電視機音頻放大器―實現(xiàn)更輕薄的熱設計考慮

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，這對于許多消費者來說是一個重要的指標。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。關于這方面的測試標準會因不同公司而異。

通常用兩種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(fā)的標準，本文將討論該標準是否仍適用于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，以及在指定的頻率和總諧波失真(THD)范圍內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對放大器進行一個小時的預熱。然后，放大器必須能夠連續(xù)5分鐘提供規(guī)定功率，當然，必須是在規(guī)定的THD和頻率范圍內。負載通常是一個4Ω或8Ω的電阻器，具體用哪一個取決于標稱的揚聲器阻抗。

由于絕大多數(shù)的電視機都沒有外接揚聲器的端口，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準。通常標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備的熱性能。測試時，將設備放入一個規(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(huán)境溫度。使用設備本身的揚聲器作為負載?？梢圆捎貌煌燃安煌ㄐ蔚臏y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(guī)定的指標進行比較，例如最高PCB溫度和結溫。要通過熱穩(wěn)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(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后，它還應該提供穩(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)目內容，如音樂或語音。節(jié)目信號的幅度應該是全范圍信號，從靜音到過驅動(削波)?？梢杂梅逯狄驍?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(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(shù)最低。

同樣，揚聲器制造商也已經(jīng)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(shù)的制造商采用的是IEC268-5標準，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。使用該信號揚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(guī)定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護，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位。由于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)、負載 (R_I)和R_DSON(輸出晶體管全導通的阻抗)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，該電流代表開關損耗。兩種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?？紤]常見的電視應用，既采用12V的電源，8Ω的揚聲器，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備來說非常重要，故大部分的電池供電設備的設計師都對放大器的功耗非常關注。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)實應用中有什么關系？什么時候放大器被用于音樂或語音放大？關于這一點，可以利用噪聲信號進行很好的模擬，這種信號的幅度分布與音樂類似，并獲得了一致的結果。

為了將結果與實際的收聽情形和揚聲器的功率處理能力進行比較，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，我們不關注噪聲的“顏色”，但在實際的測試中應采用IEC268-5信號，因為某些放大器在高頻時效率較低。

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

在音樂功率非常集中的15dB到12dB之間，被嚴重削波，這將迫使絕大多數(shù)用戶降低音量。9dB是揚聲器制造商認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，熱設計方面的挑戰(zhàn)在于如何通過噪聲測試。一旦放大器設計能夠每通道吸收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，故在實際應用中采用正弦波進行輸出功率和熱測試。當然，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，采用正弦波進行熱評估時，會導致AB類放大器的功率處理能力比相同瓦數(shù)的揚聲器要低。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，采用什么信號進行熱評估，將會導致非常大的差別。

如果在D類放大器熱評估中使用正弦波，將導致系統(tǒng)過大，從而增加成本，因為：IC供應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，需要仔細地布線，應采用大面積的連續(xù)敷銅面。由于銅皮要轉移熱量，故層間應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行更為嚴格的測試，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

電視機從CRT到平板的轉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；利用噪聲信號或實際應用的最壞情況(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。