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[導(dǎo)讀]引言所有內(nèi)置音頻功放的設(shè)備,例如:立體聲系統(tǒng)、電視和多通道音視頻接收機(jī),都有一個(gè)共同重要指標(biāo):輸出功率。這項(xiàng)指標(biāo)為最終用戶提供設(shè)備所能輸出的最大功率指示,多數(shù)客

引言

所有內(nèi)置音頻功放的設(shè)備,例如:立體聲系統(tǒng)、電視和多通道音視頻接收機(jī),都有一個(gè)共同重要指標(biāo):輸出功率。這項(xiàng)指標(biāo)為最終用戶提供設(shè)備所能輸出的最大功率指示,多數(shù)客戶可能非常關(guān)注該項(xiàng)指標(biāo)。

對于制造商來說,不僅需要測試輸出功率,還要測試在惡劣環(huán)境下能夠保障電視機(jī)正常工作的熱穩(wěn)定性。目前,各家公司可能采用不同的測試標(biāo)準(zhǔn)。

常見的功率放大器有兩種類型:AB類和D類放大器。平板(LCD和等離子)電視是推動D類放大器發(fā)展的主要動力,D類放大器解決了平板電視的空間限制和散熱問題。而目前使用的測試標(biāo)準(zhǔn)則是在只有AB類放大器的時(shí)代推出的,本文將研究它是否適合D類放大器。

最大輸出功率

最大輸出功率是在指定的時(shí)間、特定的信號頻率以及總諧波失真(THD)條件下,放大器所能提供的功率。例如:聯(lián)邦商業(yè)委員會(FTC)規(guī)定,在測試功率之前,首先輸出1kHz的正弦信號、輸出功率為額定功率的1/8,預(yù)熱1小時(shí)。然后,由放大器輸出滿足特定THD和頻率范圍要求的額定功率5分鐘。負(fù)載通常為一個(gè)4Ω或8Ω電阻,具體取決于揚(yáng)聲器的標(biāo)稱阻抗。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)電視機(jī)沒有外部揚(yáng)聲器的連接端,無法測試其功放輸出,也沒有功率測量的法定標(biāo)準(zhǔn)。通常,標(biāo)稱功率的測量使用1kHz、THD小于10%的信號,功率輸出至少10分鐘。

熱穩(wěn)定性

該測試提供電視機(jī)的整體熱容量,電視機(jī)被放置在一個(gè)最高環(huán)境溫度(典型值為+40°C)的溫箱內(nèi),電視機(jī)內(nèi)部的溫度會更高,因而放大器的工作溫度略高于環(huán)境溫度。電視機(jī)通常使用原配的揚(yáng)聲器。

測試采用了不同的信號波形和幅度。這種功能測試通過*估溫度模板檢驗(yàn)潛在的危險(xiǎn)因素。這個(gè)測試需要持續(xù)幾個(gè)小時(shí),從而建立各部分的最終溫度。然后,用紅外溫度計(jì)或熱電偶進(jìn)行檢測,最后將測量結(jié)果與安全規(guī)范(例如:最大PCB溫度或結(jié)溫)進(jìn)行比較。熱穩(wěn)定測試中,無論是功放還是揚(yáng)聲器都不允許任何損壞。

測試信號

熱穩(wěn)定性測試力圖仿真最惡劣的工作環(huán)境,此時(shí),音頻信號可能來自DVD和電視廣播設(shè)備,但工程師需要使用標(biāo)準(zhǔn)的信號源,以便每次測試時(shí)得到相同的結(jié)果。建立最終的條件后,測試應(yīng)保證穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。

當(dāng)正弦波建立穩(wěn)定的讀數(shù)后,它們并不是模擬音樂或語音信號源,因?yàn)檫@些信號的幅度是隨時(shí)間變化的,信號幅度范圍從靜音到過驅(qū)動(箝位)。幅度分布由振幅因數(shù)描述,它是(音樂或語音信號源)峰值功率與平均功率的比值,用dB表示,以下統(tǒng)稱為峰均比。

