UHC MOSFETアンプの熱設計

大きな放熱器付きのアルミケースなので、

サスペンディッド電源の3端子レギュレーターと

理想ダイオード電源のMOSFETも

アルミケースの底面に放熱するように設計を変更しました。

hy88-43-33-amph

bootstrap3h

idealdiodepsuh

EagleのTO220Hパッケージは、

3本のリードがtPlaceレイヤーで作られているため、

StopMaskエラーが多発します。

パッケージエディタで、

3本のリードをtDocuレイヤーに変更すると

エラーが回避できます。

 

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UHC MOSFETアンプケースの加工図面

LibreCADで、アンプケースの加工図面を作成しました。

hy88-43-33-ampdxf

ケースは、タカチのHY88-43-33を選択。

 

DXFのハッチングがLibreCADだと、エラーになるので、

とりあえず削除して、必要なところだけハッチングし直しました。

また、再描画が重いので、アイソメ図も削除しました。

また、フォントをunicodeにしないと日本語が表示できないので、

図面のタイトル欄なども削除しました。

 

加工を楽にするために、

MOSFETの位置をヒートシンクの溝の位置に合わせて修正して、

RCAとスピーカー端子をノイトリックに、

ACインレットをヒューズ付きのものに、

それぞれ変更しました。

 

Elliott Sound Products

海外の自作オーディオのサイトで、

Elliott Sound Productsを紹介します。

Main Indexのページから必要なページにいけます。

 

Articlesのページには、

Amplification, Design Guidelines, Power Supplies,

Loudspeaker Design, Crossoversなど、

豊富な記事があります。

 

Projectsのページを経由して

Index of projects by categoryのページから、

MOSFET Power Ampなどのプロジェクトページにいけます。

 

Purchaseのページでは、

PCB(プリント基板)も販売しているので、

手っ取り早く製作や試作をしたい人にも便利なサイトです。

 

ヘッドフォンドライバの実装

ヘッドフォンドライバの実装例です。

DSC_0091

タカチのSW型プラスチックケース

両面ユニバーサル基板で実装して納めています。

ステレオミニジャックとUSB端子を納めるための

ケースの加工が結構面倒です。

 

密閉型のモニター用ヘッドフォンで聴くと、すごい臨場感です。

ケースの蓋をしても、LT1364の発熱は問題ないようです。

 

ヘッドフォンドライバの基板設計

ヘッドフォンドライバの基板設計です。

 

USBから5Vの電源を取得して+-15Vの電源を得るために、

DC/DCコンバーターCC3-0512DF-Eを使用します。

 

EAGLEの回路図はこちらです。

hpdsch

実体配線図はこちらです。

hpdbrd

入力のヘッドフォンジャックのスイッチ端子をGNDに落とすのを忘れると、

入力のステレオミニプラグが抜けたときに発振します。

 

ヘッドフォンドライバの回路設計

オペアンプの音を簡単に聴くために、

ユニティゲイン・バッファによるヘッドフォンドライバを設計します。

ユニティゲイン安定の2回路のオペアンプとしてLT1364を選択します。

 

そのままでは、高域のゲインが高すぎて発振するので、

出力にフィルタをかけます。

LTspiceの回路図はこちらです。

hpd1364asc

ACアナリシスで位相余裕とゲイン余裕を確認します。

hpd1364ac

 

