提高功放输出功率及可靠性参考.doc

提高声频功率放大器输出功率和可靠性的方法内容提要 本文总结了设计大功率声频功率放大器会出现的某些问题，探讨问题的解决方案，并对大功率声频功率放大器的可靠性设计进行了讨论。关键词 OCL功放 管耗 效率耐压温度补偿可靠性随着音响技术的发展，人们对单台声频功率放大器（下称功放）的输出功率的需求越来越大，从以前的几十瓦到现在的几百瓦几千瓦，甚至几十千瓦。工程师们在将输出功率做得越来越大的同时，遇到了诸多的问题，例如半导体器件的耐压问题、功率管的温度补偿问题、影响可靠性的一些问题、功放效率问题等等，笔者就这些问题进行了有益的探索。（图一典型的OCL功放电路）一，问题的提出本文讨论的功放基于被广泛使用的甲乙类功放，并以常见的OCL功放为例（参见图一）。这类功放的技术已发展得相当成熟，其各项指标可以做得非常好。但随着设计人员在将功放的输出功率做得越来越大的同时，遇到了一些新的问题，大致归纳如下：1，半导体器件的耐压问题。功放的输出功率越大，其直流供电电压就越高，以单声道输出功率1000W（8欧姆负载）计，负载电压约90V，所以其直流供电需达正负150V以上，那么功放的输出功率级、电压放大级的三极管耐压则至少需要150V乘以2，即300V以上。目前市场上应用广泛的音响功率管极少能达到如此高的耐压，传统的OCL电路遇到了器件耐压的挑战。（市面上最常见的音频输出功率管是2SC5200、2SA1943对管，其标称的耐压值为230V）。图二某功率管的温度特性2，温度补偿问题。为了消除所谓的“交越失真”，使功放工作在甲乙类状态，需要使每对功率管微导通（有合适的静态电流）。多数功率管厂家推荐，每只功率管的静态电流应在5毫安至30毫安之间。功率管的静态电流由其基极偏置电压决定，通过图二某功率管的温度特性可以看到，功率管的基极偏置电压须随温度变化而自动调整，这样才能保证静态电流的稳定。（图二中，温度为负25摄氏度时，功率管起始导通偏置电压为0.7V，正25摄氏度时为0.6V，在100摄氏度时仅为0.4V。请注意，在100摄氏度时如果功率管基极偏置为0.6V，这时静态电流达2安培！）许多设计人员都遇到过这样的问题：刚刚调好静态工作点（如设定为5毫安）的电路板，几分钟后即发生了显著的变化，（静态电流忽然变成十几毫安，或忽然没了），并且飘忽不定，不能稳定在一个具体的数值。这主要是由于温度补偿电路的温度采样延时，以及采样点不同、电路参数偏差等原因造成的，电路不可能补偿得刚好准确。温度补偿电路应设计得略微过补偿，（即：温度变化时，自动将功率管的基极偏置电压过度调节），否则，如果补偿不够，由静态功耗产生的温升又导致静态电流继续加大而进一步升温 形成恶性循环，使静态电流远远偏离设定值。功放机在批量生产时，温度采样会有很大离散性（如功率管安装的紧固程度、绝缘片的传热特性、温度采样元件位置及紧固程度等），这些都是在设计温度补偿时要考虑的因素。即不能欠补偿，过补偿太多也是不行的，过补偿太多时，静态电流则会趋向于减少到零，失去了温度补偿的意义，并可能引起功放自激，这种自激在实践中经常得到验证，估计是功率管在临界导通时的放大倍数不稳定所导致。有经验的设计人员都十分重视温度补偿电路的过补偿设计，它实际上除了对音质有较大的影响，还影响了功放的可靠性。即使静态温度补偿非常合理，但是，在功放有信号输出时又存在另外的问题。功放在播放音乐时，音乐信号时大时小，在功率管内的管芯上产生的温度也是忽高忽低的，而温度采样电路采集到的是变化缓慢的平均温度，管芯瞬时温度比它要高得多，由于静态温度补偿不能极快地调整功率管的偏置电压，这时将导致功率管的管芯高温时其静态电流激增，继而造成管芯温度又激增在这种恶性循环下，容易引发功率管的二次击穿，功率管极易损坏。