可以考慮下面表1列出的信號。

表1. 真實(shí)信號及其對應(yīng)的峰值

按照表1,可以得到與真實(shí)信號非常接近的仿真信號。

到目前為止,我們一直都在討論信號源,而我們真正關(guān)心的是對應(yīng)于放大器輸出信號的熱性能。信號鏈路有音量和聲音控制,允許提供一定增益,但是固定的電源電壓限制了峰值輸出電壓,因此,當(dāng)我們調(diào)高音量時(shí),峰值被削波,而平均功率增大,所以峰均比下降(不同于放大器的輸入信號)。

最小峰均比取決于用戶能夠接受的音頻失真程度和設(shè)備所能提供的最大增益。消費(fèi)類電子中,測試信號的最小峰均比最好出現(xiàn)在最惡劣的情況下。

揚(yáng)聲器制造商經(jīng)過調(diào)查研究,發(fā)現(xiàn)了一些合適的測試信號。揚(yáng)聲器必須能夠處理放大后的信號,而且不會損壞或出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。大部分制造商遵循IEC 268-5標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)定義了測試信號:pink噪聲(經(jīng)過濾波(40Hz高通、5kHz低通,2階)后的混合頻率信號)接近于音樂的頻譜分布(圖1)。

圖1. IEC 268-5噪聲頻譜密度

IEC 268-5 測試信號有6dB的峰均比,被視為最差指標(biāo)。揚(yáng)聲器能夠處理的這個(gè)信號的平均功率稱為“連續(xù)功率”指標(biāo),但大部分制造商公開的是“節(jié)目功率”,功率高出3dB,采用閃爍信號(一分鐘打開,一分鐘關(guān)斷)測試,因此,揚(yáng)聲器能夠處理峰均比為9dB的鉗位信號。

峰值功率(用峰均比表示)是放大器能夠提供的峰值輸出功率。放大器的額定輸出功率用正弦波測試,其峰均比為3dB;可處理的連續(xù)功率比額定放大器功率低6dB。最差情況下,整個(gè)裝置的連續(xù)測試信號為IEC 268噪聲,其RMS功率比峰值功率低9dB,比最大正弦波功率低6dB,這是正弦波測試的最大輸出功率。

設(shè)計(jì)放大器的熱容量時(shí),不必考慮高于揚(yáng)聲器所能處理的功率。集成放大器通常帶有熱保護(hù),功放過熱時(shí)將放大器置于靜音狀態(tài),功放冷卻后自動恢復(fù)工作。因?yàn)榉糯笃鬟^載可能導(dǎo)致放大器永久性損壞,放大器的熱保護(hù)門限應(yīng)低于揚(yáng)聲器保護(hù)的實(shí)際功率。

放大器類型

電視機(jī)使用的音頻功放有兩種類型:AB類和D類。我們將分析這兩種類型的放大器在上述測試中的性能。AB類功放是一種低成本方案,但這類放大器存在較大功耗,需要大的散熱器。D類功放效率較高,缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。不過,這一缺陷可以通過一定方式補(bǔ)償,因?yàn)镈類放大器對散熱要求不高(僅需小尺寸散熱器或無需散熱器),IC封裝尺寸也更小。此外,由于系統(tǒng)必須通過熱測試,所以還需考慮測試成本問題。

為了簡化兩類放大器的比較,我們假設(shè)兩種放大器都使用FET (而非雙極型)晶體管作為輸出級,在給定的電源電壓(VCC)、負(fù)載(RL)和晶體管導(dǎo)通電阻(RDSON)下,兩類放大器的最大輸出電壓也相同,即最大輸出功率相同。

