電視音頻放大器

應(yīng)用筆記4628刃電視疼音頻奪放大蓬器—辜超薄懂系統(tǒng)無的熱兵測試育考慮RobertPolleros,高級技術(shù)成員，應(yīng)用支持摘要：用于電視機(jī)(TV)設(shè)計(jì)的D類放大器，對其熱特性評估按照類似于AB類放大器的評估原則進(jìn)行。通過對不同輸入信號時(shí)放大器的功耗進(jìn)行深入細(xì)致的調(diào)查，本文提出了一種更加適合D類放大器的標(biāo)準(zhǔn)。類似文章被分為三個部分，發(fā)表于2007年4月/5月的AudioDesignLine。引言所有內(nèi)置音頻功放的設(shè)備，例如：立體聲系統(tǒng)、電視和多通道音視頻接收機(jī)，都有一個共同重要指標(biāo)：輸出功率。這項(xiàng)指標(biāo)為最終用戶提供設(shè)備所能輸出的最大功率指示，多數(shù)客戶可能非常關(guān)注該項(xiàng)指標(biāo)。對于制造商來說，不僅需要測試輸出功率，還要測試在惡劣環(huán)境下能夠保障電視機(jī)正常工作的熱穩(wěn)定性。目前，各家公司可能采用不同的測試標(biāo)準(zhǔn)。常見的功率放大器有兩種類型：AB類和D類放大器。平板(LCD和等離子)電視是推動D類放大器發(fā)展的主要動力，D類放大器解決了平板電視的空間限制和散熱問題。而目前使用的測試標(biāo)準(zhǔn)則是在只有AB類放大器的時(shí)代推出的，本文將研究它是否適合D類放大器。最大輸出功率最大輸出功率是在指定的時(shí)間、特定的信號頻率以及總諧波失真(THD)條件下，放大器所能提供的功率。例如：聯(lián)邦商業(yè)委員會(FTC)規(guī)定，在測試功率之前，首先輸出1kHz的正弦信號、輸出功率為額定功率的1/8，預(yù)熱1小時(shí)。然后，由放大器輸出滿足特定THD和頻率范圍要求的額定功率5分鐘。負(fù)載通常為一個4Ω或8Ω電阻，具體取決于揚(yáng)聲器的標(biāo)稱阻抗。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電視機(jī)沒有外部揚(yáng)聲器的連接端，無法測試其功放輸出，也沒有功率測量的法定標(biāo)準(zhǔn)。通常，標(biāo)稱功率的測量使用1kHz、THD小于10%的信號，功率輸出至少10分鐘。熱穩(wěn)定性該測試提供電視機(jī)的整體熱容量，電視機(jī)被放置在一個最高環(huán)境溫度(典型值為+40°C)的溫箱內(nèi)，電視機(jī)內(nèi)部的溫度會更高，因而放大器的工作溫度略高于環(huán)境溫度。電視機(jī)通常使用原配的揚(yáng)聲器。測試采用了不同的信號波形和幅度。這種功能測試通過評估溫度模板檢驗(yàn)潛在的危險(xiǎn)因素。這個測試需要持續(xù)幾個小時(shí)，從而建立各部分的最終溫度。然后，用紅外溫度計(jì)或熱電偶進(jìn)行檢測，最后將測量結(jié)果與安全規(guī)范(例如：最大PCB溫度或結(jié)溫)進(jìn)行比較。熱穩(wěn)定測試中，無論是功放還是揚(yáng)聲器都不允許任何損壞。測試信號熱穩(wěn)定性測試力圖仿真最惡劣的工作環(huán)境，此時(shí)，音頻信號可能來自DVD和電視廣播設(shè)備，但工程師需要使用標(biāo)準(zhǔn)的信號源，以便每次測試時(shí)得到相同的結(jié)果。建立最終的條件后，測試應(yīng)保證穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。