimalkan suara Low/Sub dengan menurunkan kecepatan switching. Umumnya dengan 200kHz sudah bisa mengoptimalkan output Low/Sub. Terutama bila amplifier hanya khusus untuk mendorong speaker Low atau sub. Speed yang rendah menaikkan efisiensi switching karena menurunkan rasio dead time vs mosfet ON. Konsekuensinya respon high menjadi tumpul. 2. Untuk menghaluskan suara high diperlukan kecepatan switching yang tinggi agar tingkat pencacahan sinyal sonic oleh PWM semakin halus. Demikian juga semakin halus semakin baik karena semakin rata dan makin mendekati output Class AB. Konsekuensinya suara low kurang bertenaga karena hilang rasio dead time vs mosfet ON. Untuk menaikkan dan menurunkan kecepatan switching bisa dengan mengganti nilai seperti pada posisi R30: 1. Nilai R30 dinaikkan = kecepatan switching naik 2. Nilai R30 diturunkan = kecepatan switching turun Namun begitu, untuk menaikkan kecepatan harus diikuti dengan memakai kualitas kompnen yang lebih baik seperti Mosfet IRFP4227.



Besar keluaran amplifier Class D adalah seperti rumus biasa hanya berbeda pada efisiensi yang bisa sampai Berapa watt keluaran Amplifier Class D? 90%. P = (V2 / R) x 0.9 x 0.707untuk half bridge P = (V2 / R) x 0.9 x 1.414untuk full bridge dan BTLTetapi karena arus output harus melewati induktor dan mosfet maka kedua komponen itu menjadi pembatas dari besar output menurut perhitungan di atas di atas. Mengapa ampli class D terdengar powerful? Banyak pendapat di lapangan bahwa Class D terasa powerful meski secara hitungan tidak berbeda dengan ampli kelas lain. Secara spesifikasi memang benar watt sama. Tetapi perasaan lebih powerful umumnya mengacu pada kondisi dinamis (awam njedug - lincah). Untuk menghasilkan suara yang dinamis dan powerful average atau peak tanpa memperhitungkan kondisi dinamis. diperlukan damping factor yang sangat tinggi. Sedangkan pengukuran watt secara umum biasanya adalah Damping factor sangat tinggi terjadi saat keseluruhan resistansi loop internal arus besar amplifier meliputi amplifier baik PSU maupun amplifier. Dalam amplifier damping factor sangat dipengaruhi oleh final amplifikasi daya. Pada kelas AB atau H, atau linear amplifier, fungsi final stage seperti kran dengan tahanan variable dinamis mengikuti irama musik. Jadi final stage bekerja keras seperti bendungan air yang menjaga bukaan pintu air sesuai irama musik secara linear, dengan mengatur Vce. Sedangkan sifat BJT tetap tunduk pada sifat fisika umum, dimana tentu ada kelambanan, yang umumnya kecepatan kerja dinyatakan dalam nilai slew rate. Untuk ampli besar sangat susah membuat ampli slew rate tinggi. Apakah slew rate tinggi tidak perlu pada output low? Sangat perlu, karena saat arus besar otomatis secara natural slew rate akan melambat. Praktikalnya sangat susah membuat ampli besar dengan slew rate tinggi. Pada class D amplifier, besar daya diatur dengan waktu buka tutup dan storage energy pada coil induktor. Ini seperti bendungan dengan pintu buka tutup yang waktu buka tutupnya menyesuaikan sinyal input. Di depan bendungan ini ada dam kecil, berupa induktor dengan pintu yang selalu membuka pas dengan permintaan debit, yaitu load speaker. Sehingga berapapun permintaan debit tidak masalah karena mosfet melakukan buka tutup dengan sangat cepat. Tidak ada hambatan atau kecil yaitu Rds ON mosfet dan DC resistance dari induktor. Sangat kecil secara total. Sehingga damping factor sangat tinggi dan berkesan sangat dinamis. Damping factor sangat tinggi bila menggunakan SMPS dan class D. Sehingga perpaduan ini sangat tinggi damping factor. Dan sangat terasa bertenaga. Banyak yang mengira suara “njedug” secara awam dikarenakan adanya distorsi sehingga puncak yang terpotong memberi kesan “njedug”. Tidak demikian, karena justru class D sangat mudah mereproduksi suara low.