假設(shè)采用橋接負(fù)載(BTL)輸出,流過兩個(gè)晶體管、RDSON的輸出電流加倍(圖2)。

圖2. BTL放大器的輸出級

兩類放大器的功耗相差較大,假定輸出電壓為Ua (輸出功率P = Ua?/RL),我們首先從直流分析入手。

AB類

Dab = [(Ua/Rl) × (VCC - Ua)] + IQ × VCC

功耗等于輸出電流乘以輸出晶體管的壓降。

D類

Dd = (Ua/Rl)² × 2 × RDSON + IQ × VCC

功耗主要是電阻損耗,(輸出電流)² × R。

兩類放大器都有一個(gè)公共項(xiàng):IQ × VCC,其中IQ是靜態(tài)電流。AB類放大器利用這個(gè)電流降低交越失真,而對于D類放大器,該電流代表開關(guān)損耗。兩類放大器具有相同的靜態(tài)電流幅度。

通過仿真我們可以進(jìn)行深入分析,選擇一個(gè)通用的TV裝置,采用12V電源、8Ω揚(yáng)聲器,具體參數(shù)如下:

VCC = 12V
Rl = 8Ω
RDSON = 0.3Ω
IQ = 0.02A

圖3給出了正弦輸入時(shí)的效率以及輸出信號失真,失真是由于鉗位造成的,即電源電壓的限制產(chǎn)生的。


圖3. 效率與輸出功率

下式用于計(jì)算輸出信號的最大擺幅:

總諧波失真為10%時(shí),輸出功率為10W,這時(shí)的輸出功率被認(rèn)為是系統(tǒng)的最大輸出功率。

從圖3可以看出,D類放大器比AB類放大器具有更高的效率,圖中僅在兩個(gè)工作點(diǎn)處D類放大器的效率沒有超出AB類放大器:

零輸入:兩類放大器的功耗為靜態(tài)功耗,假設(shè)二者相同。

無限過載:即使是AB類放大器也產(chǎn)生方波輸出,晶體管處于飽和狀態(tài),此時(shí)兩類放大器具有相同效率、功耗、輸出功率(15.56W)及失真(43.5%)。

對于電池供電產(chǎn)品,效率是至關(guān)重要的指標(biāo),電源設(shè)計(jì)人員更加關(guān)注放大器的功耗。圖4給出了正弦輸入時(shí),兩類放大器在不同增益下的功耗曲線。

圖4. 功耗與輸出功率

額定輸出功率10W時(shí),AB類放大器的功耗為2.53W,D類放大器的功耗為0.994W。輸入信號電平較低時(shí),D類放大器功耗降低,而AB類放大器功耗增大。

當(dāng)放大器用來放大音樂或語音信號時(shí),這些結(jié)果與實(shí)際情況如何關(guān)聯(lián)呢? 通過噪聲信號可以很好地模擬實(shí)際信號,它與音樂信號具有相同的幅度分布,結(jié)果相同。

為了對比實(shí)際的收聽效果和揚(yáng)聲器的功率處理能力,將x軸從輸出功率更改為峰均比,峰均比給出了系統(tǒng)平均輸出功率和峰值輸出功率(15.56W)的關(guān)系。

理想的噪聲源峰均比為無窮大,其幅度變化符合“正態(tài)分布”,但峰值沒有限制。當(dāng)信號通過仿真放大器時(shí),信號分布會發(fā)生變化—輸出信號幅度受到電源電壓的限制。系統(tǒng)增益變化時(shí),均值(RMS)電壓隨之改變。如果峰值保持不變,增大RMS電壓將減小峰均比。

高峰均比時(shí)很少發(fā)生削波,但當(dāng)增益提高時(shí)通常會發(fā)生削波。圖5給出了3dB峰均比下的噪聲,輸出信號被嚴(yán)重削波。

仿真時(shí),我們并不關(guān)心噪聲的頻譜,實(shí)際測試使用了IEC 268-5信號,因?yàn)橛行┓糯笃鲿档透哳l部分的效率。

改變增益時(shí),可以計(jì)算可能造成的峰均比消耗。


圖5. 功耗與功率密度(峰均比)

