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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Class D Amp. mit LTC6992


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Autor: Simi (Gast)
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Hallo!

Ich habe einen Class D Amp. mit LTC6992 als PWM Generator, LM5104 als 
Gate-Treiber und eine Treiberstufe mit den IRF530s MOSFETs aufgebaut 
(PCBs von JLCPCB). Soweit funktioniert auch alles. Der DC-Offset am 
Ausgang lässt sich super einstellen, die PWM-Frequenz ist von 95kHz bis 
ca. 500kHz verstellbar und es gibt kein Einschalt- bzw. Ausschaltploppen 
im Lautsprecher.

Nur leider gefällt mir der Klirrfaktor dieses Amps. gar nicht und bei 
höheren Tönen hört er sich nicht gut an (für Subwoofer-Amp würde es 
reichen).

Mein Problem ist folgendes:
Das PWM Ausgangssignal vom LTC6992 koppelt ungewollt wieder ins 
Eingangssignal ein. Ziehe ich z.B. das Eingangssignal auf GND, dann 
liegen ca. 0.5V durch den Spannungsteiler am Eingang vom LTC6992 an. 
Hier kann man gut sehen, dass bei jeder fallenden bzw. steigenden 
PWM-Flanke etwas zurückgekoppelt wird und die 0.5V verzerrt werden 
(siehe Oszibild 10).
Lege ich jetzt einen Sinus an, ist dieser natürlich bei jeder PWM-Flanke 
komplett verzerrt und wirkt sich somit negativ auf das Ausgangssignal 
aus (siehe Oszibild 8).

Hat mit dem LTC6992 schon wer solche negativen Erfahrungen gemacht? 
Online finde ich nicht wirklich eine Lösung, es kommt mir so vor als 
würde keiner mit dem LTC6992 einen Class D Amp. bauen wollen? Nicht 
dafür geeignet?

Was habe ich bereits versucht:
-) Alles in SMD-Bauteile (keine Streuung)
-) Überall GND-Vias damit Massefläche sehr niederohmig ist

Eagle-Files und Schaltplan als .pdf sind ebenfalls angehängt. Habe ich 
irgendwo einen Layout-Fehler der mein Problem eventuell beheben könnte 
oder sind die LTC6992 generell fehleranfällig?

Ich wäre über jeden Ratschlag sehr dankbar.

LG

Simi

Autor: Anno (Gast)
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Also einen Class-D Verstärker "zu Fuß" aufzubauen halte ich für unklug 
(idiotisch),
da es von TI fertige ICs auch für hohe Leistungen gibt - mit Demo-Board 
und erprobtem Schaltplan.
Der LTC6992 ist doch überhaupt nicht für geringen Klirrfaktor ausgelegt!
Er ist für DC-DC-Wandler etc. gemacht, die eine Gegenkopplung haben.

Bei Class-D ist für den Klirrfaktor anscheinend die Zeitlücke des 
Umschaltens der Transistoren entscheident.
Außerdem versuchen fertige ICs die EMI durch raffinierte Ansteuerung
der Mosfets zu minimieren + haben eine Spannungsgegenkopplung.

Einkopplungen passieren gerne, wenn Störungen auf das Massepotential
gekoppelt werden (Schaltflanken). Das Layout (neben dem 
Schaltungsdesign) ist ganz maßgeblich!
Die Regelung der Spannungsversorgung ist wegen Rückspeisung auch nicht 
ohne. U.s.w. , u.s.w.
=> "Das viereckige Rad neu erfunden!"

Autor: Simi (Gast)
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Mir geht es ja grundsätzlich um das "Lernprinzip". Das die ganze Sache 
eventuell unklug ist, ist mir klar.

Also meinst du, soll ich das mit dem LTC6992 lassen? Oder gibts noch 
eine Möglichkeit dieses Projekt wenigstens ein bisschen zu verbessern?

Ansonsten versuche ich die PWM-Generation mal mit einem STM32 uC.

Autor: KlasseD (Gast)
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Hast du dir mal die Referenzdesigns von International Rectifier( jetzt 
Infineon) oder von Silabs angeguckt?

Hier z.B. eins:
https://www.silabs.com/documents/public/user-guides/Si824xClassD-KIT.pdf

Autor: KlasseD (Gast)
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Was ist denn C17 für ein Kondesator? Am Besten sind PPS 
Folienkondensatoren an dieser Stelle geeignet.
Die Spule muß ausreichend Strom abkönnen!

