Đặc điểm của mạch công suất class D trên amply và cục đẩy

Với hiệu xuất âm thanh cực cao, mạch công suất class D thường được sử dụng cho những hệ thống âm thanh lớn như âm thanh hội trường, sân khấu hoặc các show diễn lớn. HIệu suất cao nhưng nhiệt lượng tỏa ra lại thấp nên nó là một trong những mạch công suất tốt nhất hiện nay trên thị trường. Xin chào mừng cách bạn đến với series bài viết tìm hiểu về các mạch công suất được dùng trên amply và cục đẩy. Các mạch chúng tôi đã giới thiệu các bạn có thể tìm hiểu gồm: mạch class A, mạch class AB và mạch class H, chúng tôi sẽ cập nhật cách mạch khác ở bài kế tiếp.

Mạch công suất class D là gì? 

Mạch công xuất D là một dạng mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng kỹ thuật điều chế dạng xung (switching, gọi là kỹ thuật băm xung PWM). Nếu như trong amply cổ điển kiểu Analog các bóng bán dẫn mở nhiều ít tùy thuộc vào mức độ của tín hiệu đầu vào thì ở Amply Class D các bóng bán dẫn chỉ làm việc ở 2 trạng thái đóng hoặc mở.

Chính vì ở trạng thái đóng sò công suất nên nó có điện trở vô cùng lớn và ngược lại ở trạng thái mở có điện trở vô cùng nhỏ (dưới 0.5 Ôm) dẫn đến tiêu hao năng lượng (tỏa nhiệt) trên các bóng bán dẫn này tương đối thấp.

Cục đẩy công suất class D sẽ không cần đến các khối tản nhiệt này

Chính bởi quá trình đóng là hoàn toàn, mà mở là hoàn toàn nên nhiệt tỏa ra trên sò là rất nhỏ, không yêu cầu phải nhà thiết kế mạch phải gắn vào các khối nhôm có kích thước lớn để tỏa nhiệt, vì vậy chúng ta có thể thấy các Amply Class D thường có kích thước, trọng lượng tương đối nhỏ nhưng lại cho công suất lớn có thể lên tới vài nghìn oát.

Sơ đồ mạch khuếch đại class D

Bộ khuếch đại Class D hoạt động như thiết bị chuyển mạch được điều chế độ rộng xung (PWM). Tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành một dòng xung giúp bật hoặc tắt hoàn toàn các MOSFET khuếch đại. MOSFET có điện trở thấp nhất khi bật hoàn toàn, điều này mang lại cho bộ khuếch đại Class D đặc tính hiệu quả cao của chúng. Trước đây, bộ khuếch đại Class D không có chất lượng như Class AB và chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng âm thanh nhỏ gọn, di động hoặc trong các ứng dụng âm thanh cấp nguồn với thông số kỹ thuật ít đòi hỏi hơn (chẳng hạn như cấp nguồn cho loa siêu trầm). Gần đây, các bộ khuếch đại Class D chất lượng cao đã tiếp cận thị trường mang đến những lựa chọn mới cho các thiết kế cao cấp.

Hiệu xuất của mạch công suất class D là bao nhiêu?

Theo như tính toán, thì hiệu suất của mạch class D này có thể lên đến hơn 90% có thể nói là hiệu suất gần như cao nhất hiện nay trong các loại mạch có trên thị trường.

Những thách thức của mạch công suất class D hiện nay

Những thách thức lớn đối với các nhà thiết kế bộ khuếch đại ngày nay cũng giống như các ngành thiết kế khác. Khách hàng đang tìm kiếm hiệu suất cao hơn, nhiều tính năng hơn, gói nhỏ hơn và chi phí thấp hơn. Quan trọng nhất, với xu hướng thị trường áp dụng loa không dây, các nhà thiết kế cần đạt được mục tiêu về hiệu suất trong khi tích hợp bộ khuếch đại với loa. Điều này đòi hỏi thiết kế với tương đối ít thành phần và bảng mạch phải có chất lượng thật sự rất cao mới có thể đạt được.

Thách thức được kết hợp bởi sự khác biệt giữa khuếch đại Class D và các đặc tính của thiết kế tuyến tính. Các nhà thiết kế bộ khuếch đại thường có một bộ kỹ năng dựa trên thiết kế tương tự tần số thấp và bộ khuếch đại Class D hoạt động và hoạt động nhiều hơn theo các dòng của bộ nguồn chuyển đổi chế độ hiện đại (SMPS). Do đó, các nhà thiết kế bộ khuếch đại cần phải áp dụng một cách tiếp cận thiết kế hoàn toàn mới và bộ thành phần để hoàn thành công việc.

Ưu điểm của mạch công suất class D

Có quá nhiều ưu điểm của mạch công suất class D khiến cho nó có thể nói là loại mạch phổ biến nhất trên thị trường hiện nay. Các ưu điểm của nó có thể liệt kê như là:

• Hiệu suất cực cao
• Kích thước và trọng lượng của cục đẩy và amply karaoke khi dùng mạch này sẽ rất khiêm tốn do mạch tản nhiệt ít.
• Khả năng thiết kế đơn giản
• Rất khó hỏng do toả ít nhiệt lượng
• Linh kiện sửa chữa và thay thế đơn giản
• Giá thành hợp lý tối ưu với mọi nhu cầu của người tiêu dùng

Nhược điểm của mạch công suất class D

•  Amply class D chạy chương trình có bản chất là hệ nhị phân (binary). Hệ này không thể tái tạo hết nguyên bản tín hiệu của âm thanh. Nhiều người cho rằng, âm thanh phát ra từ loại Amply này hơi thô và thiếu cảm xúc.
• Chất lượng tiếng đầu ra của mạch class D cũng không thật sự tốt, nhiều tạp âm và tỷ lệ S/N khá cao lên đến 1%

Các yếu tố trong thiết kế mạch công suất class D

Hiệu suất cao hơn mang lại động lực mạnh mẽ để sử dụng Class D cho các ứng dụng âm thanh, nhưng có những thách thức quan trọng đối với nhà sản xuất. Bao gồm các vấn đề như:

• Lựa chọn kích thước bóng bán dẫn đầu ra
• Bảo vệ giai đoạn đầu ra
• Chất lượng âm thanh
• Kỹ thuật điều chế
• EMI
• Thiết kế bộ lọc LC
• Chi phí hệ thống

Mạch công suất class D sẽ phù hợp với những loại loa nào? 

Vì hiệu suất rất cao, như đã đề cập ở trên nó lên đến 90% chính vì vậy nó rất thích hợp với các dòng loa công suất lớn như: loa hội trường, loa array và không phù hợp để cho các dòng loa nhỏ như loa nén hoặc loa âm trần.

Bảng so sánh tổng quan giữa các mạch công suất hiện nay