UHC MOSFETアンプの部品表

Serial ID Spec Remark Manufacturer Model Package Distributor Qty/SKU Unit Price Cost
1 C1 3pF C0G MLCC 50V Murata RDE5C1H3R0C0K1H03B 5mm, 0.5mm Akizuki 10 10 100
2 C2 470pF PP 100V Toshin 2A-UPZ-471JE 5.2×2.8, 3.5mm, 0.5mm Sengoku 4 16 64
3 C3 470pF PP 100V Toshin 2A-UPZ-471JE 5.2×2.8, 3.5mm, 0.5mm Sengoku 0 10 0
4 C4 22pF C0G MLCC 50V Murata RDE5C1H220J0K1H03B 5mm, 0.5mm Akizuki 10 10 100
5 C5 3300pF PP 100V Toshin 2A-UPZ-332JE 3.5mm, 4.5×7.0, 0.5 Sengoku 2 16 32
6 C6 22uF 63V Ultra Low-ESR Rubycon 63PZA22M8X10 8mm, 3.5mm, 0.6mm Akizuki 8 100 800
7 C7 0.01uF PP 100V Toshin 2A-UPZ-103JE 6mm, 3.5mm, 0.5mm Sengoku 4 16 64
8 C8 22uF 63V Ultra Low-ESR Rubycon 63PZA22M8X10 8mm, 3.5mm, 0.6mm Akizuki 0 100 0
9 C9 0.01uF PP 100V Toshin 2A-UPZ-103JE 3.5mm, 0.5mm Sengoku 0 16 0
10 C10 1uF Stacked MPE 63V Shizuki VF63Z105JAB 7.4×6, 5mm, 0.5mm Sengoku 4 163 652
11 C11 1uF Stacked MPE 63V Shizuki VF63Z105JAB 7.4×6, 5mm, 0.5mm Sengoku 0 163 0
12 C12 0.1uF Stacked MPE 63V Shizuki VF63Z104JAB 7.4×2.5, 5, 0.5mm Sengoku 4 53 212
13 C13 22uF 63V Ultra Low ESR Rubycon 63PZA22M8X10 8mm, 3.5mm, 0.6mm Akizuki 0 100 0
14 C14 0.1uF Stacked MPE 63V Shizuki VF63Z104JAB 7.4×2.5, 5, 0.5mm Sengoku 0 53 0
15 C15 22uF 63V Ultra Low ESR Rubycon 63PZA22M8X10 8mm, 3.5mm, 0.6mm Akizuki 0 100 0
16 C16 1000uF 35V Low ESR 35V Rubycon 35ZLH1000MEFC12.5X20 12.5mm, 5.0mm, 0.6mm Akizuki 4 100 400
17 C17 1000uF 35V Low ESR 35V Rubycon 35ZLH1000MEFC12.5X20 12.5mm, 5.0mm, 0.6mm Akizuki 0 63 0
18 C18 220uF 25V Low ESR 35V Rubycon 35ZLH220MEFCCT8X11.5 8mm, 5.0mm, 0.6mm Akizuki 10 10 100
19 C19 220uF 25V Low ESR 35V Rubycon 35ZLH220MEFCCT8X11.5 8mm, 5.0mm, 0.6mm Akizuki 0 140 0
20 R1 100Ω Koa MF1/4CC2000F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
21 R2 100Ω Koa MF1/4CC2000F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
22 R3 10k Koa MF1/4CC1002F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
23 R4 1k Koa MF1/4CC1001F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
24 R5 3.3kΩ Koa MF1/4CC3301F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
25 R6 160Ω 150Ω Koa [MF1/4CC1500F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
26 R7 10k 0.1% Resistors TE Connectivity YR1B10KCC 2.3 Dia x 6.3mm RS 5 40 200
27 R8 1k 0.1% Resistors TE Connectivity YR1B1K0CC 2.3 Dia x 6.3mm RS 5 40 200
28 R9 9.6k 9.53k 0.1% Resistors TE Connectivity YR1B9K53CC 2.3 Dia x 6.3mm RS 5 30 150
29 R10 1k 0.1% Resistors TE Connectivity YR1B1K0CC 2.3 Dia x 6.3mm RS 0 40 0
30 R11 100Ω Koa MF1/4CC2000F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
31 R12 100Ω Koa MF1/4CC2000F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
32 R13 30Ω 33Ω Koa MF1/4CC33R0F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
33 R14 500Ω 510Ω Koa MF1/4CC5100 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
34 R15 100Ω Koa MF1/4CC2700F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
35 R16 30Ω 33Ω Koa MF1/4CC33R0F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
36 R17 500Ω 510Ω Koa MF1/4CC5100F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
37 R18 100Ω Koa MF1/4CC2700F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
38 R19 1k Koa MF1/4CC1001F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
39 R20 0.1Ω 5W Cement TE Connectivity SQMW5R10J 13mmx25x9, 5, 0.8 RS 5 82 412
40 R21 0.1Ω 5W Cement TE Connectivity SQMW5R10J 13mmx25x9, 5, 0.8 RS 0 82 0
41 R22 1k Koa MF1/4CC1001F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
42 R23 10Ω 5W Cement TE Connectivity SQMW510RJ 13mmx25x9, 5, 0.8 RS 5 82 412
43 R24 2.4k Koa MF1/4CC2401F 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
