Dette projekt giver en grundig analyse af den såkaldte SICAM - Slngle Converter stage AMplifier fremgangsmåde til opbygning af audio effektforstærkere til direkt energiomforming.
Projektbeskrivelse
Formålet med projektet er at tilvejebringe teknologiske muligheder for at integrere en audio effektforstærker og en switch-mode spændingsforsyning til en komponent så energiforbruget, det totale volumen og prisen bliver mindst mulig. Ved at forske inden for opbrydning mellem grænserne mellem to af grundelementerne og i stedet betragte det som et samlet system er det muligt at forbedre effekt- og energieffektivitet i store dele af audio reproduktionskæden. Ideen er analogt til bl.a. Grundfos' integration af effektelektronik og styring. Baggrund: I utallige år har det traditionelle 'interface' mellem en effektforstærker og spændingsforsyning været en DC-mellemkreds. Herved var det muligt at sætte anlæg sammen fra vidt forskellige producenter. Ved at have styr over store dele af reproduktionskæden er det muligt at optimere det samlede system således at man kan opnå betydeligt højere effekt- og energieffektivitet. Der er et behov for en større forskningsindsats inden for dette område, og det vurderes at der er et større potentiale for effektivitetsmæssige og materialebesparelsesmæssige forbedringer. Det i 1998 afsluttede forskningsprojekt med fokus på effektforstærkerdelen, hvor CoolPower/ICEpower teknologien er udviklet og allerede i anvendelse hos Bang og Olufsen og andre, har været et godt eksempel på hvad der kan nås med en systematisk forskningsindsats inden for et fokus område. Her blev det påvist at energivirkningsgraden kunne øges med mere end en faktor 10 uden øvrige kompromiser. Indhold og projektmål: Projektets fokus er at forske i hvorledes det er muligt at integrere en effektforstærker og en SMPS til en komponent således at den har en meget høj virkningsgrad i alle brugssituationer, helt nede fra lav udstyring (f.eks. standby) og op til fuld udstyring. Endvidere vil en væsentligt højere effektivitet ligeledes resultere i mindre materialeforbrug og dermed reduceret volumen og vægt. Endvidere opnås herigennem betydeligt reducerede transport omkostninger Med denne fokus er det som udgangspunkt klart at der skal fokuseres på løsninger baseret på switch-mode principper hvor der bl.a. kan hentes inspiration fra effektelektronikken i forskellige motorstyringsmetoder. Nogle af de allerede indhøstede erfaringer fra tidligere og igangværende EFP-projekter vil selvfølgelig blive brugt i dette projekt. Effektelektroniks 'berygtede' ulempe med risikoen for EMC udstråling er også mindre i og med at hele systemet er en samlet enhed hvor man har styr over alle indgående parametre og kan designe mod minimal EMC udstråling fra starten af. Dette projekt er multidiciplinært idet det indeholder forskning indenfor signalbehandling (bl.a. DSP) og effektelektronik. Apparaternes udviklingstid fra ide til produkt skal reduceres og simulering samt effektive designmetoder er vigtige værktøjer til dette som vil blive brugt og udviklet. Herved kan dette markant nye produktkoncepter og design udvikles. Dette projektet vil komme til at indeholde en stor del primært baseret på et phd-projekt. En integration af switch-mode strømforsyning og ICEpower teknologien hvor ekspertisen primært vil komme fra Bang & Olufsen ICEpower og ELTEK/DTU. Målene er: 1) 54% virkningsgrad ved 1% af fuld effekt ud 3) >80% virkningsgrad ved fuld effekt ud. Faser: Projektet vil bestå af følgende faser: 1) Grundig research af state-of-the-art+ detailplanlægning. 2) Energioptimerede design af forskellige udgaver af SICAM. 3) Fremstilling af laboratoriemodeller. 4) Brainstorming mod nye topologier og principper. 5) Test og forbedring af de mest lovende ideer/konstruktioner. 6) Fremstilling af prototyper og tests af disse. 7) Rapportering. På baggrund af de fælles erfaringer, vil virksomhederne fremstille flere prototyper og demonstrationsmodeller relevante for deres produkter. I herværende SICAM-ansøgning drejer det sig om at kombinere ICEpower + SMPS til SICAM. Det er altså teknisk en helt ny æra vi bevæger og ind i her. Effektiviteten skal komme som en konsekvens af at vi arbejder hen mod kun et effektomsættende element (med fordel på såvel max som tomgang)
Resultater
Den aktuelle fremgangsmåde til opbygning af isolerede audio effektforstærkere i dag består af en isoleret DC elforsyning efterfulgt af en Klasse D audio effektforstærker, som faktisk repræsenterer to-trins løsning, hvor hver halvdel kan ses som seperat og uafhængig del. Den foreslåede SICAM-Iøsnings træber efter så direkte energiomforming fra lysnetindgangen til audioudgangen som overhovedet muligt, ved at dedikere virkningsmåden af delene til hinanden og integrere deres funktioner således, at den endelige audio effektforstærker repræsentere en en-trins topologi med højere effektivitet, mindre volumen, mindre printareal, færre komponenter og dermed lavere omkostninger. SICAM fremgangsmåden kan bruges til både uisolerede og isolerede audio effektforstærkere, men problemstillingerne som i de to tilfælde er i grunden meget forskellige. Uisolerede SlCAMs anvendes ti1 både lysnettilsluttede og batteridrevne apparater. Hovedideen i de uisolerede lysnettilsluttede SICAMs er at forenkle spændingsforsyningen og lave PFC-funktion, mens det lave komponentstress og den gode audioperformance bevares ved at reducere indgangsspændingen til Klasse D forstærkeren. Uisolerede batteridrevne SICAMs skal klare den varierende batterispænding og skabe en udgangsspanding, som er både lavere og højere end batterispænding, men de skal stadigvæk være simple og en entrins energiomformer. I transformatoren i isolerede SlCAMs designes spændingsniveauet på sekundæren til det ønskede niveau og derfor er de vigtigste udfordringer her at reducere volumen af den magnetiske kerne og reducere antallet af reaktive komponenter så meget som muligt. Hovedfokus i projektet ligger på isolerede SlCAMs og især de såkaldte isolerede SlCAM med umodulerede transformatorspændinger. Den ovennævnte omformer er den mest interessante SICAM-løsning til multikanalens audio effektforstarkersystemer, fordi alle udgangstrinnene kan bruge det samme indgangstrin og den samme transformatorkerne. Den foreslåede løsning er meget enkelt fra en topologiside og tillader reduktion af antallet af reaktive komponenter på sekundærsiden, men kommuteringen af belastningsstrømmen i udgangstrinnet og udgangstrinnets ombygning selv er mere indviklet end i Klasse D forstærkeren. Hovedbidrag findes i den grundige analyse af nuværende topologier for isolerede SICAMs, såvel som flere strukturele forbedringer og nogle foreslåede kontrol metoder til at forbedre kommuteringen af belastningsstrømmen i udgangstrinnet og realisere højperformance styring af hele SICAM-trinnet. Det andet væsentlige bidrag er fremvisningen af adskillige interessanter topologier og deres styrestrategier til uisolerede SICAMs til lysnettilslutning og bærbare audio effektforstærkere
