教學實驗用音頻功率放大器專用高頻開關(guān)電源的設計

[摘要]音頻功率放大器對電源的要求比較特殊，一般電源很難滿足要求，而電源的好壞又很大程度上決定的功率放大器的音效好壞，本文根據(jù)教學實驗需要，分析了一種專門用于音頻功率放大器的高頻開關(guān)電源的設計方法，從而得出結(jié)論，認為高頻開關(guān)電源是可以用于高保真音頻功率放大器的。這使高頻開關(guān)電源的應用領域擴展到了高保真音頻功率放大器中，為以后的研究提供基本的理論基礎。

[關(guān)鍵詞]高頻開關(guān)電源 電磁兼容 音頻功率放大器 負載特性

一、引言

音頻功率放大器主要由前置級、音調(diào)級、功率放大級3部分組成。前置級要求輸入阻抗高、輸出阻抗小、頻帶寬、噪聲小；音調(diào)級對輸入信號主要起到提升、衰減作用；功率放大級是音頻功率放大器的主要部分，它決定輸出功率的大小，要求輸出效率高，輸出功率大的特點。對整機的要求是失真小、噪聲低，有較好的擴音效果。

通用的整流電源必須使用大容量變壓器，這樣才能保證相對較高的電氣性能。但是，可想而知，這樣電源系統(tǒng)的體積就會很大，相對笨重，成本也很高。一般的高保真音頻功率放大器都是使用這種整流電源來供電的。

為了得到質(zhì)量輕，體積小，成本低，而且電氣特性優(yōu)良的電源系統(tǒng)，我們首先想到了高頻開關(guān)電源，因為高頻的存在，使得用于變換的變壓器體積小，質(zhì)量輕。而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的成熟也能保證開關(guān)電源有很好的電氣特性。

眾所周知，因為音頻功率放大器要求電流變化的范圍等因素的存在，一般通用的開關(guān)電源在音頻功率放大器中表現(xiàn)欠佳，因此它在高保真音頻功率放大器中沒有獲得廣泛應用。所以開發(fā)音頻功率放大器專用開關(guān)電源就很必要了。

通過對一系列的實驗數(shù)據(jù)的分析我們發(fā)現(xiàn)，音頻功率放大器對電源供電系統(tǒng)的要求很特殊。所以我們又分析了開關(guān)電源的特點，綜合考慮，設計專用的開關(guān)電源。實驗和主觀聽音評價都表明，高頻開關(guān)電源在音頻功率放大器中表現(xiàn)得很優(yōu)秀。它完全可取代一般笨重的整流電源，成為高保真音頻功率放大器電源的主流。

二、電磁干擾問題

電磁干擾問題是在設計開關(guān)電源時一定要考慮的問題，而在音頻功率放大器中使用的開關(guān)電源我們就要更加注意此問題，因為電磁干擾是影響功放音質(zhì)表現(xiàn)的主要因素，開關(guān)電源電磁干擾的形成有很多種，其中典型的如以下幾個方面：

1.工頻信號的電磁干擾

顧名思義，工頻信號的來源是工頻電網(wǎng)中的電壓電流信號，一方面，工頻電壓中的基波分量本身就是一種干擾，只是干擾的頻段較低。所以在一般的開關(guān)電源中，工頻電壓的基波分量的影響幾乎不能查覺。另一方面，電力電子設備的出現(xiàn)，使電力控制等領域又有了實質(zhì)性的發(fā)展。但是同時也帶來負面影響。就是它會給電網(wǎng)帶來諧波污染，而這大量的諧波污染又會反過來影響電力電子設備的穩(wěn)定性。

2.功率變換管開關(guān)電磁干擾

在應用了PWM技術(shù)的開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管一般在高電壓和大電流或者以高頻開關(guān)方式下工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流一般都會畸變，例如，如果在阻性負載時，開關(guān)電壓和電流的波形會呈現(xiàn)出近似為方波的類型波，這樣，其中就一定含有大量的高次諧波分量。因為電壓差可以產(chǎn)生強電場、電流的流動可以產(chǎn)生強磁場，而且大量的諧波電壓電流的高頻部分在設備內(nèi)部會產(chǎn)生雜亂的電磁場，從而干擾設備內(nèi)部電路，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，性能降低。與此同時，由于電源變壓器存在的漏電感及分布電容和主功率開關(guān)管都不是工作在理想狀態(tài)，在開關(guān)管在用很高的頻率運做時，就會產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，這種諧波振蕩會產(chǎn)生高次諧波，就會通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路。

3.整流回路產(chǎn)生的電磁干擾

一般開關(guān)電源中有兩個整流回路：一次整流回路和二次整流回路，這兩者都不同程度的產(chǎn)生電磁干擾，雖然要經(jīng)過濾波處理，但是二次整流回路和一次整流回路都依然會有少量的諧波干擾，因為變換頻率遠高于工頻電網(wǎng)頻率50Hz。即，整流回路產(chǎn)生的電磁干擾也是一種高頻干擾。

