中心議題：

• 高頻開關(guān)電源在高保真音頻功放中的應(yīng)用
• 瞬態(tài)交流負(fù)載特性測試
• 開關(guān)干擾的測試
• 音頻功率放大器開關(guān)電源形式的選擇

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(zhì)量重、成本高等問題。設(shè)計(jì)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(zhì)量。但由于穩(wěn)壓電路必須使用優(yōu)質(zhì)元件，這會進(jìn)一步降低電源的性價(jià)比。同時(shí)，穩(wěn)壓電路中的功率管因?yàn)楣ぷ髟诜糯髤^(qū)，消耗的功率較大，會導(dǎo)致電源系統(tǒng)效率的下降。

高頻開關(guān)電源(以下簡稱開關(guān)電源)具有體積小、質(zhì)量輕、效率高的特點(diǎn)，因而在電子產(chǎn)品中獲得了廣泛應(yīng)用。但由于一般的開關(guān)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(yīng)用。

深入分析開關(guān)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(guān)電源的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，基于對音頻功率放大器電源的特殊要求和開關(guān)電源特點(diǎn)的分析結(jié)果，采取針對性措施設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，在音頻功率放大器中表現(xiàn)得很優(yōu)秀。實(shí)驗(yàn)和主觀聽音評價(jià)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(guān)電源的電磁干擾并不是主要矛盾

一般認(rèn)為，開關(guān)電源的電磁干擾是影響其音質(zhì)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(shí)際上是一種誤解。

開關(guān)電源電磁干擾的形成有多種原因，主要包括如下幾個(gè)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(dǎo)通時(shí)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(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。然而這種干擾并不是開關(guān)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(guān)電源的主要干擾。

(2) 開關(guān)回路產(chǎn)生的電磁干擾

開關(guān)回路產(chǎn)生的電磁干擾是開關(guān)電源的主要干擾源之一。開關(guān)電源的功率變換管工作在大電流開關(guān)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(chǎn)生特有的諧波干擾。

事實(shí)上，變換波形不可能是理想的矩形波，開關(guān)功率晶體管開啟和關(guān)斷瞬間矩形波會產(chǎn)生畸變。開關(guān)功率晶體管負(fù)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(guān)管寄生電容中電荷的作用，在開關(guān)管導(dǎo)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(chǎn)生高頻干擾。當(dāng)原來飽和的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，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(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，其特點(diǎn)也是諧波豐富，并且頻率很高。這些諧波干擾可以傳導(dǎo)到輸入輸出端對電網(wǎng)和負(fù)載形成傳導(dǎo)干擾。另外，由高頻變壓器的初級線圈、開關(guān)管和濾波電容等構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

(3) 二次整流回路產(chǎn)生的電磁干擾

二次整流回路一方面會產(chǎn)生和一次整流回路類似的諧波干擾，但由于變換頻率遠(yuǎn)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?qū)〞r(shí)會使PN結(jié)內(nèi)的電荷積累，二極管加反向電壓時(shí)積累的電荷會消失并產(chǎn)生反向交流。由于開關(guān)管變換器的頻率較高，二極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短。因此，要在短時(shí)間內(nèi)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(guān)頻率的高頻干擾。文獻(xiàn)[3-4]指出：開關(guān)電源電磁干擾的頻率都高于開關(guān)電源的開關(guān)頻率。

電磁兼容性不好的開關(guān)電源確實(shí)會影響收音機(jī)、電視機(jī)、移動通信設(shè)備等無線電設(shè)備的正常工作。但如果將開關(guān)頻率設(shè)計(jì)在100 kHz以上(采用MOS管一般可將開關(guān)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(shí)上，正因?yàn)殚_關(guān)電源存在各種各樣的電磁干擾，在開關(guān)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(guān)技術(shù)修正變換波形；使用EMI濾波技術(shù)抑制開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾；選擇合適的驅(qū)動電路，控制開關(guān)開啟和關(guān)斷時(shí)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(jìn)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?dāng)_；加強(qiáng)屏蔽等措施。設(shè)計(jì)出符合EMC(電磁兼容)標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源已不難。
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3 音頻功率放大器開關(guān)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(yīng)付交響樂巨大的動態(tài)；同時(shí)由于經(jīng)常處于負(fù)載的迅速變化中，電源的反應(yīng)速度必須非?？欤拍苓€原那些猝發(fā)性的高頻信號。大的功率儲備量和高反應(yīng)速度是設(shè)計(jì)音頻功率放大器專用開關(guān)電源的兩條基本原則。通常的開關(guān)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(yīng)音頻功率放大器的根本原因。事實(shí)表明依照這兩條原則設(shè)計(jì)出來的開關(guān)電源，在音頻功率放大器中的表現(xiàn)是優(yōu)秀的。

開關(guān)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?yàn)楸绕胀▎味耸诫娐份敵龉β蚀蟮枚?，比較適合在瞬時(shí)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(gè)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(shí)它又克服了推挽式電路的缺點(diǎn)，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(jié)構(gòu)簡單、成本低，所以它是音頻功率放大器開關(guān)電源首選的變換形式。

