所有內(nèi)含音頻功率放大器的電子設(shè)備,例如立體聲電視機(jī)以及多通道AV接收機(jī),通常都有一個(gè)重要的指標(biāo),即輸出功率,該指標(biāo)是指所能提供的最大音量,這對(duì)于許多消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的指標(biāo)。而對(duì)于制造商來(lái)說(shuō),要考慮的就不單是輸出功率,還要考慮在最壞情況下都能保證功能正常的熱穩(wěn)定性。關(guān)于這方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)會(huì)因不同公司而異。
通常用兩種放大器為電視機(jī)提供輸出功率,即AB類和D類放大器。向D類放大器的過(guò)渡主要是因?yàn)槠桨咫娨?LCD或等離子)的需要,因?yàn)樵谶@類機(jī)子空間有限,因而散熱是一個(gè)問(wèn)題。目前的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)年只有AB類放大器時(shí)所開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn),本文將討論該標(biāo)準(zhǔn)是否仍適用于D類放大器。
最大輸出功率
最大輸出功率指的是在給定的時(shí)間內(nèi),以及在指定的頻率和總諧波失真(THD)范圍內(nèi)放大器所能提供的總功率。例如,美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)(FTC)規(guī)定的功率測(cè)試方法中,要求用1kHz的正弦波、以規(guī)定輸出功率的1/8對(duì)放大器進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的預(yù)熱。然后,放大器必須能夠連續(xù)5分鐘提供規(guī)定功率,當(dāng)然,必須是在規(guī)定的THD和頻率范圍內(nèi)。負(fù)載通常是一個(gè)4Ω或8Ω的電阻器,具體用哪一個(gè)取決于標(biāo)稱的揚(yáng)聲器阻抗。
由于絕大多數(shù)的電視機(jī)都沒(méi)有外接揚(yáng)聲器的端口,因此沒(méi)有辦法測(cè)試功放的輸出,因此也就沒(méi)有功率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。通常標(biāo)定功率的測(cè)試方法是,采用1kHz的信號(hào),以10%的THD,至少連續(xù)10分鐘。
熱穩(wěn)定性
該測(cè)試用來(lái)驗(yàn)證整個(gè)設(shè)備的熱性能。測(cè)試時(shí),將設(shè)備放入一個(gè)規(guī)定的最高環(huán)境溫度(通常為40℃)的測(cè)試間內(nèi)進(jìn)行。在設(shè)備內(nèi)部溫度將會(huì)升高,這就使得放大器要承受更高的環(huán)境溫度。使用設(shè)備本身的揚(yáng)聲器作為負(fù)載。可以采用不同幅度及不同波形的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,這將在下一段中討論。
該測(cè)試需要幾個(gè)小時(shí)。測(cè)量使用紅外溫度計(jì)或熱電偶,但測(cè)量值與安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較,例如最高PCB溫度和結(jié)溫。要通過(guò)熱穩(wěn)定性測(cè)試,無(wú)論是放大器還是揚(yáng)聲器都不能有任何的損壞。該功能測(cè)試通過(guò)評(píng)估溫度特性來(lái)檢查潛在的損壞。
測(cè)試信號(hào)
該熱穩(wěn)定測(cè)試試圖模擬一個(gè)最壞情況下的真實(shí)情況,這種情況將會(huì)導(dǎo)致DVD和電視廣播中的音頻拖尾(audio track)。為了在每次測(cè)試中保證相同的測(cè)試結(jié)果,工程師應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)。一旦最終條件確定好后,它還應(yīng)該提供穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。
