電視機(jī)音頻放大器―實現(xiàn)更輕薄的熱設(shè)計考慮

所有內(nèi)含音頻功率放大器的電子設(shè)備，例如立體聲電視機(jī)以及多通道AV接收機(jī)，通常都有一個重要的指標(biāo)，即輸出功率，該指標(biāo)是指所能提供的最大音量，這對于許多消費(fèi)者來說是一個重要的指標(biāo)。而對于制造商來說，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(wěn)定性。關(guān)于這方面的測試標(biāo)準(zhǔn)會因不同公司而異。

通常用兩種放大器為電視機(jī)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(jī)子空間有限，因而散熱是一個問題。目前的測試標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)年只有AB類放大器時所開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，本文將討論該標(biāo)準(zhǔn)是否仍適用于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(nèi)，以及在指定的頻率和總諧波失真(THD)范圍內(nèi)放大器所能提供的總功率。例如，美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會(FTC)規(guī)定的功率測試方法中，要求用1kHz的正弦波、以規(guī)定輸出功率的1/8對放大器進(jìn)行一個小時的預(yù)熱。然后，放大器必須能夠連續(xù)5分鐘提供規(guī)定功率，當(dāng)然，必須是在規(guī)定的THD和頻率范圍內(nèi)。負(fù)載通常是一個4Ω或8Ω的電阻器，具體用哪一個取決于標(biāo)稱的揚(yáng)聲器阻抗。

由于絕大多數(shù)的電視機(jī)都沒有外接揚(yáng)聲器的端口，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(biāo)準(zhǔn)。通常標(biāo)定功率的測試方法是，采用1kHz的信號，以10%的THD，至少連續(xù)10分鐘。

熱穩(wěn)定性

該測試用來驗證整個設(shè)備的熱性能。測試時，將設(shè)備放入一個規(guī)定的最高環(huán)境溫度(通常為40℃)的測試間內(nèi)進(jìn)行。在設(shè)備內(nèi)部溫度將會升高，這就使得放大器要承受更高的環(huán)境溫度。使用設(shè)備本身的揚(yáng)聲器作為負(fù)載。可以采用不同幅度及不同波形的測試信號進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，例如最高PCB溫度和結(jié)溫。要通過熱穩(wěn)定性測試，無論是放大器還是揚(yáng)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(wěn)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(dǎo)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(jié)果，工程師應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)的測試信號。一旦最終條件確定好后，它還應(yīng)該提供穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。

正弦波能夠提供穩(wěn)定的讀數(shù)，但因為其幅度隨時間變化，因而無法模擬節(jié)目內(nèi)容，如音樂或語音。節(jié)目信號的幅度應(yīng)該是全范圍信號，從靜音到過驅(qū)動(削波)。可以用峰值因數(shù)(crest factor)來很好地描述節(jié)目信號的幅度失真，該因數(shù)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(guān)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(dāng)某人調(diào)高音量時峰值因數(shù)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(shù)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(shù)取決于消費(fèi)者所能接受的失真大小和設(shè)備的最大增益設(shè)置。在任何消費(fèi)類應(yīng)用中，理想的最壞情況測試都是指峰值因數(shù)最低。

同樣，揚(yáng)聲器制造商也已經(jīng)研究過合適的測試信號，揚(yáng)聲器必須在處理放大器的輸出信號時沒有損壞和嚴(yán)重失真。絕大多數(shù)的制造商采用的是IEC268-5標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定的測試信號為：粉紅噪聲信號，即濾波后(即經(jīng)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(guī)定的測試信號的峰值因數(shù)為6dB，這是最壞情況下的指標(biāo)。使用該信號揚(yáng)聲器所能處理的平均功率稱作為“連續(xù)功率”，不過絕大多數(shù)制造商都公布了“節(jié)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(huán)地通一分鐘，斷一分鐘)測試。故揚(yáng)聲器可以處理具有9dB峰值因數(shù)的削波信號。

峰值因數(shù)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(yáng)聲器的長期功率處理能力為6dB，小于放大器的額定功率。用于整個設(shè)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(dāng)考慮放大器的熱設(shè)計時，沒有理由要求處理比揚(yáng)聲器規(guī)定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護(hù)，故會發(fā)生的最壞情況是沒有聲音，這會在放大器重新冷卻下來后自動復(fù)位。由于揚(yáng)聲器過載會導(dǎo)致永久性的損壞，將放大器的熱限制設(shè)置到一個較低水平實際上是保護(hù)揚(yáng)聲器的一個有效手段。

