高頻開關電源在高保真音頻功放中的應用

　　1 引言

　　一般高保真音頻功率放大器使用的電容濾波整流電源必須使用大容量變壓器才能保證較高的性能，因此電源系統(tǒng)存在體積大、質量重、成本高等問題。設計良好的線性穩(wěn)壓電源，具有很高的性能，并可在一定程度上減輕電源系統(tǒng)的質量。但由于穩(wěn)壓電路必須使用優(yōu)質元件，這會進一步降低電源的性價比。同時，穩(wěn)壓電路中的功率管因為工作在放大區(qū)，消耗的功率較大，會導致電源系統(tǒng)效率的下降。

　　高頻開關電源(以下簡稱開關電源)具有體積小、質量輕、效率高的特點，因而在電子產品中獲得了廣泛應用。但由于一般的開關電源在音頻功率放大器中的表現(xiàn)并不盡如人意，因此它一直沒能在高保真音頻功率放大器中獲得廣泛應用。

　　深入分析開關電源在音頻功率放大器中表現(xiàn)欠佳的原因，是開發(fā)音頻專用開關電源的關鍵。實踐證明，基于對音頻功率放大器電源的特殊要求和開關電源特點的分析結果，采取針對性措施設計的開關電源，在音頻功率放大器中表現(xiàn)得很優(yōu)秀。實驗和主觀聽音評價都表明，它完全可取代其他形式的電源成為高保真音頻功率放大器電源的主流。

　　2 開關電源的電磁干擾并不是主要矛盾

　　一般認為，開關電源的電磁干擾是影響其音質表現(xiàn)的主

　　要因素，然而通過對這些干擾頻率成分的分析，可以發(fā)現(xiàn)這實際上是一種誤解。

　　開關電源電磁干擾的形成有多種原因，主要包括如下幾個方面：

　　(1) 輸入電路的電磁干擾

　　工頻交流電經(jīng)過整流濾波后是以導通時間短、峰值大的脈沖電流方式提供能量的。這種脈沖電流包含一系列的諧波分量。這些諧波分量會沿著傳輸電路產生傳導干擾和輻射干擾。然而這種干擾并不是開關電源所特有的，它也出現(xiàn)在一般的使用電源變壓器的電容濾波整流電路中。因此這并不是開關電源的主要干擾。

　　(2) 開關回路產生的電磁干擾

　　開關回路產生的電磁干擾是開關電源的主要干擾源之一。開關電源的功率變換管工作在大電流開關狀態(tài)，其變換波形為矩形波。由于矩形波具有豐富的奇次諧波，因此，會產生特有的諧波干擾。

　　事實上，變換波形不可能是理想的矩形波，開關功率晶體管開啟和關斷瞬間矩形波會產生畸變。開關功率晶體管負載是高頻變壓器，由于高頻變壓器的初級線圈與儲存在開關管寄生電容中電荷的作用，在開關管導通的瞬間，變壓器初級會出現(xiàn)很大的電流，會造成一種幅度較大的尖脈沖，疊加在矩形波的起始部分，其頻帶較寬且諧波豐富，會產生高頻干擾。當原來飽和的開關管關斷時，由于變壓器的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在漏感中的這部分能量將和集電極(或漏極)電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，其特點也是諧波豐富，并且頻率很高。這些諧波干擾可以傳導到輸入輸出端對電網(wǎng)和負載形成傳導干擾。另外，由高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容等構成的高頻開關電流環(huán)路可能產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

　　(3) 二次整流回路產生的電磁干擾

　　二次整流回路一方面會產生和一次整流回路類似的諧波干擾，但由于變換頻率遠高于工頻，因此這種干擾的頻率要高很多。另一方面二次整流二極管在正向導通時會使PN結內的電荷積累，二極管加反向電壓時積累的電荷會消失并產生反向交流。由于開關管變換器的頻率較高，二極管由導通轉變?yōu)榻刂沟臅r間很短。因此，要在短時間內使存儲的電荷迅速消失就會有很大的反向浪涌電流流過變壓器，在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下，也會形成頻率很高的電磁干擾。

　　縱觀這些干擾，可以看到，它們都是一些超過電源開關頻率的高頻干擾。文獻[3-4]指出：開關電源電磁干擾的頻率都高于開關電源的開關頻率。

　　電磁兼容性不好的開關電源確實會影響收音機、電視機、移動通信設備等無線電設備的正常工作。但如果將開關頻率設計在100 kHz以上(采用MOS管一般可將開關頻率做到200 kHz)，即使對這些干擾不采取特別的措施，也不會影響到通頻帶相對比較窄的音頻功率放大器的正常工作。

