Jännitettä nostavan hakkurin käyttö akkukäyttöisessä audiolaitteessa

Abstract

Audiovahvistimet pohjautuvat yhä useammin D-luokan vahvistimiin niiden korkean hyötysuhteen takia. Tämä mahdollistaa pidemmän käyttöajan tai vastaavasti tehon lisäämisen kannettavissa audiolaitteissa. Kuitenkin, jotta akkukäyttöisestä audiolaitteesta saataisiin suurempaa tehoa, se vaatii yleensä korkeamman jännitteen kuin yksittäisen akun lähtöjännite on. Korkeampi jännite voidaan saavuttaa lisäämällä akkuja tai käyttämällä jännitettä nostavaa hakkuria. Hakkureissa syntyy kuitenkin kytkennästä johtuvaa värettä, mille D-luokan vahvistimet ovat alttiita. Tässä työssä tutkitaan boost- ja Čuk-hakkurin soveltuvuutta jännitteen nostoon akkukäyttöisessä audiolaitteessa. Käytännön sovelluksena toimii Porsas, josta halutaan saada 500 W teho. Työssä tutkitaan audiolaitteen asettamia ehtoja jännitelähteelle sekä hakkurien mitoittamista ehtojen mukaisesti. Työn tutkimustapana on kirjallisuustutkimus ja simulointi. Audiolaitteen jännitelähteeltä vaatima teho vaihtelee suuresti. Tämä tulee ottaa huomioon hakkurin komponenttien mitoituksessa. Lisäksi hakkurin lähtöjännitteen väre pyritään minimoimaan, koska sillä on suuri vaikutus vahvistimen toimintaan. Tulovirran väreen minimoinnilla on pidentävä vaikutus akun purkusykliin. Hakkurien laskennalliset komponenttien arvot sekä simuloinnit osoittavat, että hakkurit olisivat myös mahdollista tehdä käytännössä. Simulointien perusteella boost-hakkurin komponenttien arvot ovat pienempiä kuin Čuk-hakkurin. Boost-hakkurille löytyy myös valmiita ohjainpiirejä enemmän. Toisaalta Čuk-hakkurilla on mahdollista tehdä myös energiansäästötila. Hakkurien ohjaus ja jäähdytys vaatisivat jatkotutkimusta.

Audio amplifiers are based on class D amplifiers in increasing numbers because of their high efficiency. Class D amplifiers allow longer usage time as well as making more powerful portable audio devices. In order to get more power from an audio device, it usually de-mands greater voltage than a single battery can supply. This can be accomplished by using a step-up switched-mode power supply (SMPS). However, the added power supply noise can cause unwanted behavior in the class D amplifiers. In this Bachelor’s Thesis, suitability of boost and Čuk converters to voltage conversion in a battery operated audio device is studied. The device under study is an audio device called Porsas from which 500 W power is desired. The suitability of the converter is based on the requirements that an audio device sets. In this thesis, the ways of research are literary research and simulation. The power that an audio device draws from the power supply changes widely which has to be taken in to consideration when selecting SMPS component values. SMPS output voltage ripple has great behavioral effects on the amplifier so it should minimized. Input current ripple should be minimized as well for better usage time. The calculated component values and simulations of SMPS confirm that both boost and Čuk converters are possible to make in practice. Based on the simulation, boost converter’s component values are smaller than Čuk converter’s. There are also more ready-made controller circuits for boost converter. On the other hand, an audio device can be used in energy saving mode if Čuk converter are used. Design of SMPS control and cooling re-quires more research.