Autor: Thomas E. (Firma: EMV und HF-Technik Eichstetter) (thomas_eichst)
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Hallo Simi,

kannst du mal das Layout durchschicken? Im Anhang habe ich mal die 
kritische Masche eingezeichnet (das ist der Teil der Schaltung, welcher 
extrem schnelle Flanken hat). Du siehst, dass die Schleife über deine 
Kondensatoren der Gesamtschaltung geht und damit auf den Eingang 
rückkoppelt. Schmeiße außerdem die kleinen C's raus, die machen alles 
nur schlechter. Falls du eine geringere parasitäre Induktivität mit den 
C's erzeugen willst kannst du auch zweimal 100nF nehmen. Gleicher 
Effekt, keine Parallelresonanz.

Pack mal die Kondensatoren so eng wie möglich an die Endstufe und blocke 
sie zur restlichen Beschaltung mit ner Drossel ab. Mach außerdem die 
kritische Masche so klein wie möglich weil hier koppelst du Induktiv 
aus.
Die Rückströme auf der Masse sollten ebenfalls nicht die gleiche Leitung 
teilen wie der Analogteil.

Mit dem Layout kann ich dir mehr sagen :-)

Autor: KlasseD (Gast)
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Oben gibts doch eine brd-Datei.

Autor: Thomas Eich (Gast)
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Stimmt, hab ich übersehen.

Also, ich habe mal die kritische Masche über die 100nF Kondensatoren 
eingezeichnet. Die lange blaue Leitung rechts (unter der gelben 
Markierung) würde sich wünschen einen anderen Weg zu nehmen. Das ist 
eine ziemlich hohe Induktivität die ein Klingeln bei jeden Schaltvorgang 
hervorruft (zusammen mit der Sperrkapazität der Transistoren).
Am besten wäre es, wenn die Transistoren umgedreht werden. Die gelbe 
Leitung muss so klein wie möglich sein, denn dann ist die Induktivität 
am niedrigsten. Außerdem sind die Ströme auf der Masse dann auch am 
kleinsten.

Eine zusätzliche Filterung zum Ausgang wäre echt gut...

Ich habe mir jetzt nur den Teil angeschaut. Auf den ersten flüchtigen 
Blick schaut die restliche Schaltung schon vernünftig aus.
Schön die Massefläche geflutet... sehr gut.

Halt, ein Punkt noch...
Ein und Ausgänge bitte auf eine Seite! Weil sonst EMV-Probleme... Außer 
der Bypass ist niederohmig genug.

Autor: Simi (Gast)
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PPS ist drin. Spule kann einige A treiben, sollte also passen.

Danke für den Link! Lese ich mir mal durch, ist sicher interessant!

Autor: Simi (Gast)
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Hallo Thomas!

Danke für deine Hilfe.

Die 220pF sind bereits weg! Da hat mir mein ehemaliger HTL-Prof. schon 
einen Lehrbuchauszug geschickt, wo deine erwähnte Parallelresonanz sehr 
gut erklärt ist.

Diese Masche habe ich gar nicht bemerkt, obwohl ich alles mit dem Stift 
durchgegangen bin, mist!

Ich werde die MOSFETs mal auf die Rückseite packen, dann kann ich diese 
Leitung um einiges verkürzen und werde sie mit einem "Sternpunkt" mit 
der Spannungsversorgung verknüpfen. Somit kann ich das PCB noch 
verkleinern und die Kondensatoren kommen weiter heran.

Den NF-Eingang jetzt noch auf die andere Seite zu packen wird schwierig, 
da müsste ich gleich das ganze Layout neu machen. Aber der Bypass (ich 
schätze du meinst die Massefläche) sollte relativ niederohmig sein - 
überall GND-Vias.

Was meinst du mit der Filterung zum Ausgang? Meinst du deine zuvor 
erwähnte Drossel? Wenn ja, wo soll ich die am Besten platzieren und 
welche?

Simi

Autor: KlasseD (Gast)
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Man sollte, wie schon gesagt, auch wissen, wieviel Strom fließt.
Bei zu hohen Strömen, lässt die Induktivität nach und damit auch die 
Filterwirkung.

Wenn ich das Layout mit dem Layoutvorschlag aus dem Datenblatt des 
LM5104 vergleiche, dann gibts da schon ein paar Unterschiede. Siehe 
angehängtes Bild.

Im Layout könnten noch mehr VIAs zur Verbindung der beiden Masseflächen 
platziert werden.