圖5顯示從左至右功耗增大,隨后,由于峰均比降低而減小。

在15dB至12dB之間,信號被嚴(yán)重削波,聽眾會調(diào)低音量。

9dB是揚(yáng)聲器廠家認(rèn)為可以接受的最大峰均比。

0dB對應(yīng)于滿量程方波輸出。

9dB是最合理的熱*估測試點(diǎn),功耗是:

AB類放大器為3.05W

D類放大器為0.388W

功耗比為3.05/0.388 = 7.86;在額定功率測量時(shí),功耗比僅為2.53/0.994 = 2.55。

仿真結(jié)果顯示了重要的信息。

對于AB類功放,熱設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是通過噪聲測試。如果所設(shè)計(jì)的放大器每通道能夠吸收3.05W功率,對于每通道功耗為2.53W的額定輸出功率也就不是問題,可以連續(xù)輸出額定功率。

因?yàn)閮煞N類型放大器的功耗測試非常相似,二者的輸出功率普遍采用正弦波進(jìn)行熱測試。當(dāng)然,測試中使用正弦波也很容易建立試驗(yàn)環(huán)境,但所得到的功耗低于推薦噪聲測試的結(jié)果。

換句話說,采用正弦波*估AB類放大器的熱性能時(shí),所得結(jié)果低于揚(yáng)聲器能夠處理的功率。

對于D類放大器,結(jié)果正好相反,噪聲測試功耗為0.388W,而額定輸出功率時(shí)需要耗散的功率是1W,相差2.56倍。因此,使用哪種信號進(jìn)行測試,所得結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

因此,使用正弦波測試D類放大器的熱特性時(shí),會造成系統(tǒng)規(guī)模過大,提高系統(tǒng)成本。對于D類放大器,可以得出以下結(jié)論:

IC供應(yīng)商需要更大的裸片面積,以降低RDSON,這是影響效率的重要因素。

D類放大器需要更大的封裝尺寸,以降低芯片與PCB或散熱片之間的熱阻。

制造商需要提供小的散熱片或采用多層PCB,以獲得較小的RθJA,RθJA是芯片與環(huán)境之間的熱阻。

如果利用PCB散熱,需要仔細(xì)布設(shè)大面積的連續(xù)覆銅層。這些覆銅層用于傳導(dǎo)熱量,而且需要使用多個(gè)過孔在層與層之間導(dǎo)熱。

老化測試

有時(shí)需要更加嚴(yán)格的熱性能*估,這種測試稱為“老化測試”。老化測試采用了音頻處理器所能處理的最大電壓作為功放輸入,從而產(chǎn)生類似于方波的輸出。該測試中,每通道功耗高達(dá)1.41W,與AB類放大器沒有任何不同。D類放大器要想通過這樣的測試,與噪聲測試條件相比,散熱能力需要改善3.6倍。

結(jié)論

在CRT向平板電視的過渡過程中,需要更小尺寸、熱耗更低的放大器,廠商基于這一需求推出了D類放大器。即使采用傳統(tǒng)的正弦波測試方法,D類放大器的熱耗也能降低2.5倍,但是,當(dāng)使用噪聲信號進(jìn)行熱分析時(shí),熱耗可進(jìn)一步降低2.6倍。

當(dāng)然,工程師也必須應(yīng)對一個(gè)新的挑戰(zhàn):解決EMI問題,需要設(shè)計(jì)輸出濾波器,對于小封裝放大器使用裸焊盤散熱?,F(xiàn)在,我們重新考察一下測試方法,以便了解D類放大器所具備的節(jié)省成本的優(yōu)勢。

以下是推薦方法:

檢查突發(fā)模式的輸出功率,在滿足THD的要求下采用滿功率正弦波。

檢查輸入為噪聲信號或最差工作條件下(語音或音樂信號)的熱容量,這應(yīng)該與增益設(shè)置相對應(yīng),保證即使在最大音量下,信號也不會被削波。

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