44 R25 120Ω 1W Metal Film Faithful Link MFU100F120RB 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
45 R26 120Ω 1W Metal Film Faithful Link MFU100F120RB 6.3mm, 0.6mm Akizuki 0 3 0
46 R27 510Ω 1W Metal Film Faithful Link MFU100F510RB 6.3mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
47 D1 LT1009-2.5 2.5V Voltrage Reference TI LT1009ILPE3 TO-92 RS 5 140 700
48 D2 LT1009-2.5 2.5V Voltrage Reference TI LT1009ILPE3 TO-92 RS 0 140 0
49 D3 1N4007 1000V 1A Panjit 1N4007-3485 5.2×2.7, 0.86mm Akizuki 20 5 100
50 D4 1N4007 1000V 1A Panjit 1N4007-3485 5.2×2.7, 0.86mm Akizuki 0 5 0
51 D5 DiodeBridge SBD 100V 2A Panjit SDI2100 DIP4 Akizuki 4 35 140
52 L1 1uH 6.6A TDK TSL0709RA-1R0M5R0-PF 8 Dia x 9.6mm RS 10 103 1,030
53 L3 PCB Transformer 18V 1.5VA Block AVB1.5/2/18 32.3 x 27.3 x 23.8mm RS 2 522 1,044
54 M1 N-ch MOSFET 100 V, 56 A, 25 mΩ Rohm HUF75639P3 TO-220AB RS 4 202 808
55 M2 N-ch MOSFET 100 V, 56 A, 25 mΩ Rohm HUF75639P3 TO-220AB RS 0 202 0
56 Q1 NPN 180V 2A 20W Sanken 2SC4883A(Y) TO-220F Akizuki 2 50 100
57 Q2 PNP 180V 2A 20W Sanken 2SA1859A TO-220F Akizuki 2 50 100
58 T1 2N3906 Fairchild 2N3906BU TO-92(Bulk) Akizuki 20 5 100
59 T2 2N3904 Fairchild 2N3904BU TO-92(Bulk) Akizuki 20 5 100
60 U1 LT1360 LT LT1360CN8#PBF DIP8 RS 4 379 1,516
61 U2 LT1363 LT LT1363CN8#PBF DIP8 Bispa 2 550 1,100
62 U3 LT1360 LT LT1360CN8#PBF DIP8 RS 0 379 0
63 U4 LT1166 LT LT1166CN8#PBF DIP8 Bispa 2 600 1,200
64 IC1 Regulator +15V 1A JRC NJM7815FA TO-220F Akizuki 2 50 100
65 IC2 Regulator -15V 1A JRC NJM7915FA TO-220F Akizuki 2 50 100
66 D4 SBD 40V 1A Panjit 1S4 3.5 x 2.6, 0.64mm Akizuki 10 14 140
67 Terminal Block 2p Blue Alphaplus TB111-2-2-U-1-1 5.8mm, 1.0mm Akizuki 8 20 160
68 Terminal Block 3p Blue Alphaplus TB111-2-3-U-1-1 5.8mm, 1.0mm Akizuki 6 30 180
69 IC Socket 8p Neltron 2227MC-08-03 7.62mm x 10.16mm Akizuki 10 15 150
70 Heatsink 16 x 25 x 16 mm 20 degC/W Global Elec 16PB017-01025 Akizuki 12 40 480
71 Screw/Nut Plastic 3 Dia 12mm 20 sets Kan Yang P-02743 Akizuki 1 200 200
72 Insulating Sheet TO-220 10 pcs Kan Yang P-02687 Akizuki 1 100 100
73 L2 Toroidal Transformer 2x115V 2x35V 300VA Nuvotem 91966-P2S2 115 Dia x 58mm RS 2 7,593 15,186
74 U5 Ideal Diode Bridge Controller -40 – 85 degC LT LT4320IN8#PBF DIP8 Digikey 2 855 1,710
75 M3-10 N-ch MOSFET 80V, 223A, 2.7mΩ, 246W Fairchild FDP027N08B_F102 TO-220 RS 8 284 2,272
76 C7,8 1uF Stacked MPE 63V Shizuki VF63Z105JAB 7.4×6, 12, 0.5mm Sengoku 2 163 326
77 R1,2 4.7kΩ 1W Metal Film Faithful Link MFU100F4K7RB 6.5mm, 0.6mm Akizuki 100 3 300
78 D11,12 LED 5V 5mm Red OptoSupply OSR6LU5B64A-5V 5.9mm, 2.54, 0.6mm Akizuki 10 12 120
79 C0 10000uF 50V Ripple 4000mA Nichicon UKW1H103MRD 25x50mm, 12.5mm, 1.0mm Akizuki 6 450 2,700
80 PCB Prototype 2 layers 0.062″ FR4 2 oz HASL 4 units, Amp+PSU SilverCircuits Green Soldermask White Silkscreen (Top only) 100.0mm by 80.0mm SilverCitcuits 2 9,600 19,200
81 Wire UEW 0.5mm Kyowa 2UEW 0.5 L-10 0.542 mm, 120 degC Sengoku 1 221 221
82 Case EIA 2U w/ HS Takachi HYR 88-43-23 SS 2.8kg Sengoku 1 11,880 11,880
83 Inlet IEC 250V 10A Echo AC-P06CS11 34.4 x 20 mm RS 1 169 169
84 Fuse Holder 250V 10A, 20mm Marushin MF-525M 12.8 Dia, 11.8mm Akizuki 1 80 80
85 Fuse 250V 10A, 20mm Daito MF51NR 250V 10A 20mm 5.2 Dia x 20mm Akizuki 2 30 60
86 Switch Locker 250V 16A Panasonic AJ8221B 28.8mm x 12.9mm Akizuki 2 50 100
87 RCA L UnitedAu/Vi RJ-2008BT/W 11.9 Dia, 7.0mm Akizuki 1 150 150
88 RCA R UnitedAu/Vi RJ-2008BT/R 11.9 Dia, 7.0mm Akizuki 1 150 150
89 Speaker Terminal B Avicon MB-124-G-B 8.2 Dia Akizuki 2 70 140
90 Speaker Terminal R Avicon MB-124-G-R 8.2 Dia Akizuki 2 70 140
70,850

