高頻開關(guān)電源在高保真音頻功放中的應(yīng)用研究

　　1 引言

　　一般高保真音頻功率放大器使用的電容濾波整流電源必須使用大容量變壓器才能保證較高的性能，因此電源系統(tǒng)存在體積大、質(zhì)量重、成本高等問題。設(shè)計(jì)良好的線性穩(wěn)壓電源，具有很高的性能，并可在一定程度上減輕電源系統(tǒng)的質(zhì)量。但由于穩(wěn)壓電路必須使用優(yōu)質(zhì)元件，這會進(jìn)一步降低電源的性價(jià)比。同時(shí)，穩(wěn)壓電路中的功率管因?yàn)楣ぷ髟诜糯髤^(qū)，消耗的功率較大，會導(dǎo)致電源系統(tǒng)效率的下降。

　　高頻開關(guān)電源(以下簡稱開關(guān)電源)具有體積小、質(zhì)量輕、效率高的特點(diǎn)，因而在電子產(chǎn)品中獲得了廣泛應(yīng)用。但由于一般的開關(guān)電源在音頻功率放大器中的表現(xiàn)并不盡如人意，因此它一直沒能在高保真音頻功率放大器中獲得廣泛應(yīng)用。

　　深入分析開關(guān)電源在音頻功率放大器中表現(xiàn)欠佳的原因，是開發(fā)音頻專用開關(guān)電源的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，基于對音頻功率放大器電源的特殊要求和開關(guān)電源特點(diǎn)的分析結(jié)果，采取針對性措施設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，在音頻功率放大器中表現(xiàn)得很優(yōu)秀。實(shí)驗(yàn)和主觀聽音評價(jià)都表明，它完全可取代其他形式的電源成為高保真音頻功率放大器電源的主流。

　　2 開關(guān)電源的電磁干擾并不是主要矛盾

　　一般認(rèn)為，開關(guān)電源的電磁干擾是影響其音質(zhì)表現(xiàn)的主要因素，然而通過對這些干擾頻率成分的分析，可以發(fā)現(xiàn)這實(shí)際上是一種誤解。

　　開關(guān)電源電磁干擾的形成有多種原因，主要包括如下幾個(gè)方面：

　　(1) 輸入電路的電磁干擾

　　工頻交流電經(jīng)過整流濾波后是以導(dǎo)通時(shí)間短、峰值大的脈沖電流方式提供能量的。這種脈沖電流包含一系列的諧波分量。這些諧波分量會沿著傳輸電路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。然而這種干擾并不是開關(guān)電源所特有的，它也出現(xiàn)在一般的使用電源變壓器的電容濾波整流電路中。因此這并不是開關(guān)電源的主要干擾。

　　(2) 開關(guān)回路產(chǎn)生的電磁干擾

　　開關(guān)回路產(chǎn)生的電磁干擾是開關(guān)電源的主要干擾源之一。開關(guān)電源的功率變換管工作在大電流開關(guān)狀態(tài)，其變換波形為矩形波。由于矩形波具有豐富的奇次諧波，因此，會產(chǎn)生特有的諧波干擾。

　　事實(shí)上，變換波形不可能是理想的矩形波，開關(guān)功率晶體管開啟和關(guān)斷瞬間矩形波會產(chǎn)生畸變。開關(guān)功率晶體管負(fù)載是高頻變壓器，由于高頻變壓器的初級線圈與儲存在開關(guān)管寄生電容中電荷的作用，在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級會出現(xiàn)很大的電流，會造成一種幅度較大的尖脈沖，疊加在矩形波的起始部分，其頻帶較寬且諧波豐富，會產(chǎn)生高頻干擾。當(dāng)原來飽和的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于變壓器的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在漏感中的這部分能量將和集電極(或漏極)電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，其特點(diǎn)也是諧波豐富，并且頻率很高。這些諧波干擾可以傳導(dǎo)到輸入輸出端對電網(wǎng)和負(fù)載形成傳導(dǎo)干擾。另外，由高頻變壓器的初級線圈、開關(guān)管和濾波電容等構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

　　(3) 二次整流回路產(chǎn)生的電磁干擾

　　二次整流回路一方面會產(chǎn)生和一次整流回路類似的諧波干擾，但由于變換頻率遠(yuǎn)高于工頻，因此這種干擾的頻率要高很多。另一方面二次整流二極管在正向?qū)〞r(shí)會使PN結(jié)內(nèi)的電荷積累，二極管加反向電壓時(shí)積累的電荷會消失并產(chǎn)生反向交流。由于開關(guān)管變換器的頻率較高，二極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短。因此，要在短時(shí)間內(nèi)使存儲的電荷迅速消失就會有很大的反向浪涌電流流過變壓器，在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下，也會形成頻率很高的電磁干擾。

　　縱觀這些干擾，可以看到，它們都是一些超過電源開關(guān)頻率的高頻干擾。文獻(xiàn)[3-4]指出：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。

