提高功放輸出功率及可靠性參考

1、提高聲頻功率放大器輸由功率和可靠性的方法探討問題的解決內容提要本文總結了設計大功率聲頻功率放大器會出現(xiàn)的某些問題, 方案，并對大功率聲頻功率放大器的可靠性設計進行了討論。關鍵詞 OCL功放管耗效率耐壓溫度補償可靠性隨著音響技術的發(fā)展，人們對單臺聲頻功率放大器（下稱功放）的輸出功率的需求越來 越大,從以前的幾十瓦到現(xiàn)在的幾百瓦幾千瓦，甚至幾十千瓦。工程師們在將輸出功率做得 越來越大的同時，遇到了諸多的問題，例如半導體器件的耐壓問題、 功率管的溫度補償問題、 影響可靠性的一些問題、功放效率問題等等，筆者就這些問題進行了有益的探索。,問題的提出（圖一典型的OCL功放電路）本文討論的功放基于被廣泛使用

2、的甲乙類功放，并以常見的OCL功放為例（參見 圖一）。這類功放的技術已發(fā) 展得相當成熟，其各項指標可 以做得非常好.但隨著設計人 員在將功放的輸出功率做得 越來越大的同時，遇到了一些 新的問題，大致歸納如下：1,半導體器件的耐壓問 題。功放的輸出功率越大，其 直流供電電壓就越高， 以單聲 道輸出功率1000W（8歐姆負載）計，負載電壓約90V,所以其直流供電需達正負150V以上，那么功放的輸出功率級、電壓放大級的三極管耐壓則至少需要150V乘以2,即300V以上。目前市場上應用廣泛的音響功率管極少能達到如此高的耐壓，傳統(tǒng)的OCL電路遇到了器件耐壓的挑戰(zhàn)。（市面上最常 見的音頻輸出功率管是 2S

3、C5200、2SA1943對管，其標稱白耐壓值為 230V）。一<-工 F2111m匚.二日.C04 a.H lr21 毒2JDBASS EMimR VOLTAGE VQE <V1圖二某功率管的溫度特性2,溫度補償問題。為了消除所謂的“交越 失真”，使功放工作在甲乙類狀態(tài)，需要使每對 功率管微導通（有合適的靜態(tài)電流）。多數(shù)功率管廠家推薦，每只功率管的靜態(tài)電流應在5毫安至30毫安之間。功率管的靜態(tài)電流由其基極偏 置電壓決定，通過圖二某功率管的溫度特性可以 看到，功率管的基極偏置電壓須隨溫度變化而自 動調整，這樣才能保證靜態(tài)電流的穩(wěn)定。（圖二中， 溫度為負25攝氏度時，功率管起始導通偏

4、置電 壓為0.7V,正25攝氏度時為0。6V,在100攝氏 度時僅為0.4V。請注意，在100攝氏度時如果 功率管基極偏置為 0.6V,這時靜態(tài)電流達 2安 培?。┰S多設計人員都遇到過這樣的問題：剛剛調好靜態(tài)工作點（如設定為 5毫安）的電路板，幾分鐘后即發(fā)生了顯著的變化，（靜態(tài)電流忽然變成十幾毫安，或忽然沒了），并且飄忽不定，不能穩(wěn)定在一個具體的數(shù)值。這主要是由 于溫度補償電路的溫度采樣延時 ，以及采樣點不同、電路參數(shù)偏差等原因造成的，電路不可 能補償?shù)脛偤脺蚀_。溫度補償電路應設計得略微過補償，（即：溫度變化時，自動將功率管的基極偏置電壓過度調節(jié)），否則，如果補償不夠，由靜態(tài)功耗產(chǎn)生的溫升又導

5、致靜態(tài)電流 繼續(xù)加大而進一步升溫 形成惡性循環(huán)，使靜態(tài)電流遠遠偏離設定值。功放機在批量生產(chǎn) 時，溫度采樣會有很大離散性（如功率管安裝的緊固程度、絕緣片的傳熱特性、溫度采樣元 件位置及緊固程度等），這些都是在設計溫度補償時要考慮的因素。即不能欠補償，過補償太多也是不行的，過補償太多時，靜態(tài)電流則會趨向于減少到零，失去了溫度補償?shù)囊饬x，并 可能引起功放自激，這種自激在實踐中經(jīng)常得到驗證，估計是功率管在臨界導通時的放大倍數(shù)不穩(wěn)定所導致。有經(jīng)驗的設計人員都十分重視溫度補償電路的過補償設計，它實際上除了對音質有較大的影響，還影響了功放的可靠性。即使靜態(tài)溫度補償非常合理，但是，在功放有信號輸出時又存在另外

