電視機(jī)音頻放大器―實(shí)現(xiàn)更輕薄的熱設(shè)計(jì)考慮

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)者來說是一個(gè)重要的指標(biāo)。而對(duì)于制造商來說，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)都沒有外接揚(yáng)聲器的端口，因此沒有辦法測(cè)試功放的輸出，因此也就沒有功率測(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?？梢圆捎貌煌燃安煌ㄐ蔚臏y(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。要通過熱穩(wěn)定性測(cè)試，無論是放大器還是揚(yáng)聲器都不能有任何的損壞。該功能測(cè)試通過評(píng)估溫度特性來檢查潛在的損壞。

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，因而無法模擬節(jié)目?jī)?nèi)容，如音樂或語音。節(jié)目信號(hào)的幅度應(yīng)該是全范圍信號(hào)，從靜音到過驅(qū)動(dòng)(削波)?？梢杂梅逯狄驍?shù)(crest factor)來很好地描述節(jié)目信號(hào)的幅度失真，該因數(shù)是音樂或語音信號(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?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，來還原音樂聲的長(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)生的最壞情況是沒有聲音，這會(huì)在放大器重新冷卻下來后自動(dòng)復(fù)位。由于揚(yáng)聲器過載會(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。不過這一點(diǎn)因需要采取的散熱措施少(散熱器小，或者就無需散熱器)以及IC的體積較小所補(bǔ)償。不過，系統(tǒng)仍然需要通過熱測(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(V_CC)、負(fù)載 (R_I)和R_DSON(輸出晶體管全導(dǎo)通的阻抗)來說，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，即輸出電流流過兩個(gè)晶體管且R_DSON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說功耗差別極大。讓我們從直流分析開始，輸出電壓為Ua (則輸出功率P=Ua2/R_I):

AB類：

Dab =[( Ua/ R_I) * (V_CC-Ua)] + I_Q *V_CC

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/R_I) 2 * 2*R_DSON + I_Q* V_CC

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I_Q * V_CC，其中I_Q為靜態(tài)電流。AB類放大器用該電流來減小交叉失真，而D類放大器中，該電流代表開關(guān)損耗。兩種放大器中該電流的幅度相同。

通過仿真可以進(jìn)行進(jìn)一步分析?？紤]常見的電視應(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)：

V_CC= 12 V

R_I = 8 Ω

R_DSON = 0.3 Ω

I_Q = 0.02 A

首先要確定效率，由下面的方程來計(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，反過來也可以說，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。無限過載：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(15.56 W)和失真(43.5%)。

由于效率對(duì)于電池供電的設(shè)備來說非常重要，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2.53W和0.994W。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或語音放大？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15.56W。

理想的噪聲源的峰值因數(shù)為無限大：其幅度分布符合具有明確差異但沒有峰值電壓限制的“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(見圖5)對(duì)應(yīng)的功耗。

在音樂功率非常集中的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3.05W，D類為0.388W。兩者的比值為3.05/0.388 = 7.86，而在進(jìn)行功率測(cè)試時(shí)，該比值僅為2.53/0.994 = 2.55。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)在于如何通過噪聲測(cè)試。一旦放大器設(shè)計(jì)能夠每通道吸收3.05W，則在每通道2.53W功耗的輸出功率上不會(huì)有太多的熱設(shè)計(jì)問題。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0.338W的功耗，而在額定輸出功率上實(shí)際功耗是1W，相差2.56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)過大，從而增加成本，因?yàn)椋篒C供應(yīng)商需要較大的芯片面積來減小R_DSON，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R_thja，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)1.41W，并且與AB類放大器沒有太大的不同。要通過這樣的測(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(語音或音樂)來檢測(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。