正弦波能夠提供穩(wěn)定的讀數(shù),但因?yàn)槠浞入S時(shí)間變化,因而無(wú)法模擬節(jié)目?jī)?nèi)容,如音樂(lè)或語(yǔ)音。節(jié)目信號(hào)的幅度應(yīng)該是全范圍信號(hào),從靜音到過(guò)驅(qū)動(dòng)(削波)。可以用峰值因數(shù)(crest factor)來(lái)很好地描述節(jié)目信號(hào)的幅度失真,該因數(shù)是音樂(lè)或語(yǔ)音信號(hào)的峰值功率和平均功率的比值,單位用dB表示。
前面討論的都是源信號(hào),還沒(méi)有涉及到我們所關(guān)注的放大器輸出信號(hào)的熱評(píng)估問(wèn)題。信號(hào)鏈上不但必須有音量和聲音控制,以便允許有足夠大的增益,還要有限制峰值輸出電壓的固定電源。因此,當(dāng)某人調(diào)高音量時(shí)峰值因數(shù)將會(huì)變化:因?yàn)榉逯当幌拗谱×?而平均功率仍在升高,因此峰值因數(shù)將會(huì)降低(這與放大器的輸入信號(hào)的變化不同)。最低的峰值因數(shù)取決于消費(fèi)者所能接受的失真大小和設(shè)備的最大增益設(shè)置。在任何消費(fèi)類應(yīng)用中,理想的最壞情況測(cè)試都是指峰值因數(shù)最低。
同樣,揚(yáng)聲器制造商也已經(jīng)研究過(guò)合適的測(cè)試信號(hào),揚(yáng)聲器必須在處理放大器的輸出信號(hào)時(shí)沒(méi)有損壞和嚴(yán)重失真。絕大多數(shù)的制造商采用的是IEC268-5標(biāo)準(zhǔn),其中規(guī)定的測(cè)試信號(hào)為:粉紅噪聲信號(hào),即濾波后(即經(jīng)過(guò)40Hz的高通,5kHz的低通濾波,濾波器為2階濾波器)的各種頻率分布,來(lái)還原音樂(lè)聲的長(zhǎng)時(shí)間頻率分布(圖1)。
圖1:IEC268-5噪聲譜密度。
IEC268-5所規(guī)定的測(cè)試信號(hào)的峰值因數(shù)為6dB,這是最壞情況下的指標(biāo)。使用該信號(hào)揚(yáng)聲器所能處理的平均功率稱作為“連續(xù)功率”,不過(guò)絕大多數(shù)制造商都公布了“節(jié)目功率(program power)”,該功率比前者高3dB,用一個(gè)間斷的信號(hào)(依次循環(huán)地通一分鐘,斷一分鐘)測(cè)試。故揚(yáng)聲器可以處理具有9dB峰值因數(shù)的削波信號(hào)。
峰值因數(shù)中所涉及的峰值功率,指的是放大器提供的峰值功率。放大器的額定輸出功率用3dB的正弦波測(cè)量,因此,揚(yáng)聲器的長(zhǎng)期功率處理能力為6dB,小于放大器的額定功率。用于整個(gè)設(shè)備的最壞情況下的長(zhǎng)期測(cè)試信號(hào)是IEC268噪聲,其RMS功率比峰值輸出功率低9dB,比最大正弦波功率低6dB,這是正弦波測(cè)試儀器的最大輸出功率。
當(dāng)考慮放大器的熱設(shè)計(jì)時(shí),沒(méi)有理由要求處理比揚(yáng)聲器規(guī)定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護(hù),故會(huì)發(fā)生的最壞情況是沒(méi)有聲音,這會(huì)在放大器重新冷卻下來(lái)后自動(dòng)復(fù)位。由于揚(yáng)聲器過(guò)載會(huì)導(dǎo)致永久性的損壞,將放大器的熱限制設(shè)置到一個(gè)較低水平實(shí)際上是保護(hù)揚(yáng)聲器的一個(gè)有效手段。
放大器的分類
電視機(jī)中可以采用兩種音頻放大器,即AB類和D類。我們要分析一下這兩種類型的放大器在上述的測(cè)試中的具體表現(xiàn)。AB類放大器是一個(gè)低成本的重負(fù)荷解決方案,但其功耗太大,并需要體積很大的散熱器。D類放大器具有較高的效率,但缺點(diǎn)是價(jià)格太高。不過(guò)這一點(diǎn)因需要采取的散熱措施少(散熱器小,或者就無(wú)需散熱器)以及IC的體積較小所補(bǔ)償。不過(guò),系統(tǒng)仍然需要通過(guò)熱測(cè)試,故測(cè)試策略決定放大器的成本。
為了簡(jiǎn)化比較,假定兩種放大器的都是FET,而不是雙極輸出晶體管。對(duì)于指定的電源電壓(VCC)、負(fù)載 (RI)和RDSON(輸出晶體管全導(dǎo)通的阻抗)來(lái)說(shuō),最大輸出電壓對(duì)于兩種類型是一樣的,因?yàn)檫@是最大的輸出功率。另外還假定一個(gè)橋接負(fù)載(BTL)輸出,即輸出電流流過(guò)兩個(gè)晶體管且RDSON加倍(圖2)。
