電視音頻放大器—超薄系統的熱測試考慮

引言

所有內置音頻功放的設備，例如：立體聲系統、電視和多通道音視頻接收機，都有一個共同重要指標：輸出功率。這項指標為最終用戶提供設備所能輸出的最大功率指示，多數客戶可能非常關注該項指標。

對於製造商來說，不僅需要測試輸出功率，還要測試在惡劣環境下能夠保障電視機正常工作的熱穩定性。目前，各家公司可能採用不同的測試標準。

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D類放大器發展的主要動力，D類放大器解決了平板電視的空間限制和散熱問題。而目前使用的測試標準則是在只有AB類放大器的時代推出的，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間、特定的信號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：聯邦商業委員會(FTC)規定，在測試功率之前，首先輸出1kHz的正弦信號、輸出功率為額定功率的1/8，預熱1小時。然後，由放大器輸出滿足特定THD和頻率範圍要求的額定功率5分鐘。負載通常為一個4Ω或8Ω電阻，具體取決於揚聲器的標稱阻抗。

因為大多數電視機沒有外部揚聲器的連接端，無法測試其功放輸出，也沒有功率測量的法定標準。通常，標稱功率的測量使用1kHz、THD小於10%的信號，功率輸出至少10分鐘。

熱穩定性

該測試提供電視機的整體熱容量，電視機被放置在一個最高環境溫度(典型值為+40°C)的溫箱內，電視機內部的溫度會更高，因而放大器的工作溫度略高於環境溫度。電視機通常使用原配的揚聲器。

測試採用了不同的信號波形和幅度。這種功能測試通過*估溫度模板檢驗潛在的危險因素。這個測試需要持續幾個小時，從而建立各部分的最終溫度。然後，用紅外溫度計或熱電偶進行檢測，最後將測量結果與安全規範(例如：最大PCB溫度或結溫)進行比較。熱穩定測試中，無論是功放還是揚聲器都不允許任何損壞。

測試信號

熱穩定性測試力圖仿真最惡劣的工作環境，此時，音頻信號可能來自DVD和電視廣播設備，但工程師需要使用標準的信號源，以便每次測試時得到相同的結果。建立最終的條件後，測試應保證穩定的溫度讀數。

當正弦波建立穩定的讀數後，它們並不是模擬音樂或語音信號源，因為這些信號的幅度是隨時間變化的，信號幅度範圍從靜音到過驅動(箝位)。幅度分布由振幅因數描述，它是(音樂或語音信號源)峰值功率與平均功率的比值，用dB表示，以下統稱為峰均比。

可以考慮下面表1列出的信號。

表1. 真實信號及其對應的峰值

按照表1，可以得到與真實信號非常接近的仿真信號。

到目前為止，我們一直都在討論信號源，而我們真正關心的是對應於放大器輸出信號的熱性能。信號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，當我們調高音量時，峰值被削波，而平均功率增大，所以峰均比下降(不同於放大器的輸入信號)。

最小峰均比取決於用戶能夠接受的音頻失真程度和設備所能提供的最大增益。消費類電子中，測試信號的最小峰均比最好出現在最惡劣的情況下。

揚聲器製造商經過調查研究，發現了一些合適的測試信號。揚聲器必須能夠處理放大後的信號，而且不會損壞或出現嚴重的失真。大部分製造商遵循IEC 268-5標準，該標準定義了測試信號：pink噪聲(經過濾波(40Hz高通、5kHz低通，2階)後的混合頻率信號)接近於音樂的頻譜分布(圖1)。

圖1. IEC 268-5噪聲頻譜密度

IEC 268-5 測試信號有6dB的峰均比，被視為最差指標。揚聲器能夠處理的這個信號的平均功率稱為「連續功率」指標，但大部分製造商公開的是「節目功率」，功率高出3dB，採用閃爍信號(一分鐘打開，一分鐘關斷)測試，因此，揚聲器能夠處理峰均比為9dB的鉗位信號。

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試，其峰均比為3dB；可處理的連續功率比額定放大器功率低6dB。最差情況下，整個裝置的連續測試信號為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，這是正弦波測試的最大輸出功率。

設計放大器的熱容量時，不必考慮高於揚聲器所能處理的功率。集成放大器通常帶有熱保護，功放過熱時將放大器置於靜音狀態，功放冷卻後自動恢復工作。因為放大器過載可能導致放大器永久性損壞，放大器的熱保護門限應低於揚聲器保護的實際功率。

放大器類型

電視機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，缺點是價格昂貴。不過，這一缺陷可以通過一定方式補償，因為D類放大器對散熱要求不高(僅需小尺寸散熱器或無需散熱器)，IC封裝尺寸也更小。此外，由於系統必須通過熱測試，所以還需考慮測試成本問題。

為了簡化兩類放大器的比較，我們假設兩种放大器都使用FET (而非雙極型)電晶體作為輸出級，在給定的電源電壓(VCC)、負載(RL)和電晶體導通電阻(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。