6、的問題。功放在播放音樂時，音樂信號時大時小，在功率管內的管芯上產(chǎn)生的溫度也是忽高忽低的，而溫度采樣電路采集到的是變化緩慢的平均溫度，管芯瞬時溫度比它要高得多，由于靜態(tài)溫度補償不能極快地調整功率管的偏置電壓 ，這時將導致功率管的管芯高溫時其靜態(tài)電流激增，繼而造 成管芯溫度又激增 在這種惡性循環(huán)下，容易引發(fā)功率管白二次擊穿，功率管極易損壞.為了避免這一問題，工程師們目前的辦法是，第一，設計合適的發(fā)射極電阻，自動限制電流的無限上升；第二，使用許多功率管， 來保證每只管芯上只產(chǎn)生較少的熱量，實際上是用犧牲成本的辦法來換取可靠性.（理論上，輸出1000W功率只需要總的管耗不小于 400W的功率 管，通常

7、只需兩對管即綽綽有余，但實際上工程師會用到多達十幾對的功率管。）值得一提的是，有一些功率管（如 SAP15對管），其內部已經(jīng)帶有了溫度采樣元件，所以用這些功率 管做的電路，其音質和可靠性確實會好得多，但這類功率管由于其耐壓、功率及成本等諸多 限制，并未獲得普遍應用，而且其補償速度雖然大大加快，但仍然會滯后于管芯瞬時溫度的 變化。下文會介紹一種電路結構，能完全避免這一惡性循環(huán)的狀況徹底改善由溫度補償導致的問題。 個人收集整理，勿做商業(yè)用途3,影響功放可靠性的一些情況。功放一向是音響系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，以至許多音響系統(tǒng)需要加入備用功放以提高其系統(tǒng)的可靠性。導致功放可靠性差的原因非常多，提高功放的可

8、靠性的方法和措施也很多，非三言兩語可說清楚。常見提高可靠性辦法是令功率管的管芯 溫度盡量遠離極限結溫，包括：加強散熱，增加功率管的數(shù)量、減少產(chǎn)熱提高效率等.即便這樣，也還是有很多問題 （包括上述因溫度補償延遲而導致問題），并且筆者在長期的設計工作中發(fā)現(xiàn)，許多音響系統(tǒng)往往是在發(fā)生嘯叫、信號大到失真或開關機強信號沖擊之時損壞功放（或功放無故進入保護狀態(tài)，下略），并追蹤找到了一些原因。筆者總結認為，功放損壞的原因，排除器件不良的因素外，基本上都是功率管超出安全工 作區(qū)而引起。在音響系統(tǒng)在發(fā)生嘯叫或強信號沖擊之時為什么容易損壞呢？筆者作了深入觀 察，發(fā)現(xiàn)它們都是在輸入信號太強，輸出波形嚴重削波時出現(xiàn)的

9、。在輸出波形削波的時刻，電壓放大級的三極管幾乎工作在開關狀態(tài)，眾所周知，三極管在開關狀態(tài)工作時，如果不采取抗飽合措施，則三極管的關閉過程會有個顯著的延遲，由于電壓放大級通常也是以成對三極管（下稱“上管”和“下管”）工作的，于是，在削波狀態(tài)下，上管導通時，下管還未截止， 亦或下管導通時，上管也還未截止，這時便會在兩只三極管同時導通時出現(xiàn)一個電流尖峰， 這一電流尖峰饋送到功率輸出級，致使功率輸出管超出安全工作區(qū)，進而引發(fā)故障。許多工斜極電海攜形輸電電5波軍圖三電流尖峰出現(xiàn)的位置程師往往注重功放的閉環(huán)工作指標，卻 忽略了功放在過激勵狀態(tài)下會發(fā)生的問 題，筆者用示波器觀察了眾多的功放（電壓放大發(fā)射極電

10、阻或輸出電流采樣電阻 上的波形），發(fā)現(xiàn)這種致命的電流尖峰（圖三）竟然廣泛存在！順便一提，在公共廣播功放中，通常 采用線間變壓器輸出，以得到合適的、 多組的的傳輸電壓。它的功放組件如果削波嚴重，將出現(xiàn)很低的頻率成分 （直流）輸出，由于線間變壓器對直流幾乎處于短路狀態(tài)， 所以功放會出現(xiàn)故障。此外功放輸入頻率很低時也有同樣問題，故而必須在功放輸入端將低頻濾除.這兩個問題只有在公共廣播功放中才有，不是本文討論的重點。4,功放效率問題。提高功放效率，節(jié)能環(huán)保不是最重要的目的.效率提高后，功放的產(chǎn)熱 少了，功率管溫度低了，可靠性自然得到提高.所以在近年來的功放設計潮流中，提高效率成 了工程師們重要的目標。

11、 理論上功率管處于開關狀態(tài)的功放是效率最高的，但它在大功率方H類功放和G類，自動選擇供理論上乙類滿功率狀態(tài)的效率為78。5%,乙類互補功放一側輸出管的管耗為1VoPT1 (Ec Vo) d( t)2 oR1(Ec Vom sin t)20Vom sin tRid( t)式中Ec為供電電源電壓， Vom為輸出電壓幅值，Ri為等效負載電阻。由式（1）可見，如果令 Ec完全跟隨著輸出電壓變化，即令Ec的瞬時值ec=Vom sin t （2）則式（1）中的被積函數(shù)即為零。但式（2）是不可能實現(xiàn)的，實際上大功率管至少需要2V左右的管壓降。但是，令ec分級逼近Vom sin t則完全是可行的（多層供電，參