为了避免这一问题，工程师们目前的办法是，第一，设计合适的发射极电阻，自动限制电流的无限上升；第二，使用许多功率管，来保证每只管芯上只产生较少的热量，实际上是用牺牲成本的办法来换取可靠性。（理论上，输出1000W功率，只需要总的管耗不小于400W的功率管，通常只需两对管即绰绰有余，但实际上工程师会用到多达十几对的功率管。）值得一提的是，有一些功率管（如SAP15对管），其内部已经带有了温度采样元件，所以用这些功率管做的电路，其音质和可靠性确实会好得多，但这类功率管由于其耐压、功率及成本等诸多限制，并未获得普遍应用，而且其补偿速度虽然大大加快，但仍然会滞后于管芯瞬时温度的变化。下文会介绍一种电路结构，能完全避免这一恶性循环的状况，彻底改善由温度补偿导致的问题。3，影响功放可靠性的一些情况。功放一向是音响系统中最薄弱的环节，以至许多音响系统需要加入备用功放以提高其系统的可靠性。导致功放可靠性差的原因非常多，提高功放的可靠性的方法和措施也很多，非三言两语可说清楚。常见提高可靠性办法是令功率管的管芯温度尽量远离极限结温，包括：加强散热，增加功率管的数量、减少产热提高效率等。即便这样，也还是有很多问题（包括上述因温度补偿延迟而导致问题），并且笔者在长期的设计工作中发现，许多音响系统往往是在发生啸叫、信号大到失真或开关机强信号冲击之时损坏功放（或功放无故进入保护状态，下略），并追踪找到了一些原因。图三电流尖峰出现的位置笔者总结认为，功放损坏的原因，排除器件不良的因素外，基本上都是功率管超出安全工作区而引起。在音响系统在发生啸叫或强信号冲击之时为什么容易损坏呢？笔者作了深入观察，发现它们都是在输入信号太强，输出波形严重削波时出现的。在输出波形削波的时刻，电压放大级的三极管几乎工作在开关状态，众所周知，三极管在开关状态工作时，如果不采取抗饱合措施，则三极管的关闭过程会有个显著的延迟，由于电压放大级通常也是以成对三极管（下称“上管”和“下管”）工作的，于是，在削波状态下，上管导通时，下管还未截止，亦或下管导通时，上管也还未截止，这时便会在两只三极管同时导通时出现一个电流尖峰，这一电流尖峰馈送到功率输出级，致使功率输出管超出安全工作区，进而引发故障。许多工程师往往注重功放的闭环工作指标，却忽略了功放在过激励状态下会发生的问题，笔者用示波器观察了众多的功放（电压放大发射极电阻或输出电流采样电阻上的波形），发现这种致命的电流尖峰（图三）竟然广泛存在！顺便一提，在公共广播功放中，通常采用线间变压器输出，以得到合适的、多组的的传输电压。它的功放组件如果削波严重，将出现很低的频率成分（直流）输出，由于线间变压器对直流几乎处于短路状态，所以功放会出现故障。此外功放输入频率很低时也有同样问题，故而必须在功放输入端将低频滤除。这两个问题只有在公共广播功放中才有，不是本文讨论的重点。4，功放效率问题。提高功放效率，节能环保不是最重要的目的。效率提高后，功放的产热少了，功率管温度低了，可靠性自然得到提高。所以在近年来的功放设计潮流中，提高效率成了工程师们重要的目标。理论上功率管处于开关状态的功放是效率最高的，但它在大功率方面的应用至少在国内还不成熟，本文不作讨论。现在较成熟的高效率功放有H类功放和G类功放，它们提高效率的原理都是采用多组供电电压，随着输出电压幅度的变化，自动选择供电电压，保证功率管上持续具有较小的管压降，从而降低管耗来实现。理论上乙类满功率状态的效率为78.5，乙类互补功放一侧输出管的管耗为 (1)式中Ec为供电电源电压，Vom为输出电压幅值，Rl为等效负载电阻。由式(1)可见，如果令Ec完全跟随着输出电压变化，即令Ec的瞬时值ec=(2)则式(1)中的被积函数即为零。