綜合以上分析，我們可以看出，這些干擾有著共同的特性，那就是它們都是高頻干擾源。開關(guān)電源電磁干擾的頻率都高于開關(guān)電源的開關(guān)頻率。很多移動通信設備由于開關(guān)電源的電磁兼容性不好都影響了他們的正常工作。假如我們將開關(guān)頻率設計在100 kHz以上，即使對這些干擾不采取其他特別的措施，也不會影響到通頻帶相對比較窄的音頻功率放大器的正常工作。事實上，人們對于開關(guān)電源存在各種各樣的電磁干擾已經(jīng)做了各種努力，在幾十年的開關(guān)電源發(fā)展史中，人們也在降低其電磁干擾方面嘗試了很多的方法并有了一定的突破。例如，吸收電路可以降低電路中電壓和電流的變化率；用軟開關(guān)技術(shù)來修正電路的變換波形；使用EMI濾波技術(shù)抑制開關(guān)電源的傳導干擾；選擇合適的驅(qū)動電路，選用優(yōu)秀元器件(包括功率管、二極管、變壓器等)；進行合理的PCB布局、布線及接地，減小 PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾；加強屏蔽等措施。

三、音頻功率放大器對開關(guān)電源的基本要求

音頻功率放大器是一種功率經(jīng)常突變的負載，對電源要求是:功率儲備量大、反應迅速。對電源的功率儲備量大，是因為只有這樣才能應付各種音樂巨大的動態(tài)；要求電源反應迅速，是因為音頻功率放大器經(jīng)常處于負載的迅速變化中，電源的反應速度必須非常快，才能還原那些猝發(fā)性的高頻信號。大的功率儲備量和高反應速度是設計音頻功率放大器專用開關(guān)電源的兩條基本原則。通常的開關(guān)電源沒有在這兩方面做出特別的考慮，這正是它們無法適應音頻功率放大器的根本原因。事實表明依照這兩條原則設計出來的開關(guān)電源，在音頻功率放大器中的表現(xiàn)是優(yōu)秀的。

開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多，常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。

推挽變換器功率開關(guān)管承受的電壓應力高，只適用于低輸入電壓的場合，而且開關(guān)管關(guān)斷時漏感能量在開關(guān)管上引起高的電壓尖峰，給主功率變壓器的繞制提出了很高的要求，同時變壓器的偏磁問題給器件的一致性和驅(qū)動電路脈沖寬度的一致性提出了較高的要求。

在中大功率DC- DC變換器中一般采用全橋變換的電路結(jié)構(gòu)，全橋變換器有兩種典型的控制方式，即PWM控制和移相控制。PWM控制因為具有很多的優(yōu)良性能而應用得十分普遍，但是由于PWM控制變換器中的開關(guān)器件一直工作在硬開關(guān)狀態(tài)，每個周期都在高電壓下開通，大電流下關(guān)斷，使器件承受的開關(guān)應力大。另外，在高頻PWM中會產(chǎn)生相當大的開關(guān)損耗，且開關(guān)損耗會隨著開關(guān)頻率的提高而增大，使得開關(guān)電源效率無法提高。而采用軟開關(guān)技術(shù)的功率器件在零電壓、零電流的條件下導通或關(guān)斷，可以有效地降低開關(guān)管的損耗，因此理論上將開關(guān)管視為零損耗。采用移相控制軟開關(guān)變換技術(shù)，實現(xiàn)超前相臂和滯后相臂的軟開關(guān)方式有很多，也很復雜。

反激式開關(guān)電源的電路中存在一些電壓劇變的節(jié)點。和電路中其他電勢相對穩(wěn)定的節(jié)點不同，這些節(jié)點的電壓包含高強度的高頻成分。這些電壓變化十分活躍的節(jié)點稱為噪聲活躍節(jié)點。噪聲活躍節(jié)點是開關(guān)電源電路中的共模傳導干擾源，它作用于電路中的對地雜散電容就產(chǎn)生共模噪聲電流。因此，反激式開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾相對較大。

單端正激型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)比較簡單，已廣泛用于中小功率輸出場合。但是由于這種拓撲結(jié)構(gòu)的特點是功率變壓器工作在B-H曲線的第一象限，因此必須采用適當?shù)娜ゴ欧椒ǎ韵判膯蜗虼呕柡偷臐撛陔[患。

四、音頻功率放大器開關(guān)電源設計方法框圖

基于以上分析，我們能夠得出圖1所示的適合音頻功率放大器的開關(guān)電源基本工作框圖。

其中，PWM控制驅(qū)動電路是整個電路的控制核心，可以由單片機或DSP實現(xiàn)；直流輸出通過取樣電路、放大電路進入控制核心，與基準電壓比較，形成閉環(huán)。

五、結(jié)論

本設計方法既能用于直流電功率測量，又能用于低頻交流電功率測量，從直流到音頻范圍內(nèi)都能正常工作。由于采用有效值乘積的計算方式，不論對正弦單頻信號，還是復雜波形的音樂、語音信號，本設計方法直接給出的都是負載實際消耗的有功功率，滿度誤差一般不超過±3％，基本能夠滿足教學實驗的要求。且本設計方法的突出優(yōu)點是電路簡單可靠，工作頻率范圍寬，低成本，以有效值方式實現(xiàn)了有功功率的測量。既可單獨使用，也可直接內(nèi)嵌到相關(guān)設備中實現(xiàn)直流和低頻電功率的測量及數(shù)字顯示，非常適合教學實驗及科研使用，值得推廣。

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(作者單位：浙江理工大學信息與電子學院）