放大器的分類

電視機(jī)中可以采用兩種音頻放大器，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(xiàn)。AB類放大器是一個低成本的重負(fù)荷解決方案，但其功耗太大，并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。不過這一點因需要采取的散熱措施少(散熱器小，或者就無需散熱器)以及IC的體積較小所補(bǔ)償。不過，系統(tǒng)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，假定兩種放大器的都是FET，而不是雙極輸出晶體管。對于指定的電源電壓(V_CC)、負(fù)載 (R_I)和R_DSON(輸出晶體管全導(dǎo)通的阻抗)來說，最大輸出電壓對于兩種類型是一樣的，因為這是最大的輸出功率。另外還假定一個橋接負(fù)載(BTL)輸出，即輸出電流流過兩個晶體管且R_DSON加倍(圖2)。

圖2：BTL放大器輸出級。

對于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/R_I):

AB類：

Dab =[( Ua/ R_I) * (V_CC-Ua)] + I_Q *V_CC

產(chǎn)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/R_I) 2 * 2*R_DSON + I_Q* V_CC

產(chǎn)生的功率主要由阻性損耗構(gòu)成，(輸出電流)2 * R

兩種放大器都有一個常系數(shù)：即I_Q * V_CC，其中I_Q為靜態(tài)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(guān)損耗。兩種放大器中該電流的幅度相同。

通過仿真可以進(jìn)行進(jìn)一步分析?？紤]常見的電視應(yīng)用，既采用12V的電源，8Ω的揚(yáng)聲器，并采用下列的參數(shù)數(shù)據(jù)：

V_CC= 12 V

R_I = 8 Ω

R_DSON = 0.3 Ω

I_Q = 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(guān)系。

下列方程被用來計算最大輸出電壓幅擺：

在10%的THD時，輸出功率為10W，這是系統(tǒng)規(guī)定的最大輸出功率。

如圖3中的圖形所示，D類放大器提供的效率與輸出功率比要遠(yuǎn)高于AB類放大器。在整個圖中，D類放大器只有在兩個點上比AB類放大器差：

零輸入：兩種放大器消耗的都只有靜態(tài)功率，假定兩者相同。無限過載：輸出已經(jīng)成為方波，始終都是飽和的，對于AB類也是如此。在這一點上，兩種放大器具有相同的效率、功耗、輸出功率(15.56 W)和失真(43.5%)。

由于效率對于電池供電的設(shè)備來說非常重要，故大部分的電池供電設(shè)備的設(shè)計師都對放大器的功耗非常關(guān)注。圖4給出了兩種放大器(注：輸入用的是正弦波，增益可變)的功耗曲線。

圖4：功耗與輸出功率的關(guān)系。

在10W額定功率上，AB類和D類放大器的功耗分別是2.53W和0.994W。在輸入較低段，D類放大器的功耗較低，而AB類放大器的功耗卻增加。這究竟與現(xiàn)實應(yīng)用中有什么關(guān)系？什么時候放大器被用于音樂或語音放大？關(guān)于這一點，可以利用噪聲信號進(jìn)行很好的模擬，這種信號的幅度分布與音樂類似，并獲得了一致的結(jié)果。

為了將結(jié)果與實際的收聽情形和揚(yáng)聲器的功率處理能力進(jìn)行比較，我們必須將x軸變量從功率改變成峰值因數(shù)。峰值因數(shù)反映了系統(tǒng)的平均輸出功率和峰值功率之間的關(guān)系，這里峰值功率是15.56W。

理想的噪聲源的峰值因數(shù)為無限大：其幅度分布符合具有明確差異但沒有峰值電壓限制的“正態(tài)分布”。當(dāng)我們把信號加入到輸出信號被電源軌限制的仿真放大器時，該分布將會改變。平均(RMS)電壓將隨著系統(tǒng)的增益的改變而變化。增加該RMS電壓，則峰值因數(shù)將降低，因為峰值基準(zhǔn)保持不變。

在峰值因數(shù)較高時，削波現(xiàn)象很少產(chǎn)生，但當(dāng)增益增加時，它卻經(jīng)常發(fā)生。圖5顯示了3dB峰值因數(shù)的噪聲，此時輸出信號被嚴(yán)重削波。