當(dāng)正弦波建立穩(wěn)定的讀數(shù)后，它們并不是模擬音樂或語音信號源，因?yàn)檫@些信號的幅度是隨時(shí)間變化的，信號幅度范圍從靜音到過驅(qū)動(箝位)。幅度分布由振幅因數(shù)描述，它是(音樂或語音信號源)峰值功率與平均功率的比值，用dB表示，以下統(tǒng)稱為峰均比?？梢钥紤]下面表1列出的信號。表1.真實(shí)信號及其對應(yīng)的峰值敲Si睜ne偽w曾av蜓e戴3d牙B禁Pe麻ak民v鐘al旁ue役o葉f債si伸ne臺w跪av叼es夫i厲s鼠1.滑42尤x培hi嚷gh舉er惠t怎ha羅n練th脅e可RM秤S菜v牌al裕ue慌.龍Si憂ne賄w破av雷e抬cl日ip絨pe淘d碗to卵1咳0%汁T水HD英1.涼9d斃B攻Cl烈ip聰pi疊ng特r愿ed亞uc伐es勢t宵he鏡p狂ea毅k溪by掘2撞3%襖,灶th除e貨RM乓S共va蘇lu柄e邊on籠ly紛b徐y哪12突%額of狹t灶he攻ir菠u手nc披li丘pp價(jià)ed澤v饒al珍ue悼s.脆T胳hi抽s溜re姐du壟ce敵s婦th桂e偏ra禮ti趣o碧by貍1凍.1躁dB煮.亞Sq燙ua積re壇w禽av獵e矛0d假B撲Th葵e棵ab摩so懲lu傻te劇v刺ol院ta妹ge璃i座s盆co壽ns穴ta狐nt貸,垃th孝er純ef活or么e串pe輝ak非s彼eq穿ua跪l幕th死e療RM息S凈vo負(fù)lt紀(jì)ag汗e.桑Bu剩rs咽t屈si縣gn捕al敗,麻50以%糟du罩ty雪c住yc喉le結(jié)3d浮B約mo跡re橋t肆ha銀n續(xù)co袍nt魔in葉uo彩us聲s幅ig封na陳l定Th爛e語RM頓S跟of越1蔬(站on憲)紀(jì)an憤d鼓0窩(o群ff花)垂is象0傳.7躍07店.第Re昂du弊ci估ng撒t概he亡R寶MS蓬v個al唱ue總b宮y淺3d區(qū)B螺wh泉il奪e扔ke輔ep引in剪g也th革e垂pe朗ak添v趟al貼ue飼i漂nc遍re使as茂es膽t拾he度r今at館io撒b皆y乞3d受B.貌Pi厭nk謠n雁oi蘭se遮~1本2d洗B杰Id夜ea唯l很no東is煩e倍ha際s華Ga王us眨si莊an晌a檔mp蠻li僵tu陡de鴨d回is唉tr尾ib鉆ut鼠io權(quán)n認(rèn)an泳d,符t成he廟re牧fo腹re控,圓in現(xiàn)fi威ni翁te年p市ea恰ks良a揭nd泥c忙re熟st攪f泛ac借to矮r.預(yù)R臉ea灰l僵im薄pl偉em濕en蛙ta云ti榆on賊s秘(n譜oi兔se銀g叔en瞧er噸at耐or扮s,輕t待es蘿t探CD耕s)執(zhí)h績av存e淚ap摧pr鐮ox宰im藝at悔el總y記12袋dB蛾.超Ro丙ck弟m費(fèi)us度ic桿Up壽t舟o恰12蘋dB譜Th童is趟v享al宜ue溝i狼s森fo煉un酬d方wh植en鄰a選na視ly孩zi林ng扔h亭ea瓜vy紀(jì)m督od址ul姐at犁ed遣c喂om字me晝r(jià)c漫ia尖l向au司di荷o歸CD畜s.按照表1，可以得到與真實(shí)信號非常接近的仿真信號。到目前為止，我們一直都在討論信號源，而我們真正關(guān)心的是對應(yīng)于放大器輸出信號的熱性能。信號鏈路有音量和聲音控制，允許提供一定增益，但是固定的電源電壓限制了峰值輸出電壓，因此，當(dāng)我們調(diào)高音量時(shí)，峰值被削波，而平均功率增大，所以峰均比下降(不同于放大器的輸入信號)。最小峰均比取決于用戶能夠接受的音頻失真程度和設(shè)備所能提供的最大增益。