圖2:BTL放大器輸出級(jí)。
對(duì)于不同類型的放大器來(lái)說(shuō)功耗差別極大。讓我們從直流分析開(kāi)始,輸出電壓為Ua (則輸出功率P=Ua2/RI):
AB類:
Dab =[( Ua/ RI) * (VCC-Ua)] + IQ *VCC
產(chǎn)生的功率為輸出電流與輸出電阻器上的電壓降的乘積。
D類:
Dd = (Ua/RI) 2 * 2*RDSON + IQ* VCC
產(chǎn)生的功率主要由阻性損耗構(gòu)成,(輸出電流)2 * R
兩種放大器都有一個(gè)常系數(shù):即IQ * VCC,其中IQ為靜態(tài)電流。AB類放大器用該電流來(lái)減小交叉失真,而D類放大器中,該電流代表開(kāi)關(guān)損耗。兩種放大器中該電流的幅度相同。
通過(guò)仿真可以進(jìn)行進(jìn)一步分析。考慮常見(jiàn)的電視應(yīng)用,既采用12V的電源,8Ω的揚(yáng)聲器,并采用下列的參數(shù)數(shù)據(jù):
VCC= 12 V
RI = 8 Ω
RDSON = 0.3 Ω
IQ = A
首先要確定效率,由下面的方程來(lái)計(jì)算:
圖3圖示了正弦波的效率,還給出了輸出信號(hào)的失真。該失真由削波引起,反過(guò)來(lái)也可以說(shuō),由限定的電源引起。
圖3:效率與輸出功率的關(guān)系。
下列方程被用來(lái)計(jì)算最大輸出電壓幅擺:
在10%的THD時(shí),輸出功率為10W,這是系統(tǒng)規(guī)定的最大輸出功率。
如圖3中的圖形所示,D類放大器提供的效率與輸出功率比要遠(yuǎn)高于AB類放大器。在整個(gè)圖中,D類放大器只有在兩個(gè)點(diǎn)上比AB類放大器差:
零輸入:兩種放大器消耗的都只有靜態(tài)功率,假定兩者相同。無(wú)限過(guò)載:輸出已經(jīng)成為方波,始終都是飽和的,對(duì)于AB類也是如此。在這一點(diǎn)上,兩種放大器具有相同的效率、功耗、輸出功率( W)和失真(43.5%)。
由于效率對(duì)于電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)非常重要,故大部分的電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)師都對(duì)放大器的功耗非常關(guān)注。圖4給出了兩種放大器(注:輸入用的是正弦波,增益可變)的功耗曲線。
圖4:功耗與輸出功率的關(guān)系。
在10W額定功率上,AB類和D類放大器的功耗分別是和。在輸入較低段,D類放大器的功耗較低,而AB類放大器的功耗卻增加。這究竟與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中有什么關(guān)系？什么時(shí)候放大器被用于音樂(lè)或語(yǔ)音放大？關(guān)于這一點(diǎn),可以利用噪聲信號(hào)進(jìn)行很好的模擬,這種信號(hào)的幅度分布與音樂(lè)類似,并獲得了一致的結(jié)果。
為了將結(jié)果與實(shí)際的收聽(tīng)情形和揚(yáng)聲器的功率處理能力進(jìn)行比較,我們必須將x軸變量從功率改變成峰值因數(shù)。峰值因數(shù)反映了系統(tǒng)的平均輸出功率和峰值功率之間的關(guān)系,這里峰值功率是W。
理想的噪聲源的峰值因數(shù)為無(wú)限大:其幅度分布符合具有明確差異但沒(méi)有峰值電壓限制的“正態(tài)分布”。當(dāng)我們把信號(hào)加入到輸出信號(hào)被電源軌限制的仿真放大器時(shí),該分布將會(huì)改變。平均(RMS)電壓將隨著系統(tǒng)的增益的改變而變化。增加該RMS電壓,則峰值因數(shù)將降低,因?yàn)榉逯祷鶞?zhǔn)保持不變。
在峰值因數(shù)較高時(shí),削波現(xiàn)象很少產(chǎn)生,但當(dāng)增益增加時(shí),它卻經(jīng)常發(fā)生。圖5顯示了3dB峰值因數(shù)的噪聲,此時(shí)輸出信號(hào)被嚴(yán)重削波。
圖5:具有3dB噪聲的放大器輸出電壓。
