在電視機音頻放大器應用設計中實現更輕薄的考慮
2020-11-24 電子產品世界
所有內含音頻功率放大器的電子設備，例如立體聲電視機以及多通道AV接收機，通常都有一個重要的指標，即輸出功率，該指標是指所能提供的最大音量，這對於許多消費者來說是一個重要的指標。而對於製造商來說，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定性。關於這方面的測試標準會因不同公司而異。
通常用兩种放大器為電視機提供輸出功率，即AB類和D類放大器。向D類放大器的過渡主要是因為平板電視(LCD或等離子)的需要，因為在這類機子空間有限，因而散熱是一個問題。目前的測試標準是當年只有AB類放大器時所開發的標準，本文將討論該標準是否仍適用於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間內，以及在指定的頻率和總諧波失真(THD)範圍內放大器所能提供的總功率。例如，美國聯邦貿易委員會(FTC)規定的功率測試方法中，要求用1kHz的正弦波、以規定輸出功率的1/8對放大器進行一個小時的預熱。然後，放大器必須能夠連續5分鐘提供規定功率，當然，必須是在規定的THD和頻率範圍內。負載通常是一個4Ω或8Ω的電阻器，具體用哪一個取決於標稱的揚聲器阻抗。
由於絕大多數的電視機都沒有外接揚聲器的埠，因此沒有辦法測試功放的輸出，因此也就沒有功率測量的標準。通常標定功率的測試方法是，採用1kHz的信號，以10%的THD，至少連續10分鐘。
熱穩定性
該測試用來驗證整個設備的熱性能。測試時，將設備放入一個規定的最高環境溫度(通常為40℃)的測試間內進行。在設備內部溫度將會升高，這就使得放大器要承受更高的環境溫度。使用設備本身的揚聲器作為負載。可以採用不同幅度及不同波形的測試信號進行測試，這將在下一段中討論。
該測試需要幾個小時。測量使用紅外溫度計或熱電偶，但測量值與安全標準中規定的指標進行比較，例如最高PCB溫度和結溫。要通過熱穩定性測試，無論是放大器還是揚聲器都不能有任何的損壞。該功能測試通過評估溫度特性來檢查潛在的損壞。
測試信號
該熱穩定測試試圖模擬一個最壞情況下的真實情況，這種情況將會導致DVD和電視廣播中的音頻拖尾(audio track)。為了在每次測試中保證相同的測試結果，工程師應該使用標準的測試信號。一旦最終條件確定好後，它還應該提供穩定的溫度讀數。
正弦波能夠提供穩定的讀數，但因為其幅度隨時間變化，因而無法模擬節目內容，如音樂或語音。節目信號的幅度應該是全範圍信號，從靜音到過驅動(削波)。可以用峰值因數(crest factor)來很好地描述節目信號的幅度失真，該因數是音樂或語音信號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，還沒有涉及到我們所關注的放大器輸出信號的熱評估問題。信號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，當某人調高音量時峰值因數將會變化：因為峰值被限制住了，而平均功率仍在升高，因此峰值因數將會降低(這與放大器的輸入信號的變化不同)。最低的峰值因數取決於消費者所能接受的失真大小和設備的最大增益設置。在任何消費類應用中，理想的最壞情況測試都是指峰值因數最低。
同樣，揚聲器製造商也已經研究過合適的測試信號，揚聲器必須在處理放大器的輸出信號時沒有損壞和嚴重失真。絕大多數的製造商採用的是IEC268-5標準，其中規定的測試信號為：粉紅噪聲信號，即濾波後(即經過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，來還原音樂聲的長時間頻率分布(圖1)。
圖1：IEC268-5噪聲譜密度。
IEC268-5所規定的測試信號的峰值因數為6dB，這是最壞情況下的指標。使用該信號揚聲器所能處理的平均功率稱作為「連續功率」，不過絕大多數製造商都公布了「節目功率(program power)」，該功率比前者高3dB，用一個間斷的信號(依次循環地通一分鐘，斷一分鐘)測試。故揚聲器可以處理具有9dB峰值因數的削波信號。
峰值因數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的正弦波測量，因此，揚聲器的長期功率處理能力為6dB，小於放大器的額定功率。用於整個設備的最壞情況下的長期測試信號是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，這是正弦波測試儀器的最大輸出功率。
當考慮放大器的熱設計時，沒有理由要求處理比揚聲器規定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護，故會發生的最壞情況是沒有聲音，這會在放大器重新冷卻下來後自動復位。由於揚聲器過載會導致永久性的損壞，將放大器的熱限制設置到一個較低水平實際上是保護揚聲器的一個有效手段。
放大器的分類
電視機中可以採用兩種音頻放大器，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試中的具體表現。AB類放大器是一個低成本的重負荷解決方案，但其功耗太大，並需要體積很大的散熱器。D類放大器具有較高的效率，但缺點是價格太高。不過這一點因需要採取的散熱措施少(散熱器小，或者就無需散熱器)以及IC的體積較小所補償。不過，系統仍然需要通過熱測試，故測試策略決定放大器的成本。
為了簡化比較，假定兩种放大器的都是FET，而不是雙極輸出電晶體。對於指定的電源電壓(VCC)、負載 (RI)和RDSON(輸出電晶體全導通的阻抗)來說，最大輸出電壓對於兩種類型是一樣的，因為這是最大的輸出功率。另外還假定一個橋接負載(BTL)輸出，即輸出電流流過兩個電晶體且RDSON加倍(圖2)。
圖2：BTL放大器輸出級。
對於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/RI):
AB類：
Dab =[( Ua/ RI) * (VCC-Ua)] + IQ *VCC
產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/RI) 2 * 2*RDSON + IQ* VCC
產生的功率主要由阻性損耗構成，(輸出電流)2 * R
兩种放大器都有一個常係數：即IQ * VCC，其中IQ為靜態電流。AB類放大器用該電流來減小交叉失真，而D類放大器中，該電流代表開關損耗。兩种放大器中該電流的幅度相同。
通過仿真可以進行進一步分析。考慮常見的電視應用，既採用12V的電源，8Ω的揚聲器，並採用下列的參數數據：
VCC= 12 V
RI = 8 Ω
RDSON = 0.3 Ω
IQ = 0.02 A
首先要確定效率，由下面的方程來計算：
圖3圖示了正弦波的效率，還給出了輸出信號的失真。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係。
下列方程被用來計算最大輸出電壓幅擺：
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