消費(fèi)類電子中，測試信號的最小峰均比最好出現(xiàn)在最惡劣的情況下。揚(yáng)聲器制造商經(jīng)過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)了一些合適的測試信號。揚(yáng)聲器必須能夠處理放大后的信號，而且不會損壞或出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。大部分制造商遵循IEC268-5標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了測試信號：pink噪聲(經(jīng)過濾波(40Hz高通、5kHz低通，2階)后的混合頻率信號)接近于音樂的頻譜分布(圖1)。圖1.IEC268-5噪聲頻譜密度IEC268-5測試信號有6dB的峰均比，被視為最差指標(biāo)。揚(yáng)聲器能夠處理的這個信號的平均功率稱為“連續(xù)功率”指標(biāo)，但大部分制造商公開的是“節(jié)目功率”，功率高出3dB，采用閃爍信號(一分鐘打開，一分鐘關(guān)斷)測試，因此，揚(yáng)聲器能夠處理峰均比為9dB的鉗位信號。峰值功率(用峰均比表示)是放大器能夠提供的峰值輸出功率。放大器的額定輸出功率用正弦波測試，其峰均比為3dB；可處理的連續(xù)功率比額定放大器功率低6dB。最差情況下，整個裝置的連續(xù)測試信號為IEC268噪聲，其RMS功率比峰值功率低9dB，比最大正弦波功率低6dB，這是正弦波測試的最大輸出功率。設(shè)計(jì)放大器的熱容量時(shí)，不必考慮高于揚(yáng)聲器所能處理的功率。集成放大器通常帶有熱保護(hù)，功放過熱時(shí)將放大器置于靜音狀態(tài)，功放冷卻后自動恢復(fù)工作。因?yàn)榉糯笃鬟^載可能導(dǎo)致放大器永久性損壞，放大器的熱保護(hù)門限應(yīng)低于揚(yáng)聲器保護(hù)的實(shí)際功率。放大器類型電視機(jī)使用的音頻功放有兩種類型：AB類和D類。我們將分析這兩種類型的放大器在上述測試中的性能。AB類功放是一種低成本方案，但這類放大器存在較大功耗，需要大的散熱器。D類功放效率較高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。不過，這一缺陷可以通過一定方式補(bǔ)償，因?yàn)镈類放大器對散熱要求不高(僅需小尺寸散熱器或無需散熱器)，IC封裝尺寸也更小。此外，由于系統(tǒng)必須通過熱測試，所以還需考慮測試成本問題。為了簡化兩類放大器的比較，我們假設(shè)兩種放大器都使用FET(而非雙極型)晶體管作為輸出級，在給定的電源電壓(VCC)、負(fù)載(RL)和晶體管導(dǎo)通電阻(RDSON)下，兩類放大器的最大輸出電壓也相同，即最大輸出功率相同。假設(shè)采用橋接負(fù)載(BTL)輸出，流過兩個晶體管、RDSON的輸出電流加倍(圖2)。圖2.BTL放大器的輸出級兩類放大器的功耗相差較大，假定輸出電壓為Ua(輸出功率P=Ua2/RL)，我們首先從直流分析入手。AB類Dab=[(Ua/Rl)×(VCC-Ua)]+IQ×VCC功耗等于輸出電流乘以輸出晶體管的壓降。D類Dd=(Ua/Rl)2×2×RDSON+IQ×VCC功耗主要是電阻損耗，(輸出電流)2×R。兩類放大器都有一個公共項(xiàng)：IQ×VCC，其中IQ是靜態(tài)電流。AB類放大器利用這個電流降低交越失真，而對于D類放大器，該電流代表開關(guān)損耗。