电视音频放大器—超薄系统的热测试考虑
缺点是价格昂贵。不过,这一缺陷可以通过一定方式补偿,因为D类放大器对散热要求不高(仅需小尺寸散热器或无需散热器),IC封装尺寸也更校此外,由于系统必须通过热测试,所以还需考虑测试成本问题。
为了简化两类放大器的比较,我们假设两种放大器都使用FET (而非双极型)晶体管作为输出级,在给定的电源电压(VCC)、负载(RL)和晶体管导通电阻(RDSON)下,两类放大器的最大输出电压也相同,即最大输出功率相同。
假设采用桥接负载(BTL)输出,流过两个晶体管、RDSON的输出电流加倍(图2)。
图2. BTL放大器的输出级
两类放大器的功耗相差较大,假定输出电压为Ua (输出功率P = Ua?/RL),我们首先从直流分析入手。
AB类
Dab = [(Ua/Rl) × (VCC - Ua)] + IQ × VCC
功耗等于输出电流乘以输出晶体管的压降。
D类
Dd = (Ua/Rl)² × 2 × RDSON + IQ × VCC
功耗主要是电阻损耗,(输出电流)² × R。
两类放大器都有一个公共项:IQ × VCC,其中IQ是静态电流。AB类放大器利用这个电流降低交越失真,而对于D类放大器,该电流代表开关损耗。两类放大器具有相同的静态电流幅度。
通过仿真我们可以进行深入分析,选择一个通用的TV装置,采用12V电源、8Ω扬声器,具体参数如下:
VCC = 12V
Rl = 8Ω
RDSON = 0.3Ω
IQ = 0.02A
图3给出了正弦输入时的效率以及输出信号失真,失真是由于钳位造成的,即电源电压的限制产生的。
图3. 效率与输出功率
下式用于计算输出信号的最大摆幅:
总谐波失真为10%时,输出功率为10W,这时的输出功率被认为是系统的最大输出功率。
从图3可以看出,D类放大器比AB类放大器具有更高的效率,图中仅在两个工作点处D类放大器的效率没有超出AB类放大器:
零输入:两类放大器的功耗为静态功耗,假设二者相同。
无限过载:即使是AB类放大器也产生方波输出,晶体管处于饱和状态,此时两类放大器具有相同效率、功耗、输出功率(15.56W)及失真(43.5%)。
对于电池供电产品,效率是至关重要的指标,电源设计人员更加关注放大器的功耗。图4给出了正弦输入时,两类放大器在不同增益下的功耗曲线。
图4. 功耗与输出功率
额定输出功率10W时,AB类放大器的功耗为2.53W,D类放大器的功耗为0.994W。输入信号电平较低时,D类放大器功耗降低,而AB类放大器功耗增大。
当放大器用来放大音乐或语音信号时,这些结果与实际情况如何关联呢? 通过噪声信号可以很好地模拟实际信号,它与音乐信号具有相同的幅度分布,结果相同。
为了对比实际的收听效果和扬声器的功率处理能力,将x轴从输出功率更改为峰均比,峰均比给出了系统平均输出功率和峰值输出功率(15.56W)的关系。
理想的噪声源峰均比为无穷大,其幅度变化符合"正态分布",但峰值没有限制。当信号通过仿真放大器时,信号分布会发生变化-输出信号幅度受到电源电压的限制。系统增益变化时,均值(RMS)电压随之改变。如果峰值保持不变,增大RMS电压将减小峰均比。
高峰均比时很少发生削波,但当增益提高时通常会发生削波。图5给出了3dB峰均比下的噪声,输出信号被严重削波。
仿真时,我们并不关心噪声的频谱,实际测试使用了IEC 268-5信号,因为有些放大器会降低高频部分的效率。
改变增益时,可以计算可能造成的峰均比消耗。
图5. 功耗与功率密度(峰均比)
图5显示从左至右功耗增大,随后,由于峰均比降低而减小。
在15dB至12dB之间,信号被严重削波,听众会调低音量。
9dB是扬声器厂家认为可以接受的最大峰均比。
0dB对应于满量程方波输出。
9dB是最合理的热*估测试点,功耗是:
AB类放大器为3.05W
D类放大器为0.388W
功耗比为3.05/0.388 = 7.86;在额定功率测量时,功耗比仅为2.53/0.994 = 2.55。
仿真结果显示了重要的信息。
对于AB类功放,热设计的挑战是通过噪声测试。如果所设计的放大器每通道能够吸收3.05W功率,对于每通道功耗为2.53W的额定输出功率也就不是问题,可以连续输出额定功率。
因为两种类型放大器的功耗测试非常相似,二者的输出功率普遍采用正弦波进行热测试。当然,测试中使用正弦波也很容易建立试验环境,但所得到的功耗低于推荐噪声测试的结果。
换句话说,采用正弦波*估AB类放大器的热性能时,所得结果低于扬声器能够处理的功率。
对于D类放大器,结果正好相反,噪声测试功耗为0.388W,而额定输出功率时需要耗散的功率是1W,相差2.56倍。因此,使用哪种信号进行测试,所得结果相差甚远。
因此,使用正弦波测试D类放大器的热特性时,会造成系统规模过大,提高系统成本。对于D类放大器,可以得出以下结论:
IC供应商需要更大的裸片面积,以降
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