電視音頻放大器—超薄系統(tǒng)的熱測(cè)試考慮

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(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(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(LCD和等離子)電視是推動(dòng)D類放大器發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，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(cè)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(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(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10分鐘。

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°C)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。

測(cè)試采用了不同的信號(hào)波形和幅度。這種功能測(cè)試通過*估溫度模板檢驗(yàn)潛在的危險(xiǎn)因素。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。

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，此時(shí)，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，測(cè)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(yǔ)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(音樂或語(yǔ)音信號(hào)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(hào)。

表1. 真實(shí)信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的峰值

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)。

到目前為止，我們一直都在討論信號(hào)源，而我們真正關(guān)心的是對(duì)應(yīng)于放大器輸出信號(hào)的熱性能。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，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(hào))。

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IEC 268-5標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了測(cè)試信號(hào)：pink噪聲(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(圖1)。

圖1. IEC 268-5噪聲頻譜密度

IEC 268-5 測(cè)試信號(hào)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(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輸出功率。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(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，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(cè)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(duì)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(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，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(jí)，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(jí)

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(duì)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(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。

圖3. 效率與輸出功率

下式用于計(jì)算輸出信號(hào)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(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。

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(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(yǔ)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(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)，我們并不關(guān)心噪聲的頻譜，實(shí)際測(cè)試使用了IEC 268-5信號(hào)，因?yàn)橛行┓糯笃鲿?huì)降低高頻部分的效率。

改變?cè)鲆鏁r(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(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*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)果顯示了重要的信息。

對(duì)于AB類功放，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(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推薦噪聲測(cè)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(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，使用哪種信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

因此，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。對(duì)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(cè)試

有時(shí)需要更加嚴(yán)格的熱性能*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。

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(cè)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(hào)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(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?，F(xiàn)在，我們重新考察一下測(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(hào)或最差工作條件下(語(yǔ)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。