diympgr

diympgr

Class D Tutorial Part 2: UcD Amplifier untuk Pro Audio Ver. 1 by kartino@yahoo.com, September 2017 1. Sejarah awal UcD Amplifier Amplifier Class D UcD topologi dipopulerkan oleh Bruno Putzeys pada tahun 2003 sewaktu masih bekerja sebagai engineer di Philips berupa sebuah demonstration board all discrete UcD Amplifier 200W pada 4 ohm. Pada saat itu Class D hanya dikenal sebagai amplifier dengan spesialisasi sebagai subwoofer saja karena dikenal kurang bagus untuk reproduksi frekuensi full range dan hanya bagus di frekuensi rendah dan hanya memiliki keuntungan di efisiensi yang tinggi. Prototype ini membuktikan bahwa Class D amplifier bisa menghasilkan output dengan kejernihan tinggi. Bersama Jan-Peter van Amerongen di Hypex, Bruno Putzeys mengembangkan UcD amplifier menjadi pelopor dan referensi untuk UcD Class D Amplifier. Produknya masuk kalangan Hi Fi dan Audiophile dan dijual sebagai OEM kit maupun retail dan sudah digunakan di berbagai produk produk hi end dunia. Produk paling mutakhir adalah Hypex Ncore yang banyak mendapatkan review sebagai the most linear amplifier. Gambar 1. Skema Philips UcD UM10155, 200W 4 ohm





Gambar 2. Evaluation Board Philips UcD UM10155, 200W 4 ohm





2. Topologi UcD versus Non UcD Tulisan ini tidak akan membahas dasar cara kerja dari amplifier Class D karena sudah pernah dibahas di Class D Tutorial Part 1. Pembahasan kali ini akan ditekankan khusus tentang cara kerja topologi UcD Amplifier ini sendiri. Sebagai awal, kita bahas perbedaan antara UcD dan Non UcD atau topologi yang diaplikasikan seperti pada D900 dan sejenisnya. Topologi Non UcD bisa dilihat seperti Gambar 3. Feedback diambil dari sebelum inductor. Dengan demikian Induktor dan LPF termasuk speaker secara keseluruhan berada di luar control loop feedback. Gambar 3. Topologi Non UcD Amplifier Kelebihan dari topologi ini adalah karena feedback loop diambil dari output switching sebelum inductor, dan bekerja pada tegangan switching yang tinggi maka topologi ini sangat stabil dan tahan terhadap gangguan dari luar. Kelemahannya adalah karena induktor, kapasitor LPF dan speaker tidak berada di dalam loop feedback, maka amplifier harus dioptimalkan pada beban yang dikehendaki. Demikian juga induktor, kapasitor LPF juga harus disesuaikan mengikuti daya amplifier sekaligus beban agar hasilnya optimal. Topologi UcD Class D amplifier secara sederhana adalah seperti pada Gambar 4. Bisa dilihat bahwa feedback diambil setelah inductor. Demikian juga untuk R dan C feedback





terpisah untuk sonic feedback (Rf) dan switching (Clead dan Rlead). Dengan demikian Induktor dan LPF termasuk speaker secara keseluruhan masuk dalam control loop feedback.




Gambar 4. Topologi UcD Amplifier Kelebihan dari topologi ini adalah karena feedback loop diambil dari output audio setelah LPF maka sensitifitas amplifier terhadap jenis beban sangat rendah jadi tidak tergantung jenis dan besar beban. Feedback juga lebih akurat sehingga secara keseluruhan kinerja feedback lebih baik. Kelemahan dari topologi ini adalah feedback loop bekerja pada tegangan ripple yang rendah untuk membangkitkan switching pada comparator, sehingga terkadang ada interferensi antar channel. Bila ini terjadi maka akan keluar suara seperti nyamuk. Kelemahan ini bisa diatasi dengan mensinkronkan kecepatan switching pada kedua channel, namun cukup sulit. Alternatifnya adalah justru membuat selisih kecepatan switching kedua channel minimal 20kHz hingga kedua frekuensi switching tidak saling meresonansi.