Warum du die Leitung hinter der Spule über ein VIA geführt hast, 
verstehe ich nicht.

Wenn es platzmäßig eng wird, dann könntest du auch MOSFETs in einem 
anderen Package nehmen. Da gibt es ja eine riesige Auswahl.

Autor: Simi (Gast)
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Autor: KlasseD (Gast)
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Guck mal hier:
https://www.infineon.com/dgdl/iraudamp17.pdf?fileId=5546d462533600a40153569a8e9a2be7

Dort haben sie diese Spule verbaut:
https://au.rs-online.com/web/p/leaded-inductors/7511838/



Ich weiß zwar nicht, was du für Leistungen fährst aber ich denke, dass 
eine 3A Spule unterdimensioniert ist.
Du könntest ja mal eine Spule mit einem höheren Stromrating raufpatchen.


Bei der einen Leitung meinte ich die, die von der Spule zum Ausgang 
geht.

Autor: otherwise (Gast)
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Anno schrieb:
> LTC6992 ist nicht für geringen Klirrfaktor ausgelegt!
> Er ist für DC-DC-Wandler etc. gemacht

Ja. Um eine geregelte Gleich -Spannung zu generieren...

> Bei Class-D ist für den Klirrfaktor die Zeitlücke des
> Umschaltens der Transistoren entscheidend.

Die Totzeit anzupassen ist sehr, sehr wichtig, ja.

> ICs ---> EMI Minimierung durch raffinierte Ansteuerung
> der Mosfets

Ok, das kenne ich jetzt nicht, bin aber kein Class D Experte.

> haben eine Spannungsgegenkopplung.

Genau_das ist der entscheidendste Faktor!


Ohne diese kann man höchstens tiefsten Tiefbass so halbwegs
zufriedenstellend wiedergeben - ansonsten ist man ohne diese
also richtiggehend verloren. Ohne hat einfach keinen Zweck...


Und daher würde ich dieses Design sofort völlig verwerfen.
Optimierungen daran haben imho leider keinen Sinn. (Bis auf
das Verbessern des "allgemeinen Layout-Könnens" vielleicht.)


Ich nehme mal an, die IRF530 sind "Platzhalter", und sollten
nach einigen Verbesserungen durch richtige Mosfets ersetzt
werden? (Und auch die V_cc erhöht, insgesamt mehr Leistung?)

Die Vorgehensweise ist eigentlich ok, aber nicht mit diesem
Grundkonzept. Das ist und bleibt zwecklos, so wie es ist.
(Außer evtl., Du willst wirklich nur Tiefst-/Infra-Baß.)


Tipps für eine Totalüberarbeitung (völlig anderes Konzept)
bekamst Du schon zum Teil. Könnte noch mehr/besser werden,
- bzw. könntest Du mit Glück Spitzen-Anregungen bekommen -
wenn Du zum Punkt kommen würdest, welche V_cc bei welcher
Lastimpedanz (und damit auch, welche Leistung) Du willst.


HTH

Autor: GEKU (Gast)
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Class-D Verstärker sind kritisch, was breitbandige Funkstörungen 
belangt.
Die Verausetzungen für Funkstörungen sind wegen der großen Leistung mit 
steilen Flanken, sowie lange Leitungen, die als Antennen wirken, sehr 
gut.

Störungen von Diensten, wie z.B. Flugfunk, sind möglich.

Wer nicht die Erfahrung zur richtigen Entstörung hat und diese Störungen 
nicht erfassen kann (funkdichte Kabine und Spekrumanalyser) sollte 
lieber die Finger von der Etwicklung dieser Geräte lassen und auf 
fertigt Geräte zurück greifen.

Autor: GEKU (Gast)
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GEKU schrieb:
> Störungen von Diensten, wie z.B. Flugfunk, sind möglich.

Siehe auch

Beitrag "Problem: Verstärker PAM8403 stört FM-Radioempfang"

wo nur der UKW Empfang als gestört erkannt wurde.
Was passiert auf anderen Frequenzen, wie Flugfunk, Behörenfunk u.s.w.?

Ist klar wie weit diese Funkstörungen reichen, wenn nicht einmal das 
Störspektrum bekannt ist.

Autor: Thomas Eich (Gast)
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Hallo Simi,

zu deinen Fragen:

Simi schrieb:
> Den NF-Eingang jetzt noch auf die andere Seite zu packen wird schwierig,
> da müsste ich gleich das ganze Layout neu machen. Aber der Bypass (ich
> schätze du meinst die Massefläche) sollte relativ niederohmig sein -
> überall GND-Vias.