圖5：具有3dB噪聲的放大器輸出電壓。

為了模擬，我們不關(guān)注噪聲的“顏色”，但在實際的測試中應(yīng)采用IEC268-5信號，因為某些放大器在高頻時效率較低。

當(dāng)我們改變增益時，可以計算所有可能的峰值因數(shù)值(見圖5)對應(yīng)的功耗。

在音樂功率非常集中的15dB到12dB之間，被嚴(yán)重削波，這將迫使絕大多數(shù)用戶降低音量。9dB是揚(yáng)聲器制造商認(rèn)為尚可接受的最差峰值因數(shù)，0dB時的輸出則成了全方波。

在9dB處，將是進(jìn)行熱評估的最佳點， AB類放大器的功耗為3.05W，D類為0.388W。兩者的比值為3.05/0.388 = 7.86，而在進(jìn)行功率測試時，該比值僅為2.53/0.994 = 2.55。這種模擬有一個重要的意義：對于AB類放大器，熱設(shè)計方面的挑戰(zhàn)在于如何通過噪聲測試。一旦放大器設(shè)計能夠每通道吸收3.05W，則在每通道2.53W功耗的輸出功率上不會有太多的熱設(shè)計問題。額定輸出功率能夠永久保證。

由于在兩種測試中所得到的功耗相類似，故在實際應(yīng)用中采用正弦波進(jìn)行輸出功率和熱測試。當(dāng)然，雖然采用正弦波信號的測試比較容易建立，不過所產(chǎn)生的功耗將比建議的噪聲測試要低一些。

圖6

換言之，采用正弦波進(jìn)行熱評估時，會導(dǎo)致AB類放大器的功率處理能力比相同瓦數(shù)的揚(yáng)聲器要低。而對于D類放大器，該情況將相反。噪聲測試產(chǎn)生0.338W的功耗，而在額定輸出功率上實際功耗是1W，相差2.56倍之多。所以，采用什么信號進(jìn)行熱評估，將會導(dǎo)致非常大的差別。

如果在D類放大器熱評估中使用正弦波，將導(dǎo)致系統(tǒng)過大，從而增加成本，因為：IC供應(yīng)商需要較大的芯片面積來減小R_DSON，這是影響效率的主要因素之一；要求D類放大器的封裝較大，以便獲得結(jié)與PCB或散熱片之間的較小熱阻。

制造商需要提供較小的散熱片或多層PCB板，以實現(xiàn)較小的R_thja，即結(jié)與環(huán)境溫度之間的熱阻。

如果使用PCB自身作為散熱片，需要仔細(xì)地布線，應(yīng)采用大面積的連續(xù)敷銅面。由于銅皮要轉(zhuǎn)移熱量，故層間應(yīng)該用多個良好的過孔連接。

老化測試

有時候熱評估中需要進(jìn)行更為嚴(yán)格的測試，即老化(Burn-In)測試。該測試中，將音頻處理器能夠提供的最大電壓加到功率放大器的輸入端，使輸出信號變成一個像方波似的信號。在本文的例子中，放大器每個通道的測試功耗高達(dá)1.41W，并且與AB類放大器沒有太大的不同。要通過這樣的測試，D類放大器要求比噪聲測試中高3.6倍的冷卻效果。

本文小結(jié)

電視機(jī)從CRT到平板的轉(zhuǎn)換要求采用較小的具有較低熱功耗的放大器，因此有了D類放大器。即便是采用傳統(tǒng)的正弦波測試，在新設(shè)計中也能將熱減少2.5倍。

工程師必須解決新的挑戰(zhàn)，即解決EMI，設(shè)計輸出濾波器，并采用具有冷卻外墊的小型放大器封裝。為了揭示所有潛在的節(jié)省成本的方法，包括采用D類放大器，現(xiàn)在有必要重新考慮測試方法。下面是建議采用的測試方法：采用中斷突發(fā)模式檢測輸出功率，加滿功率的正弦波，時間長度剛好能獲得THD值；利用噪聲信號或?qū)嶋H應(yīng)用的最壞情況(語音或音樂)來檢測熱性能。后者需要配以增益設(shè)置，以限制放大器的削波，使得即便是在滿音量時也能得到可接受的聲音效果。