UHC MOSFET アンプの回路設計

Ultra High Currentといっても、

何アンペアから上を指すのか知りませんが、

ここでは2Ωの負荷(スピーカー)をドライブできるアンプを設計します。

 

MOSFETはHUF75639P3を選択します。

NチャネルUltraFET パワーMOSFET 100V、56A、25mΩ

Pd = 200W, Qg(TOT) = 130nC, Ciss = 200pF

となっていまして、

瞬時電流はトランスコンダクタンスに制限されますが、

データシートでは200Aまでグラフが伸びています。

 

LTspiceでシミュレートしながら次の回路図に到達しました。

lt1166audioampqc3asc

SiC MOSFETアンプの回路からの変更点は、

ドライバ段の100Ωのベースストッパーを

パワー段のゲートストッパーに移動したことと、

電流検出抵抗を0.22Ωから0.1Ωに変更しただけです。

 

負荷抵抗を2Ωまで下げても矩形波応答は、

立ち上がりと立ち下がりが少し遅れるだけで、

ほとんど変わりません。

 

歪率も

THD(20kHz, 3.0Vpp, 8Ω) = 0.017626%

THD(20kHz, 3.0Vpp, 4Ω) = 0.020013%

THD(20kHz, 3.0Vpp, 2Ω) = 0.022164%

となっています。

 

価格も1個202円(RS)とリーズナブルです。

 

SiC SBDによる正負電源の基板設計

SiC SBDの基板設計も参考までに載せておきます。

EAGLEの回路図はこんな感じです。

rectifiersicsbdsch

2回路のトランスを外付けにする構成です。

正負両方にダイオードブリッジを構成しています。

また、平滑用のコンデンサの他に、パスコンをダイオードと出力端子につけています。

 

アートワークはこんな感じです。

rectifiersicsbdbrd

ヒートシンクの間隔の調整やベタパターンをする前ですが、

ユニバーサル基板で組んでも良いと思います。