3. Skema Dasar UcD Amplifier untuk Pro Audio Karena permintaan amplifier untuk Pro Audio sangat tinggi maka direalisasikanlah topologi UcD ini dalam bentuk amplifier Pro Audio. Tantangan dari realisasi amplifier ini adalah mengembangkan design dari aslinya yang hanya 200W 4 ohm menjadi rated power lebih kurang 1000W 8 ohm / 2000W 4-ohm half bridge. Perkembangan selanjutnya dinaikkan lagi outputnya dengan design fullbridge, 1500W 8 ohm / 3000W 4 ohm untuk low/sub. Dengan output sebesar itu maka UcD Amplifier sudah bisa memenuhi kebutuhan live musik, baik fullrange, mid, high, low dan subwoofer. Yang akan kita bahas adalah tutorial UcD Xlite v.3, versi UcD Pro Audio yang paling sederhana, yaitu tidak dilengkapi dengan Overcurrent dan DC failure protection. Untuk memenuhi kekurangan ini maka dalam pemasangan UcD Xlite wajib ditambah eksternal DC Failure protection dan supply harus ditambahkan fuse. Seperti pada skema terlampir, dari skema dasar Philips UcD UM10155, disain dikembangkan agar amplifier bisa dipergunakan untuk kalangan Pro Audio. Diantaranya adalah selain agar dapat menghasilkan output yang cukup besar juga bagian input ditambahkan balanced input agar kompatibel dengan peralatan input output sinyal audio aksesories. Lalu daya mosfet diperbesar dan demikian juga gate driver. Dan ditambahkan snubber agar amplifier handal dan tahan terhadap kondisi lapangan yang penuh dinamika dan pembebanan tinggi yang kontinyu (heavy duty).

3.1 Input Stage Bagian awal UcD Xlite Amplifier adalah Input Stage yang berfungsi sebagai input buffer. Untuk bagian input dipilihlah dual Op Amp differential agar bebas dari ground reference. Model ini dikenal dengan Op Amp instrumentasi. Input dan output adalah fully differential. Karena tidak menggunakan ground sebagai signal path maka lebih akurat dan bebas dari hum.



Gambar 5. Input Stage UcD XLite ver.3

Seperti pada Gambar 5, input stage ini menggunakan dual Op Amp U1, U2. Type yang cocok adalah semua type dual Op Amp seperti TL072, TL082, JRC4558, LM4562 dan lain lain. Op Amp ini medapatkan supply dari supply utama melalui shunt resistor 10K 5W, dan diregulasi dengan Zener 12 Volt 1W. Supply Op Amp harus dijaga
kesimetrisannya agar outputnya imbang antara Out+ dan Out-. Input masuk menggunakan standard tegangan 0.77V sampai dengan 1.5 Volt. Gain dari input stage ini diatur melalui R24, R25, R30 yang untuk mempermudahkan perhitungan dibuat sama nilainya yaitu 4K7, berbanding R28, R29 yaitu 15K/4.7K = 3.2x. Karena Class D mempunyai gain yang rendah maka sebelum masuk ke amplfikasi class D stage, tegangan butuh cukup tinggi sehingga mudah dilakukan pencacahan melalui komparator.

diympgr

Impedansi input adalah 4K7 x 2 = 9.4K. Volume potensio dipasang di In+ ke In- tanpa ground tersambung. Oleh sebab itu bila ada satu input yang putus maka volume tidak berfungsi dengan baik. Nilai tahanan potensio adalah 10-20K. Gambar di bawah memperlihatkan input dan output dari UcD Xlite input stage. Dengan input 1Vpp output differential maka outputnya adalah 10 Volt. Nilai ini sebenarnya dipersiapkan untuk tegangan main supply amplifier sampai dengan 125 Vdc. Bila tegangan supply hanya 90Vdc bisa dipasang R28/R29 cukup 10K atau 15K agar dapat sensitifitas input yang dikehendaki.