12、見圖四）， 這便是H類和G類功放能提高效率的理論基礎。不少工程師對多層供電功 放的效率存在一些誤解.一種說 法是，多層供電功放只是在音頻信號很小時才有高效率， 大信號 時由于供電電壓高，其效率與乙 類功放是一樣的了。其誤區(qū)是 認為供電電壓是根據(jù)音頻信號 的包絡幅度來調整的，沒有認識 到是根據(jù)每一個波形的幅度來圖四多層供電功放中，供電電壓隨輸出電壓變化的情形實時調整的。另一種說法是，乙類 功放的效率已經(jīng)達 78。5%,使用多 層供電來提高效率已沒有太大意 義。為了認識這種誤區(qū)，請參見圖五， 圖中n=1時的兩條曲線是乙類功放 的效率曲線，其中彩色虛線是理想情 況,而黑色曲線是實際測描點。理想 情況

13、下，只有在滿幅時其效率才達 到78。5%,但音樂信號的大多數(shù) 信號幅值是很小的，通常在滿幅的三 分之一左右，這時乙類功放的理論 效率也僅為26 %左右，而同樣條件 下，四層供電（n=4曲線）的效率達 70%左右。另外，二層供電功放較為 簡單，也得到了廣泛應用，其效率 參考n=2時的曲線.筆者花了不少筆墨對功放效率78.5%n=1Mm-1/4 Vcc 1/2 Vcc3/4 VccVcc圖五多層供電功放的效率曲線問題作了分析，目的是，消除一些技術人員對多層供電功放效率的誤解,讓他們對多層供電功放的效率有更深入的認識 .有興趣的讀者可與我深入探討（ wang -qx163。com）.二，問題的解決方

14、法部分廠家的功放已經(jīng)或多或少地發(fā)現(xiàn)并解決了上述的一些問題。 型號功放為例，來學習怎樣解決。其電路原理梗概參見圖六。我們以迪士普品牌的某該功放采用多層供電，為敘述方便，我們只考慮其最高供電電壓:正負160V供電.另外我們留意到這個功放有一組非常低的供電，為正負6V,它在功放中發(fā)揮了巧妙的用途。面的應用至少在國內還不成熟，本文不作討論?，F(xiàn)在較成熟的高效率功放有 功放，它們提高效率的原理都是采用多組供電電壓，隨著輸出電壓幅度的變化 電電壓，保證功率管上持續(xù)具有較小的管壓降，從而降低管耗來實現(xiàn)。我們先來看輸出級的工作情況：當功放的輸出信號幅度不大（小于 6V）時由正負6V 供電工作，功率管T7、T8工

15、作；而輸出信號幅度快達到6V和大于6V時功率管T6、T9參與工作，使用正負160V供電。供電切換非常平滑：與 H類功放電壓切換方式不同，這種電 壓切換不是突變的，而是隨著輸出信號 變化而漸變的，與G類功放類似。所以， 在輸出波形上絲毫觀察不到有切換毛刺 或變形現(xiàn)象。靜態(tài)時T7、T8有適當?shù)钠秒娏鳎?用于克服交越失真。得益于T7、T8使用非常低的供電，與傳統(tǒng)OCL電路相比， 同樣靜態(tài)電流，靜態(tài)功耗約原來的 26分 之1 （即160: 6）,與此同時，功率管 T6、T9截止，不產(chǎn)生功耗.有音樂信號輸出時，如果輸出信號 很小，僅T7、T8工作，其輸出功率僅為 滿幅輸出功率的 676分之1 （26分

16、之1 的平方），此時T7、T8的管耗非常小； 而輸出信號幅度較大時，T7、T8幾乎工 作在開關狀態(tài)，管耗則由 T6、T9承擔。 因此，T7、T8上的管耗一直都極小， 這 樣就完全克服了前文所述的靜態(tài)溫度補 償所帶來的問題。（因此，T7、T8可使 用開關管）。輸出級功率管的耐壓的簡單分析：功放輸出零伏時，T7、T8每只功率管的 壓降為6V（忽略D7、D8二極管的壓降） 而T6、T9每只功率管的壓降為 160-6 = 154V;功放動態(tài)輸出時，以輸出負的圖六某功放電路原理梗概圖160V峰值為例，此時正負總電壓共 320V施加在T6、T7管上，由于這兩只管是處于截止狀態(tài)，所以 T6的壓降仍為154V,剩 下的320V-154V= 166V則加在 T7管上。綜上所述， T6、T9管的耐壓為 154V, T7、T8 管的耐壓為166V,市面上非常多型號的功率管都能滿足要求。再看電壓放大級，看上去比較復雜，我們需分解后再來看。傳統(tǒng)功放中，電壓放大級的 上管和下管都要承受 320V的耐壓，難以滿足要求（特別是PNP管），故采用同型號三極管串聯(lián)的辦法來解決，參見圖七中左圖，只要電阻R1和R2的阻值相等，兩只三極管上（T4、T5） 將基本平分所承受的總電壓 ，整個電路可等效于一只高耐壓 的三極管.按此原理，必要時