為了模擬,我們不關(guān)注噪聲的“顏色”,但在實(shí)際的測(cè)試中應(yīng)采用IEC268-5信號(hào),因?yàn)槟承┓糯笃髟诟哳l時(shí)效率較低。
當(dāng)我們改變?cè)鲆鏁r(shí),可以計(jì)算所有可能的峰值因數(shù)值(見(jiàn)圖5)對(duì)應(yīng)的功耗。
在音樂(lè)功率非常集中的15dB到12dB之間,被嚴(yán)重削波,這將迫使絕大多數(shù)用戶降低音量。9dB是揚(yáng)聲器制造商認(rèn)為尚可接受的最差峰值因數(shù),0dB時(shí)的輸出則成了全方波。
在9dB處,將是進(jìn)行熱評(píng)估的最佳點(diǎn), AB類放大器的功耗為,D類為。兩者的比值為 = ,而在進(jìn)行功率測(cè)試時(shí),該比值僅為 = 。這種模擬有一個(gè)重要的意義:對(duì)于AB類放大器,熱設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)在于如何通過(guò)噪聲測(cè)試。一旦放大器設(shè)計(jì)能夠每通道吸收,則在每通道功耗的輸出功率上不會(huì)有太多的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題。額定輸出功率能夠永久保證。
由于在兩種測(cè)試中所得到的功耗相類似,故在實(shí)際應(yīng)用中采用正弦波進(jìn)行輸出功率和熱測(cè)試。當(dāng)然,雖然采用正弦波信號(hào)的測(cè)試比較容易建立,不過(guò)所產(chǎn)生的功耗將比建議的噪聲測(cè)試要低一些。
圖6
換言之,采用正弦波進(jìn)行熱評(píng)估時(shí),會(huì)導(dǎo)致AB類放大器的功率處理能力比相同瓦數(shù)的揚(yáng)聲器要低。而對(duì)于D類放大器,該情況將相反。噪聲測(cè)試產(chǎn)生的功耗,而在額定輸出功率上實(shí)際功耗是1W,相差倍之多。所以,采用什么信號(hào)進(jìn)行熱評(píng)估,將會(huì)導(dǎo)致非常大的差別。
如果在D類放大器熱評(píng)估中使用正弦波,將導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)大,從而增加成本,因?yàn)?IC供應(yīng)商需要較大的芯片面積來(lái)減小RDSON,這是影響效率的主要因素之一；要求D類放大器的封裝較大,以便獲得結(jié)與PCB或散熱片之間的較小熱阻。
制造商需要提供較小的散熱片或多層PCB板,以實(shí)現(xiàn)較小的Rthja,即結(jié)與環(huán)境溫度之間的熱阻。
如果使用PCB自身作為散熱片,需要仔細(xì)地布線,應(yīng)采用大面積的連續(xù)敷銅面。由于銅皮要轉(zhuǎn)移熱量,故層間應(yīng)該用多個(gè)良好的過(guò)孔連接。
老化測(cè)試
有時(shí)候熱評(píng)估中需要進(jìn)行更為嚴(yán)格的測(cè)試,即老化(Burn-In)測(cè)試。該測(cè)試中,將音頻處理器能夠提供的最大電壓加到功率放大器的輸入端,使輸出信號(hào)變成一個(gè)像方波似的信號(hào)。在本文的例子中,放大器每個(gè)通道的測(cè)試功耗高達(dá),并且與AB類放大器沒(méi)有太大的不同。要通過(guò)這樣的測(cè)試,D類放大器要求比噪聲測(cè)試中高3.6倍的冷卻效果。
本文小結(jié)
電視機(jī)從CRT到平板的轉(zhuǎn)換要求采用較小的具有較低熱功耗的放大器,因此有了D類放大器。即便是采用傳統(tǒng)的正弦波測(cè)試,在新設(shè)計(jì)中也能將熱減少2.5倍。
工程師必須解決新的挑戰(zhàn),即解決EMI,設(shè)計(jì)輸出濾波器,并采用具有冷卻外墊的小型放大器封裝。為了揭示所有潛在的節(jié)省成本的方法,包括采用D類放大器,現(xiàn)在有必要重新考慮測(cè)試方法。下面是建議采用的測(cè)試方法:采用中斷突發(fā)模式檢測(cè)輸出功率,加滿功率的正弦波,時(shí)間長(zhǎng)度剛好能獲得THD值；利用噪聲信號(hào)或?qū)嶋H應(yīng)用的最壞情況(語(yǔ)音或音樂(lè))來(lái)檢測(cè)熱性能。后者需要配以增益設(shè)置,以限制放大器的削波,使得即便是在滿音量時(shí)也能得到可接受的聲音效果。
Robert Polleros
技術(shù)專家組高級(jí)成員
Robert_polleros@
美信公司
