Switch-Mode Audio Amplifier for International Future Energy Challenge

Abstract

Este proyecto se centra en el diseño de un amplificador de audio Clase-D para el "International Future Energy Challenge". Se desarrolló un sistema con alta eficiencia energética y calidad de audio superior mediante tecnologías avanzadas de modulación Delta-Sigma y control de frecuencia. El amplificador Clase-D convierte una señal analógica en digital de alta frecuencia, mejorando significativamente el rendimiento energético comparado con amplificadores analógicos convencionales. Los objetivos principales fueron investigar los amplificadores Clase-D y diseñar uno que cumpla con las especificaciones de la competencia IEEE. Tras diseñar y simular el amplificador, se seleccionaron los componentes necesarios, incluyendo MOSFETs y amplificadores operacionales. El sistema propuesto incluye varias etapas: desbalance y nivelación de señales de entrada, digitalización mediante modulación Delta-Sigma, y filtrado con un filtro de paso bajo antes de amplificar la señal para los altavoces. Se introdujo un divisor de voltaje y un amplificador sumador para una referencia de voltaje más estable y menor ruido. La modulación Delta-Sigma convierte la señal analógica en digital de alta frecuencia usando un doble integrador y un comparador. Para una mejor eficiencia, se usó un driver de conmutación LM5106 en lugar de transistores MOSFET, mejorando la conmutación y reduciendo pérdidas de energía. El filtro LC rechaza componentes de alta frecuencia, permitiendo solo las de baja frecuencia al altavoz. Los resultados de las simulaciones mostraron una mejora sustancial en eficiencia y calidad de audio, con un diseño final que cumple las expectativas de la competencia. El proyecto demuestra que es posible lograr alta eficiencia energética y buen rendimiento de audio con amplificadores Clase-D mediante tecnologías avanzadas de modulación y control. Futuras mejoras podrían incluir nuevas tecnologías de modulación y la construcción de un prototipo físico para validar y refinar los experimentos en campo real.

This project focuses on designing a Class-D audio amplifier for the "International Future Energy Challenge." A system was developed with high energy efficiency and superior audio quality by implementing advanced Delta-Sigma modulation and frequency control technologies. The Class-D amplifier converts an analog signal into a high-frequency digital signal, significantly improving energy performance compared to conventional analog amplifiers. The primary objectives were to investigate Class-D amplifiers and design one that meets the IEEE competition specifications. After designing and simulating the amplifier, the necessary components, including MOSFETs and operational amplifiers, were selected. The proposed system includes several stages: unbalancing and leveling input signals, digitizing through Delta-Sigma modulation, and filtering with a low-pass filter before amplifying the signal for the speakers. A voltage divider and summing amplifier were introduced for a more stable voltage reference and reduced noise. Delta-Sigma modulation converts the analog signal to high-frequency digital using a double integrator and comparator. For better efficiency, an LM5106 switching driver was used instead of MOSFET transistors, improving switching and reducing energy losses. The LC filter rejects high-frequency components, allowing only low-frequency components to the speaker. Simulation results showed substantial improvements in efficiency and audio quality, with a final design meeting competition expectations. The project demonstrates that high energy efficiency and good audio performance are achievable with Class-D amplifiers using advanced modulation and control technologies. Future improvements could include new modulation technologies and constructing a physical prototype to validate and refine experiments in real-world settings.