兩類放大器具有相同的靜態(tài)電流幅度。通過仿真我們可以進(jìn)行深入分析，選擇一個通用的TV裝置，采用12V電源、8Ω揚(yáng)聲器，具體參數(shù)如下：VCC=12VRl=8ΩRDSON=0.3ΩIQ=0.02A首先，通過下式計(jì)算效率：勺圖3老給出課了正君弦輸隊(duì)入時(shí)油的效瓦率以泥及輸逮出信焦號失衫真，門失真云是由泊于鉗律位造泥成的嫌，即勢電源亭電壓津的限窯制產(chǎn)填生的行。市圖3膽.鐘效率非與輸?shù)醭龉κ衣抒@下式何用于敲計(jì)算冶輸出柄信號制的最獅大擺孩幅：攜尸總諧跳波失蒙真為盯10澡%時(shí)只，輸袋出功炭率為碎10延W，理這時(shí)渡的輸企出功辮率被暑認(rèn)為酸是系裙統(tǒng)的爪最大駝輸出違功率姐。譜從圖邊3可協(xié)以看肆出，撓D類饒放大妥器比駛AB蝴類放上大器貞具有撤更高紋的效飽率，傳圖中既僅在蝕兩個滋工作茅點(diǎn)處補(bǔ)D類恨放大室器的奔效率餡沒有可超出竹AB總類放淋大器溫：眠零輸克入：曉兩類拋放大梨器的尸功耗映為靜券態(tài)功烏耗，矛假設(shè)送二者非相同婆。羊無限逢過載版：即希使是膊AB旦類放筍大器藥也產(chǎn)餐生方押波輸度出，紫晶體管管處疊于飽墓和狀堵態(tài)，管此時(shí)勵兩類肚放大特器具柿有相艱同效晝率、播功耗白、輸強(qiáng)出功研率(奴15尖.5爐6W巖)及臟失真剝(4輝3.滔5%另)。出喪對于停電池悼供電肚產(chǎn)品暫，效惡率是毫至關(guān)煉重要悶的指與標(biāo)，混電源悔設(shè)計(jì)講人員格更加育關(guān)注巷放大左器的怎功耗榮。關(guān)圖4洞給出鋼了正鋤弦輸趁入時(shí)賭，兩窮類放歡大器熊在不巡同增橫益下目的功孔耗曲記線。墾圖4抹.衛(wèi)功耗承與輸取出功圈率起額定周輸出許功率糊10宅W時(shí)端，A柳B類挺放大業(yè)器的鬼功耗嗽為2悟.5側(cè)3W讀，D劑類放聯(lián)大器漲的功族耗為名0.鴨99追4W肉。輸老入信售號電吼平較迅低時(shí)捧，D母類放戀大器容功耗濱降低使，而貓AB感類放式大器惡功耗紗增大吐。語當(dāng)放譜大器炎用來量放大味音樂巧或語管音信羽號時(shí)島，這著些結(jié)芹果與問實(shí)際辨情況釀如何喊關(guān)聯(lián)辦呢?壺通著過噪薯聲信信號可奶以很廊好地跟模擬楚實(shí)際否信號織，它匪與音緞樂信蓄號具燒有相炎同的艦幅度囑分布座，結(jié)漲果相薄同。家為了葉對比窗實(shí)際乎的收坑聽效凱果和膜揚(yáng)聲怠器的辯功率睬處理甩能力覽，將坊x軸唇從輸餃出功聞率更巡改為谷峰均棋比，戲峰均蔽比給末出了照系統(tǒng)陣平均伐輸出吸功率素和峰紅值輸訴出功麥率(訂15軋.5脅6W叉)的濤關(guān)系他。擾理想莊的噪堤聲源新峰均精比為悲無窮籮大，皮其幅胸度變臉化符嚷合“限正態(tài)填分布雪”，焰但峰義值沒圈有限從制。翼當(dāng)信紛號通旬過仿為真放龜大器燥時(shí)，體信號酬分布軟會發(fā)嫌生變霞化—鴿輸出陽信號拋幅度也受到垂電源扭電壓毛的限冶制?？葡到y(tǒng)男增益群變化僑時(shí)，月均值嗚(R線MS軌)電魯壓隨甘之改拳變。邊如果化峰值蛛保持樣不變還，增誰大R樹MS春電壓壩將減勻小峰服均比羊。桶高峰張均比華時(shí)很罩少發(fā)休生削灰波，吼但當(dāng)嗽增益妻提高趟時(shí)通計(jì)常會貿(mào)發(fā)生逢削波勞。磨圖5留給出拜了3鈔dB仆峰均益比下氏的噪今聲，遠(yuǎn)輸出嗎信號峰被嚴(yán)味重削國波。鄰圖5懷.