開關(guān)電源的穩(wěn)壓是通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的占空比來實(shí)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(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)和脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，PFM)。脈沖寬度調(diào)制器根據(jù)開關(guān)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(dǎo)通時(shí)間，以此穩(wěn)定開關(guān)電源的輸出電壓。脈沖頻率調(diào)制器則保持導(dǎo)通時(shí)間不變，根據(jù)開關(guān)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(shè)計(jì)比較困難，因此，音頻功率放大器的開關(guān)電源也與絕大部分的開關(guān)電源一樣，適宜采用PWM控制。

大多數(shù)開關(guān)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(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)某種因素引起輸出電壓變化時(shí)，比較結(jié)果將產(chǎn)生誤差信號，開關(guān)電路的脈沖寬度則受放大后的誤差信號控制，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓之目的。這種控制方式與文獻(xiàn)[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(diǎn)：誤差放大電路會影響電源的瞬態(tài)響應(yīng)，當(dāng)負(fù)載迅速變化時(shí)因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的滯后，電源輸出電壓會出現(xiàn)瞬間下跌。因?yàn)榫w管音頻功率放大器等價(jià)于一個(gè)阻抗迅速變化的負(fù)載，而采用電壓型控制電路的開關(guān)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(qū)動PWM電路。反觀輸出電流，由于總體來說電源內(nèi)阻較小，因此只要有微小的△U，就會反應(yīng)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(diào)整輸出電壓，就跳過了誤差放大環(huán)節(jié)，電源的反應(yīng)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(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)(達(dá)10μs級)要遠(yuǎn)優(yōu)于電壓型控制電路(僅ms 級)。由于電源的內(nèi)阻不是線性電阻，電流控制比較難實(shí)現(xiàn)高精度。因此，晶體管音頻功率放大器開關(guān)電源應(yīng)該同時(shí)引入2種控制方式。

開關(guān)干擾雖不是影響音質(zhì)的主要因素，但為了達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，采取了各種常規(guī)的抑制干擾措施，并加上軟開關(guān)技術(shù)。
 

圖1是適合音頻功率放大器的開關(guān)電源工作流程圖

依照圖1設(shè)計(jì)的1 000W，±70V音頻功率放大器開關(guān)電源不論從測試情況看還是從實(shí)際工作表現(xiàn)上看都很優(yōu)秀。

4 100 Hz紋波的測試

開關(guān)電源首先直接對交流電進(jìn)行整流濾波，然后再進(jìn)行開關(guān)變換、二次整流、PWM控制穩(wěn)壓。在整個(gè)過程的前端會產(chǎn)生頻率為100 Hz的紋波，這種可能對聲音造成污染的紋波分量的大小是反映電源品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。由于濾波電容一般都用得不是很大(2 000μF左右)，重負(fù)荷時(shí)前端產(chǎn)生的紋波是比較強(qiáng)的，雖然在后面的過程可消減這種紋波，但并不能完全消除它。圖2～3是在4 A的負(fù)載電流下對電源紋波進(jìn)行定量測試的結(jié)果，測量方法與文獻(xiàn)[2]類似。

從圖中可看出，紋波的P-P值約為20mV，雖然比文獻(xiàn)[2]中的線性穩(wěn)壓電源高了5倍，但仍然很小，特別是在負(fù)載電流比較小的情況下紋波更小，實(shí)踐表明，將開關(guān)電源實(shí)際應(yīng)用到晶體管音頻功率放大器中去時(shí)，并不會造成100 Hz的交流聲干擾。

5 開關(guān)干擾的測試

圖4～5是在4 A的負(fù)載電流下對負(fù)載端電源傳導(dǎo)干擾的定量測試結(jié)果，測量方法與紋波電壓的測量類似。從圖4可看出主干擾的幅度約為1 V(P-P)，并不算大。從圖5可看出主干擾的頻率約為7 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在音頻范圍之外，故不會對音頻功率放大器的工作造成影響。

通過觀察與開關(guān)電源相距0.5 m并與之共電源插線板的計(jì)算機(jī)、電視機(jī)，沒有發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對它們的影響；將調(diào)頻收音機(jī)放在離開關(guān)電源0.5 m處也不會受到任何影響；但將中波收音機(jī)放在離開關(guān)電源1 m處會受到明顯的干擾，這與調(diào)幅波抗干擾能力較差有關(guān)(一般采用電子起輝的日光燈都會嚴(yán)重地干擾中波收音機(jī)的工作)，同時(shí)也與實(shí)驗(yàn)用開關(guān)電源沒有采取屏蔽措施有關(guān)。
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6 瞬態(tài)交流負(fù)載特性測試

電源的瞬態(tài)交流負(fù)載特性比其靜態(tài)負(fù)載特性更能反映電源性能。通過對它的測試可以清楚地反映電源的動態(tài)特性，并能計(jì)算電源在各種情況下的動態(tài)內(nèi)阻。具體的測量方法與文獻(xiàn)[2]相似。