Gambar 6. Tegangan input dan output dari Input Stage UcD XLite ver.3

3.2 Comparator Stage

Output dari Input stage ini lalu diumpankan ke Comparator Stage. Dari mulai komparator sampai power stage, semua menggunakan “all discrete” alias bipolar atau FET saja, tidak ada integrated circuit. Tujuan pemilihan all discrete ini adalah agar leluasa melakukan setting dan optimalisasi. Dikarenakan skema UcD class D ini bekerja pada arus satuan milliampere maka perubahan nilai nilai resistor yang dikenakan pada setiap transistor dapat sangat mempengaruhi kinerja amplifier secara keseluruhan. Oleh sebab itu baik nilai maupun jenis resistor dan juga kapasitor kompensatornya sangat penting. Resistor yang terbaik dalam aplikasi ini adalah metal film dan kapasitor kompensator adalah keramik single layer. Comparator Stage pada UcD Xlite Amplifier mirip sekali dengan Long Tailed Pair (LTP) pada Class AB input stage, tetapi output dari Comparator Stage ini bukan sinyal linear melainkan sudah sinyal switching. Desainnya menggunakan bipolar transistor yang difungsikan sebagai Operational Transconductance Amplifier (OTA), atau Omp Amp yang inputnya adalah tegangan namun outputnya adalah arus. Dari stage ini sampai mosget gate, amplifier bekerja pada mode arus. Keuntungan mode ini ada nilai arus minimum yang dibutuhkan sehingga walaupun ada interferensi dari luar selama tidak membangkitkan arus sebesar arus yang dibutuhkan untuk bekerja maka interferensi tidak mempengaruhi kinerja bagian ini. Sehingga sangat stabil. Seperti terlihat pada Gambar 7, Komparator menggunakan sepasang LTP transistor 2N5401 yaitu Q17 dan Q18. LTP ini mendapat supply dari constant current source (CCS) Q19, Q20, sebesar 2.2mA. Sinyal audio dari Input Stage masuk melalui R2 dan R6. Rangkaian feedback audio bekerja simetris masuk basis Q17 dan Q18 melalui R17 dan R32. Lalu feedback ripple untuk menghasilkan PWM melaui self-oscillation melalui R18, dan C4, serta R33 dan C21. Sehingga C4 dan C21 dapat digunakan untuk mengatur kecepatan switching dari amplifier. Kapasitas yang kecil berarti kecepatan lebih tinggi dan sebaliknya, namun jika terlalu tinggi dapat menyebabkan amplifier gagal berosilasi, jadi harus dicari nilai yang optimal. Q9 dan Q12, NPN 2N5551 berfungsi sebagai current mirror yang menjamin bahwa antar kaki-kaki LTP arusnya seimbang dan juga mengatur kecepatan OFF dari Q10 dan Q11. Sedangkan fungsi dari Q10 dan Q11 adalah untuk menghidupkan dan mematikan gate Mosfet dengan jalan menarik arus dari gate driver. Ketepatan ON dan OFF dari Q10 dan Q11 harus diatur dengan tepat agar kedua mosfet high-side dan low-side tidak ON secara bersamaan karena akan menyebabkan mosfet cross-conduction hingga menyebabkan mosfet terbakar, dan juga tidak terlalu lama jeda ON dan OFF antar mosfet atau istilahnya “dead time” agar tidak terjadi cacat clarity yang terlalu tinggi. Oleh sebab itu pengaturan jumlah tahanan seri antara R1 dan POT3 harus tepat.




Gambar 7. Comparator Stage Tahanan seri antara R1 dan POT3 juga mempengaruhi kecepatan switching dari amplifier, dimana semakin besar semakin cepat kecepatan switching tetapi juga menyebabkan dead time yang lebih tinggi. Jadi, tahanan seri R1 dan POT3 harus diatur agar: 1. Dead time cukup hingga tidak menyebabkan cross-conduction mosfet. 2. Clarity terjaga. 3. Kecepatan switching terpenuhi agar clarity saat reproduksi suara high terpenuhi. Jadi disini ada trade-off antara clarity, reliability, stability dan kecepatan switching yang optimal. Kecepatan switching yang tinggi walaupun bagus untuk suara high tetapi menyebabkan switching losses akibat berkurangnya duty cycle mosfet karena dead time hingga menjebabkan switching losses dan power output menjadi kehilangan tenaga yang ditandai output mudah clip sebelum waktunya. Pengaturan bagian ini bisa dipermudah dengan pemilihan mosfet yang baik yaitu mosfet cepat dan ringan.



