??? 摘?? 要: 介紹了超薄系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中關(guān)于音頻放大器的熱測(cè)試" title="熱測(cè)試">熱測(cè)試問題。分析了熱測(cè)試所采用的測(cè)試信號(hào)" title="測(cè)試信號(hào)">測(cè)試信號(hào);比較了AB類和D類功率放大器功耗及效率與輸出功率的關(guān)系。

??? 關(guān)鍵詞: 音頻放大器; 熱測(cè)試; 超薄系統(tǒng)

?

??? 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" title="最大">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(duì)于制造商來說,不僅需要測(cè)試輸出功率,還要測(cè)試在惡劣環(huán)境下能夠保障設(shè)備正常工作的熱穩(wěn)定性。目前,各家公司可能采用不同的測(cè)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。平板電視(LCD和等離子電視)是推動(dòng)D類放大器發(fā)展的主要?jiǎng)恿?解決了平板電視的空間限制和散熱問題。而目前使用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是在只有AB類放大器的時(shí)代推出的,本文研究它是否適合D類放大器。

1 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(hào)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(huì)(FTC)規(guī)定,在測(cè)試功率之前,首先輸出1kHz的正弦信號(hào),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5min。負(fù)載通常為4Ω或8Ω,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(cè)試其功放輸出,也沒有功率測(cè)量的法定標(biāo)準(zhǔn)。通常,標(biāo)稱功率的測(cè)量使用1kHz?THD小于10%的信號(hào),功率輸出至少10min。

2 熱穩(wěn)定性

??? 該測(cè)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℃)的溫箱內(nèi),電視機(jī)內(nèi)部的溫度會(huì)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。這個(gè)測(cè)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(cè),最后將測(cè)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(cè)試中,無論是功放還是揚(yáng)聲器都不允許任何損壞。這種功能測(cè)試是通過評(píng)估溫度模板檢驗(yàn)潛在的危險(xiǎn)因素。

3 測(cè)試信號(hào)

??? 熱穩(wěn)定性測(cè)試力圖仿真最惡劣的工作環(huán)境,音頻信號(hào)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(hào)源,以便每次測(cè)試時(shí)得到相同的結(jié)果。建立最終的條件后,應(yīng)保證穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。

??? 當(dāng)正弦波" title="正弦波">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(hào)源,因?yàn)檫@些信號(hào)的幅度是隨時(shí)間變化的,信號(hào)幅度范圍從靜音到過驅(qū)動(dòng)(箝位)。幅度分布由振幅因數(shù)描述,它是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。表1為參考測(cè)試信號(hào)。按照表1,可以得到與真實(shí)信號(hào)非常接近的仿真信號(hào)。

?

?

??? 信號(hào)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" title="輸出電壓">輸出電壓。因此,當(dāng)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。

??? 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(cè)試信號(hào)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(cè)試信號(hào)。揚(yáng)聲器必須能夠處理放大后的信號(hào),而且不會(huì)損壞或出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。大部分制造商遵循IEC268-5標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)定義了測(cè)試信號(hào):Pink噪聲是經(jīng)過濾波(40Hz高通?5kHz低通,2階)后的混合頻率信號(hào),接近于音樂的頻譜分布,如圖1所示。

?

?

??? IEC 268-5 測(cè)試信號(hào)的峰均比為6dB,被視為最差指標(biāo)。揚(yáng)聲器能夠處理的這個(gè)信號(hào)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(hào)(一分鐘打開,一分鐘關(guān)斷)測(cè)試,因此,揚(yáng)聲器能夠處理峰均比為9dB的鉗位信號(hào)。

??? 峰值功率用峰均比表示,是放大器能夠提供的峰值功率。放大器的額定輸出功率用正弦波測(cè)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(cè)試信號(hào)為IEC268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(cè)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(dòng)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,所以放大器的熱保護(hù)門限應(yīng)低于揚(yáng)聲器保護(hù)的實(shí)際功率。

4 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。AB類是一種低成本方案,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(duì)散熱要求不高,芯片封裝尺寸也更小。此外,由于系統(tǒng)必須通過熱測(cè)試,所以還需考慮測(cè)試成本問題。

??? 為了簡(jiǎn)化兩類放大器的比較,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(jí),在給定的電源電壓(Vcc)?負(fù)載(Rl)和晶體管導(dǎo)通電阻R_DSON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BTL輸出,如圖2所示,流過兩個(gè)晶體管?R_DSON的輸出電流加倍。

?