　　電磁兼容性不好的開關(guān)電源確實(shí)會影響收音機(jī)、電視機(jī)、移動(dòng)通信設(shè)備等無線電設(shè)備的正常工作。但如果將開關(guān)頻率設(shè)計(jì)在100 kHz以上(采用MOS管一般可將開關(guān)頻率做到200 kHz)，即使對這些干擾不采取特別的措施，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(shí)上，正因?yàn)殚_關(guān)電源存在各種各樣的電磁干擾，在開關(guān)電源幾十年的發(fā)展過程中，人們也在降低其電磁干擾方面做出了很大的努力。通過吸收電路降低電路中電壓和電流的變化率;使用軟開關(guān)技術(shù)修正變換波形;使用EMI濾波技術(shù)抑制開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾;選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路，控制開關(guān)開啟和關(guān)斷時(shí)電壓和電流的變化率;優(yōu)選元器件(包括功率管、二極管、變壓器等);進(jìn)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?dāng)_;加強(qiáng)屏蔽等措施。設(shè)計(jì)出符合EMC(電磁兼容)標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源已不難。

　　3 音頻功率放大器開關(guān)電源形式的選擇

　　音頻功率放大器電源要求功率儲備量大，只有這樣才能應(yīng)付交響樂巨大的動(dòng)態(tài);同時(shí)由于經(jīng)常處于負(fù)載的迅速變化中，電源的反應(yīng)速度必須非?？欤拍苓€原那些猝發(fā)性的高頻信號。大的功率儲備量和高反應(yīng)速度是設(shè)計(jì)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(yīng)音頻功率放大器的根本原因。事實(shí)表明依照這兩條原則設(shè)計(jì)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。半橋式變換器電路因?yàn)楸绕胀▎味耸诫娐份敵龉β蚀蟮枚啵容^適合在瞬時(shí)輸出功率大、動(dòng)態(tài)范圍大的音頻功率放大器中使用，此外高頻變壓器初級在整個(gè)周期中都流過電流，能防止高頻變壓器磁芯出現(xiàn)單向偏磁發(fā)生磁飽和，磁芯體積利用得更加充分，在同樣的功率下磁芯可用得更小。同時(shí)它又克服了推挽式電路的缺點(diǎn)，對功率晶體管配對程度要求較低，對晶體管耐壓和輸入濾波電容耐壓要求也比較低。加上它比全橋式變換器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，所以它是音頻功率放大器開關(guān)電源首選的變換形式。

　　開關(guān)電源的穩(wěn)壓是通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的占空比來實(shí)現(xiàn)的。常用的改變占空比的控制方式有2種：即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)和脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，PFM)。脈沖寬度調(diào)制器根據(jù)開關(guān)電源輸出電壓，自動(dòng)地改變方波脈沖寬度，從而改變功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，以此穩(wěn)定開關(guān)電源的輸出電壓。脈沖頻率調(diào)制器則保持導(dǎo)通時(shí)間不變，根據(jù)開關(guān)電源輸出電壓，自動(dòng)地改變方波頻率而改變占空比。由于頻率控制方式的工作頻率是變化的，后續(xù)電路濾波器的設(shè)計(jì)比較困難，因此，音頻功率放大器的開關(guān)電源也與絕大部分的開關(guān)電源一樣，適宜采用PWM控制。

　　大多數(shù)開關(guān)電源均采用電壓型控制電路。其基本工作過程為：比較電路將經(jīng)采樣后的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)某種因素引起輸出電壓變化時(shí)，比較結(jié)果將產(chǎn)生誤差信號，開關(guān)電路的脈沖寬度則受放大后的誤差信號控制，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓之目的。這種控制方式與文獻(xiàn)[2]中分析的具有比較放大電路的線性穩(wěn)壓電源存在相似的缺點(diǎn)：誤差放大電路會影響電源的瞬態(tài)響應(yīng)，當(dāng)負(fù)載迅速變化時(shí)因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的滯后，電源輸出電壓會出現(xiàn)瞬間下跌。因?yàn)榫w管音頻功率放大器等價(jià)于一個(gè)阻抗迅速變化的負(fù)載，而采用電壓型控制電路的開關(guān)電源因不能跟蹤這種迅速變化，所以并不適合于音頻功率放大器。

　　從電源的輸出端看，由于輸出電壓相對比較穩(wěn)定，△U總是比較小的，誤差信號必須經(jīng)過放大才能驅(qū)動(dòng)PWM電路。反觀輸出電流，由于總體來說電源內(nèi)阻較小，因此只要有微小的△U，就會反應(yīng)為很大的△I。如果將△I直接加到PWM電路中去，利用它控制脈沖寬度，從而調(diào)整輸出電壓，就跳過了誤差放大環(huán)節(jié)，電源的反應(yīng)速度將大大提高。這就是電流型控制電路。因此，采用電流型控制電路的開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)(達(dá)10μs級)要遠(yuǎn)優(yōu)于電壓型控制電路(僅ms級)。由于電源的內(nèi)阻不是線性電阻，電流控制比較難實(shí)現(xiàn)高精度。因此，晶體管音頻功率放大器開關(guān)電源應(yīng)該同時(shí)引入2種控制方式。

　　開關(guān)干擾雖不是影響音質(zhì)的主要因素，但為了達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，采取了各種常規(guī)的抑制干擾措施，并加上軟開關(guān)技術(shù)。圖1是適合音頻功率放大器的開關(guān)電源工作流程圖。

　　依照圖1設(shè)計(jì)的1 000W，