假設採用橋接負載(BTL)輸出，流過兩個電晶體、RDSON的輸出電流加倍(圖2)。

圖2. BTL放大器的輸出級

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

功耗等於輸出電流乘以輸出電晶體的壓降。

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公共項：IQ × VCC，其中IQ是靜態電流。AB類放大器利用這個電流降低交越失真，而對於D類放大器，該電流代表開關損耗。兩類放大器具有相同的靜態電流幅度。

通過仿真我們可以進行深入分析，選擇一個通用的TV裝置，採用12V電源、8Ω揚聲器，具體參數如下：

VCC = 12V
Rl = 8Ω
RDSON = 0.3Ω
IQ = 0.02A

圖3給出了正弦輸入時的效率以及輸出信號失真，失真是由於鉗位造成的，即電源電壓的限制產生的。

圖3. 效率與輸出功率

下式用於計算輸出信號的最大擺幅：

總諧波失真為10%時，輸出功率為10W，這時的輸出功率被認為是系統的最大輸出功率。

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，圖中僅在兩個工作點處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功耗，假設二者相同。

無限過載：即使是AB類放大器也產生方波輸出，電晶體處於飽和狀態，此時兩類放大器具有相同效率、功耗、輸出功率(15.56W)及失真(43.5%)。

對於電池供電產品，效率是至關重要的指標，電源設計人員更加關注放大器的功耗。圖4給出了正弦輸入時，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，AB類放大器的功耗為2.53W，D類放大器的功耗為0.994W。輸入信號電平較低時，D類放大器功耗降低，而AB類放大器功耗增大。

當放大器用來放大音樂或語音信號時，這些結果與實際情況如何關聯呢? 通過噪聲信號可以很好地模擬實際信號，它與音樂信號具有相同的幅度分布，結果相同。

為了對比實際的收聽效果和揚聲器的功率處理能力，將x軸從輸出功率更改為峰均比，峰均比給出了系統平均輸出功率和峰值輸出功率(15.56W)的關係。

理想的噪聲源峰均比為無窮大，其幅度變化符合「正態分布」，但峰值沒有限制。當信號通過仿真放大器時，信號分布會發生變化—輸出信號幅度受到電源電壓的限制。系統增益變化時，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。

高峰均比時很少發生削波，但當增益提高時通常會發生削波。圖5給出了3dB峰均比下的噪聲，輸出信號被嚴重削波。

仿真時，我們並不關心噪聲的頻譜，實際測試使用了IEC 268-5信號，因為有些放大器會降低高頻部分的效率。

改變增益時，可以計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，隨後，由於峰均比降低而減小。

在15dB至12dB之間，信號被嚴重削波，聽眾會調低音量。

9dB是揚聲器廠家認為可以接受的最大峰均比。

0dB對應於滿量程方波輸出。

9dB是最合理的熱*估測試點，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；在額定功率測量時，功耗比僅為2.53/0.994 = 2.55。

仿真結果顯示了重要的信息。

對於AB類功放，熱設計的挑戰是通過噪聲測試。如果所設計的放大器每通道能夠吸收3.05W功率，對於每通道功耗為2.53W的額定輸出功率也就不是問題，可以連續輸出額定功率。

因為兩種類型放大器的功耗測試非常相似，二者的輸出功率普遍採用正弦波進行熱測試。當然，測試中使用正弦波也很容易建立試驗環境，但所得到的功耗低於推薦噪聲測試的結果。

換句話說，採用正弦波*估AB類放大器的熱性能時，所得結果低於揚聲器能夠處理的功率。

對於D類放大器，結果正好相反，噪聲測試功耗為0.388W，而額定輸出功率時需要耗散的功率是1W，相差2.56倍。因此，使用哪種信號進行測試，所得結果相差甚遠。

因此，使用正弦波測試D類放大器的熱特性時，會造成系統規模過大，提高系統成本。對於D類放大器，可以得出以下結論：

IC供應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，以降低晶片與PCB或散熱片之間的熱阻。

製造商需要提供小的散熱片或採用多層PCB，以獲得較小的RθJA，RθJA是晶片與環境之間的熱阻。

如果利用PCB散熱，需要仔細布設大面積的連續覆銅層。這些覆銅層用於傳導熱量，而且需要使用多個過孔在層與層之間導熱。

老化測試

有時需要更加嚴格的熱性能*估，這種測試稱為「老化測試」。老化測試採用了音頻處理器所能處理的最大電壓作為功放輸入，從而產生類似於方波的輸出。該測試中，每通道功耗高達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試，與噪聲測試條件相比，散熱能力需要改善3.6倍。

結論

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，廠商基於這一需求推出了D類放大器。即使採用傳統的正弦波測試方法，D類放大器的熱耗也能降低2.5倍，但是，當使用噪聲信號進行熱分析時，熱耗可進一步降低2.6倍。

當然，工程師也必須應對一個新的挑戰：解決EMI問題，需要設計輸出濾波器，對於小封裝放大器使用裸焊盤散熱。現在，我們重新考察一下測試方法，以便了解D類放大器所具備的節省成本的優勢。

以下是推薦方法：

檢查突發模式的輸出功率，在滿足THD的要求下採用滿功率正弦波。

檢查輸入為噪聲信號或最差工作條件下(語音或音樂信號)的熱容量，這應該與增益設置相對應，保證即使在最大音量下，信號也不會被削波。