??? 摘?? 要: 介紹了超薄系統(tǒng)設(shè)計過程中關(guān)于音頻放大器的熱測試" title="熱測試">熱測試問題。分析了熱測試所采用的測試信號" title="測試信號">測試信號;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; 熱測試; 超薄系統(tǒng)
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??? 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,都有一個共同重要指標——輸出功率。這項指標為最終用戶提供設(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)注該項指標。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試標準。
??? 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D類放大器發(fā)展的主要動力,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準是在只有AB類放大器的時代推出的,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。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。負載通常為4Ω或8Ω,具體取決于揚聲器的標稱阻抗。
??? 因為大多數(shù)電視機沒有外部揚聲器的連接端,無法測試其功放輸出,也沒有功率測量的法定標準。通常,標稱功率的測量使用1kHz?THD小于10%的信號,功率輸出至少10min。
2 熱穩(wěn)定性
??? 該測試提供電視機的整體熱容量,電視機被放置在一個最高環(huán)境溫度(典型值為40℃)的溫箱內(nèi),電視機內(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。電視機通常使用原配的揚聲器。這個測試需要持續(xù)幾個小時,從而建立各部分的最終溫度。然后,用紅外溫度計或熱電偶進行檢測,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)進行比較。熱穩(wěn)定測試中,無論是功放還是揚聲器都不允許任何損壞。這種功能測試是通過評估溫度模板檢驗潛在的危險因素。
3 測試信號
??? 熱穩(wěn)定性測試力圖仿真最惡劣的工作環(huán)境,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準的信號源,以便每次測試時得到相同的結(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源,因為這些信號的幅度是隨時間變化的,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為參考測試信號。按照表1,可以得到與真實信號非常接近的仿真信號。
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??? 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" title="輸出電壓">輸出電壓。因此,當調(diào)高音量時,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)嚴重的失真。大部分制造商遵循IEC268-5標準,該標準定義了測試信號: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,接近于音樂的頻譜分布,如圖1所示。
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??? IEC 268-5 測試信號的峰均比為6dB,被視為最差指標。揚聲器能夠處理的這個信號的平均功率稱為“連續(xù)功率”指標,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,整個裝置的連續(xù)測試信號為IEC268噪聲,其RMS功率比峰值功率低9dB,比最大正弦波功率低6dB,這是正弦波測試的最大輸出功率。
??? 設(shè)計放大器的熱容量時,不必考慮高于揚聲器所能處理的功率。集成放大器通常帶有熱保護,功放過熱時將放大器置于靜音狀態(tài),功放冷卻后自動恢復(fù)工作。因為放大器過載可能導(dǎo)致放大器永久性損壞,所以放大器的熱保護門限應(yīng)低于揚聲器保護的實際功率。
4 放大器類型
??? 電視機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,缺點是價格昂貴。不過,這一缺陷可以通過一定方式補償,因為D類放大器對散熱要求不高,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,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BTL輸出,如圖2所示,流過兩個晶體管?RDSON的輸出電流加倍。
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??? 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:
??? Dab=[(Ua/R1)×(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/R1)2×2×RDSON+IQ×VCC
??? 功耗主要是電阻損耗:(IO)2×R。
??? 兩類放大器都有一個公共項:IQ×VCC,IQ是靜態(tài)電流。AB類放大器利用這個電流降低交越失真;對于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。通過仿真可以進行深入分析,選擇一個通用的TV裝置,采用12V電源?8Ω揚聲器,具體參數(shù)如下:VCC=12V;R1=8Ω;RDSON=0.3Ω;IQ=0.02A。
??? 首先,通過下式計算效率: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。
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??? 下式用于計算輸出信號的擺幅:
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??? 總諧波失真為10%時,輸出功率為10W,這時的輸出功率被認為是系統(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,有兩個工作點除外:
??? 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,電源設(shè)計人員更加關(guān)注放大器的功耗。圖4給出了正弦輸入時,兩類放大器在不同增益下的功耗曲線。
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??? 額定輸出功率10W時,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,D類放大器功耗降低,而AB類放大器功耗增大。
??? 當放大器用來放大音樂或語音信號時,這些結(jié)果與實際情況如何關(guān)聯(lián)呢?
??? 通過噪聲信號可以很好地模擬實際信號,它與音樂信號具有相同的幅度分布,結(jié)果相同。
??? 為了對比實際的收聽效果和揚聲器的功率處理能力,將X軸從輸出功率更改峰均比,因為峰均比給出了系統(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。當信號通過仿真放大器時,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,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。
??? 高峰均比時很少發(fā)生削波,但當增益提高時通常會發(fā)生削波。圖5給出了3dB峰均比下的噪聲,輸出信號被嚴重削波。
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??? 仿真時,并不關(guān)心噪聲的頻譜,實際測試使用了IEC268-5信號,因為有些放大器會衰減高頻部分。增益變化時,可以計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,信號被嚴重削波,聽眾會調(diào)低音量。9dB是揚聲器廠家認為可以接受的最大峰均比。0dB對應(yīng)于滿量程方波輸出。
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??? 9dB是最合理的熱評估測試點,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,功耗比僅為2.53/0.994=2.55。
??? 仿真結(jié)果顯示,對于AB類的功放,熱設(shè)計的挑戰(zhàn)是通過噪聲測試。如果所設(shè)計的放大器每通道能夠吸收3.05W功率,對于每通道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。
??? 因為兩種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行熱測試。當然,測試中使用正弦波也很容易建立試驗環(huán)境,但所得到的功耗低于IEC265噪聲測試結(jié)果。換句話說,采用正弦波評估AB類放大器的熱性能時,所得結(jié)果低于揚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,而額定輸出功率時需要耗散的功率是1W,相差2.56倍。因此,使用不同信號進行測試,所得結(jié)果相差甚遠。
??? 使用正弦波測試D類放大器的熱特性時,會造成系統(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RDSON,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Rthja(Rthja是芯片與環(huán)境之間的熱阻)。
??? (4)如果利用PCB散熱,需要仔細布設(shè)大面積的連續(xù)覆銅層。這些覆銅層用于傳導(dǎo)熱量,而且需要使用多個過孔在層與層之間導(dǎo)熱。
5 老化測試
??? 有時需要更加嚴格的熱性能評估,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。
??? 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)的正弦波測試方法,D類放大器的熱耗也能降低2.5倍。
??? 當然,工程師也必須應(yīng)對一個新的挑戰(zhàn)——解決EMI問題,需要設(shè)計輸出濾波器,對于小封裝放大器使用裸焊盤散熱。在這里,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。