但式(2)是不可能实现的，实际上大功率管至少需要2V左右的管压降。但是，令ec分级逼近则完全是可行的（多层供电，参见图四），这便是H类和G类功放能提高效率的理论基础。图四多层供电功放中，供电电压随输出电压变化的情形不少工程师对多层供电功放的效率存在一些误解。一种说法是，多层供电功放只是在音频信号很小时才有高效率，大信号时由于供电电压高，其效率与乙类功放是一样的了。其误区是，认为供电电压是根据音频信号的包络幅度来调整的，没有认识到是根据每一个波形的幅度来实时调整的。另一种说法是，乙类功放的效率已经达78.5，使用多层供电来提高效率已没有太大意义。为了认识这种误区，请参见图五，图中n=1时的两条曲线是乙类功放的效率曲线，其中彩色虚线是理想情况，而黑色曲线是实际测描点。理想情况下，只有在满幅时其效率才达到78.5， 但音乐信号的大多数信号幅值是很小的，通常在满幅的三分之一左右，这时乙类功放的理论效率也仅为26左右，而同样条件下，四层供电（n=4曲线）的效率达70左右。另外，二层供电功放较为简单，也得到了广泛应用，其效率参考n=2时的曲线。笔者花了不少笔墨对功放效率问题作了分析，目的是，消除一些技术人员对多层供电功放效率的误解，让他们对多层供电功放的效率有更深入的认识。有兴趣的读者可与我深入探讨（）。二，问题的解决方法部分厂家的功放已经或多或少地发现并解决了上述的一些问题。我们以迪士普品牌的某型号功放为例，来学习怎样解决。其电路原理梗概参见图六。该功放采用多层供电，为叙述方便，我们只考虑其最高供电电压：正负160V供电。另外我们留意到这个功放有一组非常低的供电，为正负6V，它在功放中发挥了巧妙的用途。图六某功放电路原理梗概图我们先来看输出级的工作情况：当功放的输出信号幅度不大（小于6V）时由正负6V供电工作，功率管T7、T8工作；而输出信号幅度快达到6V和大于6V时功率管T6、T9参与工作，使用正负160V供电。供电切换非常平滑：与H类功放电压切换方式不同，这种电压切换不是突变的，而是随着输出信号变化而渐变的，与G类功放类似。所以，在输出波形上丝毫观察不到有切换毛刺或变形现象。静态时T7、T8有适当的偏置电流，用于克服交越失真。得益于T7、T8使用非常低的供电，与传统OCL电路相比，同样静态电流，静态功耗约原来的26分之1（即160:6），与此同时，功率管T6、T9截止，不产生功耗。有音乐信号输出时，如果输出信号很小，仅T7、T8工作，其输出功率仅为满幅输出功率的676分之1（26分之1的平方），此时T7、T8的管耗非常小；而输出信号幅度较大时，T7、T8几乎工作在开关状态，管耗则由T6、T9承担。因此，T7、T8上的管耗一直都极小，这样就完全克服了前文所述的静态温度补偿所带来的问题。（因此，T7、T8可使用开关管）。输出级功率管的耐压的简单分析：功放输出零伏时，T7、T8每只功率管的压降为6V（忽略D7、D8二极管的压降），而T6、T9每只功率管的压降为160-6154V；功放动态输出时，以输出负的160V峰值为例，此时正负总电压共320V施加在T6、T7管上，由于这两只管是处于截止状态，所以T6的压降仍为154V，剩下的320V154V166V则加在T7管上。综上所述，T6、T9管的耐压为154V，T7、T8管的耐压为166V，市面上非常多型号的功率管都能满足要求。再看电压放大级，看上去比较复杂，我们需分解后再来看。传统功放中，电压放大级的上管和下管都要承受320V的耐压，难以满足要求（特别是PNP管），故采用同型号三极管串联的办法来解决，参见图七中左图，只要电阻R1和R2的阻值相等，两只三极管上（T4、T5）将基本平分所承受的总电压，整个电路可等效于一只高耐压的三极管。按此原理，必要时可采用多只三极管串联。