Gambar 8. Sinyal pada Comparator Stage Dari Gambar 8, diperlihatkan V[in-] yaitu campuran feedback dari output amplifier berupa ripple dengan tegangan dari IN- sehingga hasilnya berupa gelombang sinus ber-ripple. Sedang V[in+] adalah output sinus yang lebih linear. Kedua sinyal ini lalu dikomparasi oleh LTP, Q17 dan Q18. Sehingga kaki-kaki LTP menghasilkan arus. Arus inilah dipakai untuk mengaktifkan Q10 dan Q11 yang berfungsi mengaktifkan gate driver mosfet, dengan menarik arus sebesar 4mA secara bergantian anta high side dan low side yang ditunjukkan pada grafik I[R_pull_h1] dan I[R_pull_l1]. Pemilihan tipe transistor Q10 dan Q11 sangat krusial karena transistor ini pada high side mengalami stress tegangan paling tinggi dari seluruh bagian amplifier yaitu tegangan penuh supply plus ke minus ditambah tegangan boostrap 12 Volt dan harus bekerja sangat cepat dan presisi sangat tinggi. Jadi transistor tersebut sangat mempengaruhi kinerja amplifier secara keseluruhan dan pilihannya sangat terbatas. Setelah melalui serangkaian percobaan dan test lapangan, dipilihlah transistor terbaik untuk aplikasi ini adalah: 2SC3503, 2SC3790 yang bisa diaplikasikan untuk tegangan supply sampai 125Vdc. Untuk tegangan supply 90Vdc atau lebih rendah bisa menggunakan 2SC3788 dengan harga lebih murah. Untuk mengatur DC offset dari output amplifier maka ditambahkan fitur DC Offset control terdiri dari regulated tegangan simetris dan trimpot untuk mengatur DC Offset agar mendekati nol. Fitur ini harus dipasang karena bila tidak terpasang maka dapat berakibat input reference voltage floating yang bisa menyebabkan DC offset pada amplifier output tidak terkontrol yang dapat menyebabkan pumping pada tegangan supply yang menyebabkan tegangan supply tidak simetris hingga menyebabkan elco overvoltage bahkan elco bisa meledak. 3.3 Power Stage Power stage terdiri dari Mosfet beserta gate driver. Gate driver diperlukan untuk menyalakan dan mematikan mosfet secepat mungkin dengan jalan mengisi dan mengosongkan muatan gate dari mosfet. Baik mosfet highside dan low-side masing-masing dikontrol oleh gate driver terpisah. Gambar 9, charging gate driver mosfet low side M3, M4, diatur dengan menyalakan Q4 dengan jalan menarik arus dari basis Q4. Sedang untuk discharge gate dengan self-discharge dengan Q3 seketika saat Q4 arus basisnya dihentikan dengan tenaga dari muatan gate itu sendiri. Agar mampu menyalakan dan mematikan mosfet yang cukup besar maka ditambahkan totem-pole Q7 dan Q8. Hal yang sama berlaku untuk high side mosfet M1, M2. D26 adalah LED indicator yang akan menyala bila bootstrap terisi. Artinya amplifier sudah berhasil start. Nilai tahanan R14, R12 harus diatur agar ON dan OFF dari Q2, Q4 akurat demikian juga mosfet. Nilai yang terlalu kecil menyebabkan mosfet terlambat bahkan tidak bisa ON. Nilai terlalu besar menyebabkan mosfet terlambat OFF.




Gambar 9. Power Stage Supply V3 merupakan 12 Volt supply yang reference nol tegangan di -Vss merupakan supply untuk gate driver. Untuk supply high side gate driver dibuat bootstrap melalui D12 dan R37, dimana akan mengisi C20 dari supply V3 saat PWM sudah terbangkitkan. Untuk mengisi C20 saat sebelum PWM start maka dipasang R31, sehingga amplifier bisa cepat start. D12 harus dipilih yang memiliki nilai transient reverse recovery (TRR) maksimal 30ns agar tidak panas. Karena tugas diode ini sangat berat maka harus dipilih diode dengan spesifikasi tinggi. C39, C40, wajib dipasang untuk mencegah mosfet osilasi saat switching karena arus yang besar. C10, R19 dan C28, R58 adalah switching snubber untuk mosfet agar stabil. R11 dan R46 sangat penting untuk mencegah mosfet ON dengan sendirinya saat sebelum starting karena floating voltage dari gate mosfet yang menyebabkan gate charging dari induksi hingga dapat menyebabkan mosfet ON kedua sisi dan akhirnya terbakar. Jadi R11 dan R46 akan mengosongkan gate mosfet saat mosfet tidak bekerja. Mosfet harus dipilih dari jenis yang ringan dan cepat. Ringan disini artinya kapasitif gate dipilih yang paling kecil agar tempo pengisian dan pengosongan muatan bisa berkecepatan tinggi. Lalu cepat disini adalah cepat ON dan OFF. Untuk memudahkan kita mabil referensi adalah mosfet IRFP250N yang merupakan pilihan paling minimum untuk kualitas. Sehingga mosfet lainnya dapat mudah dibandingkan parameternya dengan IRFP250N. Jika parameternya lebih bagus maka hasilnya juga tentu akan lebih bagus. Kriteria minimum yang perlu dilihat dari data sheet adalah: 1. Rated continuous current (ID) pada 70C atau 100C 2. Breakdown Voltage (BR)DSS 3. Resistansi saat Mosfet ON penuh (RDSon) 4. Total Gate charging (Qg) 5. Delay ON (Ton + TDon) 6. Delay OFF (Toff + TDoff) Rated Continuous Current (ID) mengikuti itungan umum watt output. Sedang breakdown voltage (BDV) minimal adalah tegangan plus ke minus. Gambar 10, memperlihatkan parameter IRFP250N.