趕3d擦B峰杰均比口噪聲罪經(jīng)過匠放大具后的域信號粒仿真歌時(shí)，衣我們是并不幼關(guān)心萄噪聲拘的頻講譜，淺實(shí)際譜測試轎使用熔了I悼EC小2好68脅-5店信號刊，因港為有浸些放謝大器倦會降東低高表頻部船分的仁效率升。肝改變噸增益歌時(shí)，都可以魯計(jì)算榴可能爸造成便的峰探均比線消耗幣(見奶圖5蜂)。感圖6鐮.花功耗練與功弱率密蹦度(取峰均氧比)我圖6桃顯示鍬從左故至右鎮(zhèn)功耗腸增大示，隨辰后，罷由于犧峰均蝕比降蘇低而鹽減小守。紀(jì)在1悔5d螞B至爸12會dB流之間回，信盟號被壘嚴(yán)重籠削波距，聽評眾會賊調(diào)低溝音量芹。絹9d袍B是平揚(yáng)聲玩器廠巷家認(rèn)易為可湊以接債受的嘴最大每峰均坑比。矛妖0d吸B對另應(yīng)于女滿量洞程方鬼波輸倦出。撫壺9d下B是什最合崖理的窩熱評康估測敗試點(diǎn)異，功絮耗是數(shù)：廣AB振類放面大器前為3輸.0黑5W臭投D類牢放大憤器為雹0.鉆38頭8W欺悉功耗蔽比為鹽3.籮05刪/0角.3片88識=尿7嗓.8訓(xùn)6；久在額喊定功得率測還量時(shí)蛇，功司耗比圾僅為蒙2.趁53盼/0壽.9濫94嘴=禽2娃.5扔5。島仿真囑結(jié)果粘顯示聯(lián)了重辟要的心信息拜。腎對于紹AB浪類功堂放，嗚熱設(shè)田計(jì)的叛挑戰(zhàn)相是通室過噪質(zhì)聲測番試。轎如果暮所設(shè)芒計(jì)的浴放大揭器每肢通道蠶能夠強(qiáng)吸收斬3.抹05舊W功輪率，花對于胸每通養(yǎng)道功昆耗為蠶2.密53窗W的私額定鮮輸出峰功率銅也就緞不是解問題蟻，可倆以連黃續(xù)輸晚出額圣定功殖率。灶因?yàn)閱T兩種媽類型荒放大舊器的屈功耗竄測試銅非常真相似止，二滋者的窄輸出觀功率羽普遍坡采用頁正弦如波進(jìn)賽行熱殖測試涼。當(dāng)足然，饞測試拿中使專用正乏弦波鐮也很費(fèi)容易竿建立響試驗(yàn)遵環(huán)境曉，但排所得凡到的瘋功耗應(yīng)低于難推薦岸噪聲善測試耍的結(jié)嚇果。進(jìn)換句于話說誰，采矮用正霉弦波消評估懸AB育類放肥大器稿的熱耐性能憂時(shí)，脅所得共結(jié)果紗低于艷揚(yáng)聲舞器能絞夠處棄理的穿功率捕。氏對于鏟D類吩放大榨器，暫結(jié)果青正好疊相反蚊，噪籠聲測樂試功諸耗為桿0.劉38趨8W怒，而兔額定除輸出樣功率抬時(shí)需洋要耗扛散的冠功率導(dǎo)是1搶W(xué)，亭相差哄2.攔56姑倍。錘因此狗，使柏用哪種種信梳號進(jìn)拘行測默試，架所得孔結(jié)果春相差覺甚遠(yuǎn)燃。呈因此疫，使膏用正乒弦波堆測試鍋D類楚放大茶器的章熱特?cái)D性時(shí)攏，會王造成斯系統(tǒng)來規(guī)模解過大藝，提鄰高系紗統(tǒng)成賢本。蘋對于訴D類歲放大托器，烘可以帳得出轉(zhuǎn)以下毛結(jié)論片：播IC套供應(yīng)亞商需抖要更隆大的鞠裸片枝面積界，以嫂降低煮R呢DS巴ON徑，這程是影拳響效雄率的漏重要宏因素就。裳D類昨放大羞器需嘩要更藏大的炊封裝煎尺寸冷，以最降低李芯片窄與P挎CB慈或散踐熱片兇之間萄的熱膠阻。導(dǎo)伴制造團(tuán)商需嗎要提馳供小解的散貞熱片曠或采匠用多令層P償CB息，以莖獲得曲較小勻的R冶θJ紙A膝，R券θJ伸A還是芯春片與案環(huán)境藍(lán)之間煤的熱砍阻。茄落如果蘇利用勉PC脹B散余熱，蔥需要絕仔細(xì)存布設(shè)渠大面櫻積的肯連續(xù)映覆銅竿層。恒這些銹覆銅禿層用毅于傳松導(dǎo)熱欠量，朽而且掌需要尾使用忘多個或過孔搏