Der Bypass ist die Masse, welche parallel zu dem Stück Masse ist auf der 
große Ströme fließen. Stell dir das so vor: Du hast ne Masseleitung und 
auf der fließt 1 Ampere und 10 mV Spannungsabfall, weil diese 0,01 Ohm 
Widerstand hat. Wenn du jetzt anstatt einer Leitung zwei nimmst hast du 
den halben Widerstand -> nur noch 5 mV Spannungsabfall. Wenn du das mit 
mehreren parallelen Verbindungen machst nennt man das einen Bypass. 
Damit reduzierst du die Störspannung. Eine flächige GND-Leitunge ist 
eine solche Parallelschaltung vieler Leitungen. Je nachdem wie 
niederohmig diese ist werden entsprechend die Störungen zwischen zwei 
Seiten eines Layouts übertragen.

> Was meinst du mit der Filterung zum Ausgang? Meinst du deine zuvor
> erwähnte Drossel? Wenn ja, wo soll ich die am Besten platzieren und
> welche?

Da meine ich zum einen den Filter der Versorgung, den die 
Spannungsabfälle trägst du hier über die Versorgungsleitung nach außen. 
Hier musst du eine Drossel in PI-Schaltung einbauen um die Störspannung 
zu minimieren.
Zudem musst du noch den Ausgang verändern. Denn schließt du keine Last 
an und hast du nur offene Leitungen am Ausgang entsteht in der Tat einen 
prima Sender. Das wollen wir natürlich nicht.
-> Alles was über die Leitungen geht sollte Störungsfrei sein! Also 
keine Gleichtaktstörungen und auch keine Gegentaktstörungen!

Hier musst du in deinem Fall zwei Dinge beachten:
1. Stelle eine Last für die HF-Störungen am Ausgang bereit, also ein 
RC-Glied (Grenzfrequenz kannst du simulieren)
2. Überprüfe die parasitäre Kapazität deiner Spule, damit kannst du dann 
ermitteln welche Spannung ungefähr am Ausgang anliegt (Spannungsteiler). 
Wenn das noch zu viel ist mach ein Filter höherer Ordnung daraus.

Das wird schon! Wenn du interessiert bist sowas zu bauen, dann ist das 
ne prima Sache. Die Störungen kannst mit dem Oszilloskop grob 
abschätzen. Wie weit geht das bei dir? Wenn es nicht hoch genug geht 
dann ist das nächste Projekt eine breitbandige HF-Sonde.

Leider hat dein Chip keine Frequenzspreizung und deshalb sind deine 
Störer diskret ziemlich stark vorhanden. Das muss du eben gut filtern!
Eine HF-Tapete wo du dieses Filter dimensionieren kannst findest du 
hier:

https://emv-wissen.de/wp-content/uploads/2018/10/39_HF_tapete.pdf


Dein virtueller Massepunkt (die 20V) muss viel breiter in der 
Leitungsführung sein. Außerdem muss sich das Ausgangssignal die 20 V von 
der sauberen Seite holen (nachdem du das Eingangsfilter dimensioniert 
hast, sonst hast du sehr viel Gleitaktstörungen). Das was ich ins Bild 
am Ausgang eingezeichnet habe du anstatt auf Masse auch auf die 20 V 
machen. Ist sogar etwas besser. Wichtig ist hier, dass du das 
Bezugspotential sauber herstellst.

Den Rest habe ich wie gesagt nicht betrachtet, ich will dir nur das 
sagen was mir in der Kürze grob so auffällt.

Autor: Thomas E. (Firma: EMV und HF-Technik Eichstetter) (thomas_eichst)
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Hier noch das Bild zum vorherigen Post...

Autor: GEKU (Gast)
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Thomas Eich schrieb:
> Wie weit geht das bei dir? Wenn es nicht hoch genug geht
> dann ist das nächste Projekt eine breitbandige HF-Sonde.

Ich verwende zur Überprüfung den Funk-Handscanner Alinco DJ-X7E.

Das Gerät ist mit 172€ erschwinglich und deckt durchgehend Frequenzen 
von 100kHz bis 1500Mhz ab.

Das Gerät verfügt einen SMA-Antennenanschluß, damit kann statt der 
Stabantenne über Adapter auch BNC Zubhör oder Tastköpfe angeschlossen 
werden.