Gambar 11. Output Power Stage Dari Gambar 11, diperlihatkan output dari Power Stage yaitu sinyal PWM atau gelombang switching yang termodulasi. Lebar dan sempitnya slope mengikuti penarikan arus gate Q2 dan Q4 yang diperlihatkan pada arus I[R_pull_h1] dan I[R_pull_l1]. Gelombang switching ini lalu dimasukkan ke dalam low pass filter atau LPF. 3.4 Low Pass Filter (LPF) Gambar 12, diperlihatkan bagian akhir dari UcD Xlite Amplifier yaitu Low Pass Filter atau LPF stage. Gelombang Switching termodulasi dari Power Stage dirubah menjadi gelombang suara. Di dalam induktor L1 terjadi store and release energi mengikuti besar energi yang masuk dan dikeluarkan kembali. Jadi tidak semata-mata filterisasi melainkan ada energy converter dari gelombang PWM menjadi gelombang suara. Perbedaannya dengan bandpass filter biasa adalah filter biasa mefilter gelombang dengan menahan atau mem-bypass gelombang tertentu agar hanya frekuensi tertentu yang diteruskan tanpa merubah bentuk gelombang. Karena induktor sebenarnya adalah energy converter maka harus dipilih dari jenis yang losses-nya rendah dan sesuai untuk energy converter pada frekuensi actual amplifier bekerja. Pemilihan induktor bisa dilihat dari Part 1, Class D Tutorial sebelumnya. Besar induktansi mengikuti kecepatan switching dari PWM. D36, C1, C22 berfungsi untuk meredam ripple output sisa dari PWM. Ripple harus didesain tidak boleh kebih dari 3Vpp karena bila lebih dapat menyebabkan kerusakan speaker dan tweeter, terutama tweeter Piezo. Untuk UcD amplifier, kapasitor LPF lebih besar dari Non UcD Amplifier agar didapat ripple yang dikehendaki karena ripple ini justru dipakai untuk feedback untuk membangkitkan self-oscillation PWM




Gambar 12. Low Pass Filter (LPF) Stage C23 dan R35 adalah Zobel Network standar yang biasa ditemukan di ampli lain yang berfungsi untuk meredam tegangan induktif dari speaker. D13, D14, D15, D17, berfungsi untuk anti paralel, membuang daya yang berlawanan dengan daya supply, juga untuk membuang tegangan tegangan osilasi dari induktor dalam keadaan speaker tidak ada beban. R36 adalah dummy load agar tegangan output tetap stabil meski tidak ada speaker. Namun demikian R36 tidak boleh dibebani tanpa speaker terlalu lama karena akan panas dan kemungkinan juga bisa putus. Jadi bila tidak ada speaker sebaiknya volume ditutup.




Gambar 13. Low Pass Filter (LPF) Stage gelombang
Gambar 13, memperlihatkan gelombang PWM masuk dan keluar dari LFP berupa sinyal sinus yang mengandung ripple. Harap diingat, ripple ini tidak akan terdengar oleh telinga karena jauh diatas frekuensi suara. Jadi sebetulnya menapis ripple ini tujuannya bukan untuk memperbaiki clarity tetapi agar tidak merusak speaker dan mengotori jaringan dengan gelombang elektromagnetik liar (EMI).  



4. Penambahan Fitur Proteksi dan Signalling Untuk meningkatkan kehandalan dan keamanan operasi amplifier, terutama karena akan dipakai untuk Pro Audio, maka perlu dipasang berbagai fitur keamanan antara lain overcurrent, DC failure dan Signalling. Type ini dikenal dengan UcD XLina. 4.1 Overcurrent Protection Fitur proteksi Overcurrent digunakan untuk menghidari kerusakan akibat hubung singkat dari kabel output amplifier. Saat terjadi hubung singkat pada output, maka amplifier akan mati secara otomatis.