　　事實上，正因為開關電源存在各種各樣的電磁干擾，在開關電源幾十年的發(fā)展過程中，人們也在降低其電磁干擾方面做出了很大的努力。通過吸收電路降低電路中電壓和電流的變化率;使用軟開關技術修正變換波形;使用EMI濾波技術抑制開關電源的傳導干擾;選擇合適的驅動電路，控制開關開啟和關斷時電壓和電流的變化率;優(yōu)選元器件(包括功率管、二極管、變壓器等);進行合理的PCB布局、布線及接地，減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾;加強屏蔽等措施。設計出符合EMC(電磁兼容)標準的開關電源已不難。

　　3 音頻功率放大器開關電源形式的選擇

　　音頻功率放大器電源要求功率儲備量大，只有這樣才能應付交響樂巨大的動態(tài);同時由于經(jīng)常處于負載的迅速變化中，電源的反應速度必須非常快，才能還原那些猝發(fā)性的高頻信號。大的功率儲備量和高反應速度是設計音頻功率放大器專用開關電源的兩條基本原則。通常的開關電源沒有在這兩方面做出特別的考慮，這正是它們無法適應音頻功率放大器的根本原因。事實表明依照這兩條原則設計出來的開關電源，在音頻功率放大器中的表現(xiàn)是優(yōu)秀的。

　　開關電源的高頻變換電路形式很多，常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。半橋式變換器電路因為比普通單端式電路輸出功率大得多，比較適合在瞬時輸出功率大、動態(tài)范圍大的音頻功率放大器中使用，此外高頻變壓器初級在整個周期中都流過電流，能防止高頻變壓器磁芯出現(xiàn)單向偏磁發(fā)生磁飽和，磁芯體積利用得更加充分，在同樣的功率下磁芯可用得更小。同時它又克服了推挽式電路的缺點，對功率晶體管配對程度要求較低，對晶體管耐壓和輸入濾波電容耐壓要求也比較低。加上它比全橋式變換器結構簡單、成本低，所以它是音頻功率放大器開關電源首選的變換形式。

　　開關電源的穩(wěn)壓是通過調節(jié)功率開關管的占空比來實現(xiàn)的。常用的改變占空比的控制方式有2種：即脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)和脈沖頻率調制(Pulse Frequency Modulation，PFM)。脈沖寬度調制器根據(jù)開關電源輸出電壓，自動地改變方波脈沖寬度，從而改變功率晶體管的導通時間，以此穩(wěn)定開關電源的輸出電壓。脈沖頻率調制器則保持導通時間不變，根據(jù)開關電源輸出電壓，自動地改變方波頻率而改變占空比。由于頻率控制方式的工作頻率是變化的，后續(xù)電路濾波器的設計比較困難，因此，音頻功率放大器的開關電源也與絕大部分的開關電源一樣，適宜采用PWM控制。

　　大多數(shù)開關電源均采用電壓型控制電路。其基本工作過程為：比較電路將經(jīng)采樣后的輸出電壓與基準電壓相比較，當某種因素引起輸出電壓變化時，比較結果將產生誤差信號，開關電路的脈沖寬度則受放大后的誤差信號控制，達到穩(wěn)定輸出電壓之目的。這種控制方式與文獻[2]中分析的具有比較放大電路的線性穩(wěn)壓電源存在相似的缺點：誤差放大電路會影響電源的瞬態(tài)響應，當負載迅速變化時因調控網(wǎng)絡的滯后，電源輸出電壓會出現(xiàn)瞬間下跌。因為晶體管音頻功率放大器等價于一個阻抗迅速變化的負載，而采用電壓型控制電路的開關電源因不能跟蹤這種迅速變化，所以并不適合于音頻功率放大器。

　　從電源的輸出端看，由于輸出電壓相對比較穩(wěn)定，△U總是比較小的，誤差信號必須經(jīng)過放大才能驅動PWM電路。反觀輸出電流，由于總體來說電源內阻較小，因此只要有微小的△U，就會反應為很大的△I。如果將△I直接加到PWM電路中去，利用它控制脈沖寬度，從而調整輸出電壓，就跳過了誤差放大環(huán)節(jié)，電源的反應速度將大大提高。這就是電流型控制電路。因此，采用電流型控制電路的開關電源瞬態(tài)響應(達10μs級)要遠優(yōu)于電壓型控制電路(僅ms級)。由于電源的內阻不是線性電阻，電流控制比較難實現(xiàn)高精度。因此，晶體管音頻功率放大器開關電源應該同時引入2種控制方式。

　　開關干擾雖不是影響音質的主要因素，但為了達到電磁兼容標準，采取了各種常規(guī)的抑制干擾措施，并加上軟開關技術。圖1是適合音頻功率放大器的開關電源工作流程圖。

　　依照圖1設計的1 000W，