LTspiceによる回路シミュレーション、EagleによるPCB設計、試作、EMSによる頒布まで
D級GaN MOSFETアンプの試作を行いました。
ヒートシンクにマウントしたPCBがこちらです。
アルミケースに入れて、
理想ダイオード電源でテストしています。
左側はSiC MOSFETアンプ、
右側がGaN MOSFETアンプです。
気になる音の方は、これがGaNの音かといった感じで、
低音から高音まで音源がそのまま音になる感じです。
IR2110と出力段の電解コンデンサがやや熱を持ちますが、
スイッチング周波数と電力を考えれば、
問題ない程度です。
電源オフ時に軽いポップノイズがでますが、
対策が必要な程ではありません。
残りの課題は、
自励発振が音量を上げないと始まらない点だけです。
電源レールの電圧が35V以上になると、
３端子レギュレータの入力電圧の定格を越えてしまうため
ディスクリートによるレギュレータ回路が必要になります。
ここでは、最もよく用いられる回路として、
ツェナーダイオードを基準電圧とした
トランジスタによるレギュレータ回路を検討します。
なお、トランジスタとして2N5551, 2N5401, 2SC3851, 2SD2014を想定しています。
+-45Vの電源レールに対する+-5V, +12V(-45V基準)のレギュレータ回路はこちら。
+-45Vの電源レールにそれぞれ1V, 100Hzの正弦波をリップルとして加えて、
LEDを負荷としてシミュレートした過渡応答がこちら。
設計のポイントは、まず、
ツェナーダイオード(6.2V, 15V)の電圧と電流を決定する必要があります。
降伏電圧とツェナー電流、最大損失を考慮しますが、
ここでは、ツェナー電流を5mA程度とするように、
分圧抵抗(2.2kΩ, 3.3kΩ, 4.7kΩ)を選んでいます。
コンデンサは分圧抵抗とCRフィルタを構成して、
ツェナー電圧のノイズをフィルタリングしています。
10uF, 4.7kΩでカットオフ周波数が3.4Hzとなります。
シャント抵抗(100Ω, 15Ω) は突入電流(600mAまたは4A程度)が
トランジスタのSOAに収まる値を選んでいます。
リップルに対する応答はhfeに依存するようで、
ダーリントンが最も大きくなっていますが、
大電流出力とのトレードオフとなります。
負荷に対する電圧降下も大きいですが、
非常に素直な過渡応答特性なので、
これ以上のレギュレーションが必要な場合は、
３端子レギュレータをカスケードすればよいでしょう。
D級GaN MOSFETアンプの保護回路として
正側電源レールのOVP, 負側電源レールのUVP, アンプ出力のDCPを設計しました。
LT SPICEの回路図はこちら。
過渡応答はこちら。
コンパレータにLM339, IR2110のシャットダウン(SD)入力のドライバとしてCD4069UBを使います。
コンパレータの基準電圧は1n4148の順方向降下電圧(Vf)で,
電源レール(+-24V)のOVP,UVPは24V Zenerの超過電圧を抵抗分圧しています。
DCPはCRによるLPFを抵抗分圧して、
正負両側を2つのコンパレータで見ています。
OVP, UVP, DCP, 合計4つのコンパレータ出力(+-5VのオープンコレクタActive Low出力)をWired-ORして、
レベルシフト(-24Vのグランド変換と+-5Vから12Vへのレベル変換）後、
CD4069UBで、ディレイをかけた後、LEDとIR2011のSD端子を駆動しています。
IR(Infenion)のハイ・アンド・ローサイド・ドライバIR2110で
D級GaN MOSFETアンプの設計をしてみました。
LT Spiceでの回路図はこちらです。
1V, 20KHz正弦波の入力に対する過渡応答はこちらです。
設計のポイントとしては、
レベルシフト回路、
デッドタイム回路、
ブートストラップ回路、
積分器の定数、
を上げておきます。
レベルシフト回路は、LT1016のデータシートを参照して下さい。
-24Vのグランド変換と5Vから12Vのレベルシフトを行っています。
デッドタイム回路はCRD回路で85nsのデットタイムを生成しています。
ブートストラップ回路は、Fairchild(ON Semi)のアプリケーションノートを参照して下さい。
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