Gambar 14. Fitur Overcurrent Protection Seperti terlihat pada

Gambar 14, untuk mematikan amplifier menjadi mode stand-by ialah dengan jalan memberi tegangan reverse bias pada Q20 dengan mengaktifkan Q34. Q34 akan aktif bila Q22 aktif dan menarik arus dari Q34. Q22 ini diaktifkan oleh IC 555, yang menerima trigger dan mengatur lamanya Overcurrent bekerja. Resistor sensor arus, R59, R60, akan merasakan arus yang mengalir ke mosfet M1, M2, dan R61, R62 merasakan atus M3, M4. Saat terjadi hubung singkat output arus mosfet cukup tinggi sehingga timbul tegangan diantara resistor dan mengaktifkan Q23 dan Q24 sehingga men-trigger IC 555 untuk aktif dan outputnya bertegangan. Tegangan output ICC 555 lalu mengaktifkan Q22. Anti-pop, dipasang untuk mencegah suara “dug” saat ampli dinyalakan dengan cara mengaktifkan IC 555 sesaat.



4.2 DC Failure Protection DC Failure Protection wajib dipasang untuk melindungi speaker agar saat output amplifier keluar tegangan DC baik saat kesalahan operasi maupun ada mosfet yang tembus, sambungan ke speaker bisa diputus secara otomatis.



Gambar 15. DC Failure Protection Seperti

Gambar 15, Relay U4 menyambungkan speaker. Relay ini akan aktif bila C59 terisi sehingga Q31, Q32 aktif demikian juga Q30. Q33 adalah trigger untuk mengosongkan C59 dan akhirnya mematikan relay. Tegangan DC dipantau oleh Q26 dan Q27. Saat kondisi normal tegangan AC di-by-pass oleh C55, C56. Saat terjadi output DC maka melalui diode bridge D27, D28, D29, D30, maka Q27 dan Q27 akan aktif dan mengalirkan tegangan untuk kemudian mengaktifkan Q33. Q33 akan mengosongkan C59 sehingga Q31 dan Q32, juga Q30 akan non aktif sehingga relay akan OFF dan memutus sambungan amplifier ke speaker. 4.3 Front Panel SignallingFitur front panel signaling dipergunakan untuk mengetahui status dari amplifier. Skemanya seperti pada Gambar 16, dimana signaling terdiri dari power ON, signal output dan Clip. Ketiga signal umumnya wajib ditambahkan di setiap amplifier. Bagian penting dari fitur ini adalah clip indicator. Clip indicator penting karena bila kita tidak tahu bahwa amplifier dalam keadaan clip bila berlangsung kontinyu maka dapat menyebabkan amplifier rusak. LED D31 akan aktif bila tegangan output adalah: Clip ON = VVDD – V(D34+D37+D38+D38)Atau tegangan output kurang lebih 15V dibawah tegangan supply. Indikator ini artinya LED boleh saja menyala atau clip tetap harus sangat jarang. Bila clip terus menerus terjadi maka mosfet akan mengalami kondisi linear yang cukup lama hingga mengakibatkan mosfet terbakar. Bila pun tidak terbakar maka akan timbul suara “brek brekkk”.



Gambar 16. Front Panel Signalling Indikator LED D32, adalah power ON yang menandakan +VSS bertegangan. D33 akan menyala bila output amplifier sudah keluar tegangan output dan men-trigger Q28 dan Q29.

diympgr

Skema UcD XLite Amplifier v.3





Skema UcD XLite Amplifier v.4 full version






PCB UcD Xlite v.3

gxvhxv

跟ucd无关

6sn7gtt

gxvhxv 发表于 2025-6-1 12:41
跟ucd无关

#11之后不都是UCD吗？

gxvhxv

6sn7gtt 发表于 2025-6-2 22:22
#11之后不都是UCD吗？

我知道的ucd模块是hypex ucd模块，我手里有那模块，不可能跟hypex的ucd模块是一类电路，完全不同

ltokok

后面是ucd结构。但运放只用作缓冲和转换作用，hypex模块是把运放包含在整个反馈环路里，作失真校正，因此失真更小吧