?

??? 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=Ua²/R1,首先從直流分析入手。

??? AB類:

??? D_ab=[(Ua/R1)×(Vcc-Ua)]+I_Q×V_CC

??? 功耗等于輸出電流乘以輸出晶體管的壓降。

??? D類:

??? D_d=(Ua/R1)²×2×R_DSON+I_Q×V_CC

??? 功耗主要是電阻損耗:(I_O)²×R。

??? 兩類放大器都有一個(gè)公共項(xiàng):I_Q×V_CC,I_Q是靜態(tài)電流。AB類放大器利用這個(gè)電流降低交越失真;對(duì)于D類放大器,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:V_CC=12V;R1=8Ω;R_DSON=0.3Ω;I_Q=0.02A。

??? 首先,通過下式計(jì)算效率:效率=輸出電壓/輸入電壓=輸出電壓/(輸出電壓+損耗)

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

?

?

??? 下式用于計(jì)算輸出信號(hào)的擺幅:

???

??? 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,有兩個(gè)工作點(diǎn)除外:

??? 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(duì)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。

?

?

??? 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(hào)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(hào)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(hào)可以很好地模擬實(shí)際信號(hào),它與音樂信號(hào)具有相同的幅度分布,結(jié)果相同。

??? 為了對(duì)比實(shí)際的收聽效果和揚(yáng)聲器的功率處理能力,將X軸從輸出功率更改峰均比,因?yàn)榉寰冉o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(hào)通過仿真放大器時(shí),信號(hào)分布會(huì)發(fā)生變化,輸出信號(hào)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(huì)發(fā)生削波。圖5給出了3dB峰均比下的噪聲,輸出信號(hào)被嚴(yán)重削波。

?

?

??? 仿真時(shí),并不關(guān)心噪聲的頻譜,實(shí)際測(cè)試使用了IEC268-5信號(hào),因?yàn)橛行┓糯笃鲿?huì)衰減高頻部分。增益變化時(shí),可以計(jì)算可能造成的峰均比消耗(見圖5)。

??? 圖6為功耗與峰均比的關(guān)系,從左至右功耗增大,隨后,由于峰均比降低而減小。在15dB～12dB之間,信號(hào)被嚴(yán)重削波,聽眾會(huì)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(duì)應(yīng)于滿量程方波輸出。

?

?

??? 9dB是最合理的熱評(píng)估測(cè)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(cè)量時(shí),功耗比僅為2.53/0.994=2.55。

??? 仿真結(jié)果顯示,對(duì)于AB類的功放,熱設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是通過噪聲測(cè)試。如果所設(shè)計(jì)的放大器每通道能夠吸收3.05W功率,對(duì)于每通道2.53W的額定輸出功率也就不是問題了,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(cè)試非常相似,二者的輸出功率普遍采用正弦波進(jìn)行熱測(cè)試。當(dāng)然,測(cè)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IEC265噪聲測(cè)試結(jié)果。換句話說,采用正弦波評(píng)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(duì)于D類放大器,結(jié)果正好相反,噪聲測(cè)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,使用不同信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,所得結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

??? 使用正弦波測(cè)試D類放大器的熱特性時(shí),會(huì)造成系統(tǒng)規(guī)模過大,提高系統(tǒng)成本:

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

??? (2)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。

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

??? (4)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。

5 老化測(cè)試

??? 有時(shí)需要更加嚴(yán)格的熱性能評(píng)估,這種測(cè)試稱為“老化測(cè)試”。老化測(cè)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(cè)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(cè)試,與噪聲測(cè)試條件相比,散熱能力需要改善3.6倍。

??? 在CRT向平板電視的過渡過程中,需要更小尺寸?熱耗更小的放大器,因此推出了D類放大器。即使采用傳統(tǒng)的正弦波測(cè)試方法,D類放大器的熱耗也能降低2.5倍。

??? 當(dāng)然,工程師也必須應(yīng)對(duì)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(duì)于小封裝放大器使用裸焊盤散熱。在這里,重新考察一下測(cè)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(shì)。以下是推薦的方法:①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。②檢查輸入為噪聲信號(hào)或最差工作條件下(語音或音樂信號(hào))的熱容量,這應(yīng)該與增益設(shè)置相對(duì)應(yīng),保證即使在最大音量下,信號(hào)也不會(huì)被削波。