Es gibt zwar keine Aussage über die Stärke des Signals, aber die 
Anwesenheit von Störungen im Bereich von 100kHz bis 1,5GHz können mit 
ihrer Frequenz nachgewiesen werden. Die Pegel kann man mit einem 
Signalgenerator vergleichen.

https://www.conrad.at/de/p/alinco-dj-x-7-e-1839-funk-handscanner-931010.html

Autor: Simi (Gast)
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GEKU schrieb:
> Class-D Verstärker sind kritisch, was breitbandige Funkstörungen
> belangt.

Danke für den Hinweis. Auf das habe ich noch gar nicht geachtet!

otherwise schrieb:
> Ich nehme mal an, die IRF530 sind "Platzhalter", und sollten
> nach einigen Verbesserungen durch richtige Mosfets ersetzt
> werden? (Und auch die V_cc erhöht, insgesamt mehr Leistung?)

Eigentlich sollten das die "End-MOSFETs" sein und die Spannung will ich 
auch nicht erhöhen. Mir geht es hier rein um das "Verständnis" und ob es 
mit einem LTC6992 grundsätzlich möglich ist. Diese Endstufe soll jetzt 
nicht als Home-HiFi dienen.

Normalerweise bin ich nicht der Class-D-Typ, sondern eher der 
Class-AB-Typ.
Siehe meine Home-Endstufe: 
http://members.mvnet.at/sikado/Verst%C3%A4rker.html (ganz unten)
Dokumentation mit Messergebnissen gibt es auch unter "Downloads". Ich 
bin am überlegen, ob ich diese AB-Endstufe nicht generell 
veröffentlichen soll, was hält ihr davon? Ist sie dafür gut genug?

Autor: Simi (Gast)
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Thomas Eich schrieb:
> Da meine ich zum einen den Filter der Versorgung, den die
> Spannungsabfälle trägst du hier über die Versorgungsleitung nach außen.
> Hier musst du eine Drossel in PI-Schaltung einbauen um die Störspannung
> zu minimieren.

Soll ich die PI-Filter bei der 20V und der 40V Leitung einbauen bzw. 
könntest du mir im Schaltplan zeigen, wie genau ich die einbauen soll? 
Welche Grenzfrequenz würdest du mir für den PI-Filter raten?

Thomas Eich schrieb:
> 1. Stelle eine Last für die HF-Störungen am Ausgang bereit, also ein
> RC-Glied (Grenzfrequenz kannst du simulieren)

Welche Grenzfrequenz würdest du mir hier empfehlen?
Dieses Filter ist doch unter "Boucherot Glied" bekannt oder? Dieses habe 
ich bei meiner zuvor erwähnten AB-Endstufe ebenfalls verbaut.
siehe "Boucherot Glied": 
https://www.elektroniktutor.de/analogtechnik/zobel.html

Thomas Eich schrieb:
> Das was ich ins Bild
> am Ausgang eingezeichnet habe du anstatt auf Masse auch auf die 20 V
> machen.

Ok, den Satz verstehe ich leider nicht wirklich. :)


Ich werde dann mal alle Ratschläge in ein neues Eagle-Layout umsetzen. 
Werde das wahrscheinlich am Wochenende machen.

Zurzeit probiere ich noch die Funktion des LTC6992 mit einem STM32 uC zu 
ersetzen/simulieren. Vielleicht funktioniert das besser.

Autor: Old P. (old-papa)
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Simi schrieb:
>...
> Normalerweise bin ich nicht der Class-D-Typ, sondern eher der
> Class-AB-Typ.
> Siehe meine Home-Endstufe:
> http://members.mvnet.at/sikado/Verst%C3%A4rker.html (ganz unten)

Nett, wenn auch etwas bunt :-) Ich habe früher auch viel AB gebaut und 
sogar noch einen kompletten Satz für 4x800W zusammengestellt (alles da, 
außer Gehäuse) , doch ob ich den jemals aufbaue steht in den Sternen.
Für Veranstaltungen habe ich ein ganzes Regal voller Kaufware (thomann) 
doch ein Selbstbau hat noch immer seinen Reitz.

> Dokumentation mit Messergebnissen gibt es auch unter "Downloads". Ich
> bin am überlegen, ob ich diese AB-Endstufe nicht generell
> veröffentlichen soll, was hält ihr davon? Ist sie dafür gut genug?

Mach das und Du siehst dann eventuelle Reaktionen. Andererseits ist das 
Netz zum bersten voll mit AB-PA Konzepten ;-)

Old-Papa

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