測得零信號輸入時(shí)電源電壓為±70.88 V。將電源接入功率放大器，用8 Ω的大功率電阻作為功放的負(fù)載RZ。設(shè)定信號發(fā)生器的信號頻率為50 Hz，將信號加入功放輸入端，同時(shí)用示波器觀察RZ兩端的波形，調(diào)節(jié)信號幅度，在即將出現(xiàn)削波失真時(shí)測量RZ兩端的電壓。測得峰值電壓為68 V，對應(yīng)交流電壓有效值為48 V，如圖6所示，因此最大正弦波輸出功率為288 W。固定輸入電壓，讓功率放大器工作在最大正弦波輸出狀態(tài)，改變信號頻率，測量在不同頻率下電源電壓的瞬間變化情況。

因?yàn)檎?fù)電源的瞬間變化情況非常相似，僅給出正電源瞬間變化情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在圖7中，示波器水平基線以上的曲線部分表示功率放大器處于負(fù)半周工作狀態(tài)，這時(shí)NPN型功放管的偏置降低，直到截止，因此正電源的電壓會上升，水平基線以下的曲線部分表示功率放大器處于正半周工作狀態(tài)，正電源負(fù)載加重，電壓出現(xiàn)下跌。其下跌幅度為0.7 V，因?yàn)榇藭r(shí)的峰值電流為68 V／8 Ω=8.5 A，故此時(shí)電源的動態(tài)內(nèi)阻為0.082 4 Ω。

圖8～11分別為50 Hz，500 Hz，5 kHz，50 kHz時(shí)正電源電壓的瞬間變化情況，根據(jù)這些圖可以計(jì)算電源在各種頻率負(fù)載下的動態(tài)內(nèi)阻。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著負(fù)載頻率的增大，開關(guān)電源的動態(tài)內(nèi)阻會明顯減小。當(dāng)頻率為20 Hz，50 Hz時(shí)開關(guān)電源的內(nèi)阻約為文獻(xiàn)[2]中的線性穩(wěn)壓電源內(nèi)阻的2倍，500 Hz時(shí)開關(guān)電源的內(nèi)阻約為線性穩(wěn)壓電源內(nèi)阻的1.3倍，當(dāng)頻率為5 kHz時(shí)開關(guān)電源的內(nèi)阻下降到線性穩(wěn)壓電源內(nèi)阻的24％，50 kHz時(shí)的內(nèi)阻只有線性穩(wěn)壓電源內(nèi)阻的10％左右。這表明這款開關(guān)電源有著極低的高頻內(nèi)阻(在頻率為50 kHz時(shí)電源內(nèi)阻只有10-3Ω數(shù)量級)。電源之所以具有這種頻率特性，很可能與PWM電路的動作還受到△I／△t(電流變化率)的影響有關(guān)。

雖然電源的低頻內(nèi)阻相對文獻(xiàn)[2]中提供的線性穩(wěn)壓電源來說是高了一些，但相對于傳統(tǒng)的電容濾波全波整流電路仍然是非常小的。

因此可預(yù)計(jì)，這款開關(guān)穩(wěn)壓電源在高保真音頻功率放大器中將會有良好的表現(xiàn)。
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7 實(shí)際試聽表現(xiàn)

試聽用器材與文獻(xiàn)[2]基本相同，只是放大器的不失真功率由162 W變?yōu)?88 W。這是因?yàn)殚_關(guān)電源的輸出電壓高達(dá)±70.88 V，用它驅(qū)動的OCL功率放大器不失真功率要大得多。實(shí)測這款采用了失真校正技術(shù)的功率放大器在200W功率輸出時(shí)1 kHz非線性失真小于0.007％。

對比電源是文獻(xiàn)[2]中提到的由1 500W變壓器為核心組建的傳統(tǒng)電容濾波橋式整流電源，變壓器次級使用雙49 V抽頭，濾波后空載直流電壓約為±68 V，與開關(guān)電源電壓接近。試聽節(jié)目源包括大編制交響樂、弦樂、美聲、通俗等各類優(yōu)質(zhì)CD，SACD片源。

(1) 靜態(tài)對比

將功率放大器的靜態(tài)電流調(diào)到200 mA左右，不管是用傳統(tǒng)的電容濾波橋式整流電源供電還是用開關(guān)電源供電，靜態(tài)時(shí)背景都非常寧靜，將耳朵貼近低音揚(yáng)聲器也聽不到交流聲，但將耳朵貼近高音揚(yáng)聲器能昕到均勻的高頻噪聲。如果將功率放大器的靜態(tài)電流調(diào)到1.5 A左右，使用傳統(tǒng)的電容濾波橋式整流電源供電時(shí)，耳朵貼近低音揚(yáng)聲器可以聽到交流聲。但使用開關(guān)電源供電時(shí)依然聽不到交流聲。究其原因，在于電容濾波電路的紋波分量會隨負(fù)載的加重而變大。而采用開關(guān)電源時(shí)雖然負(fù)載加重也同樣會導(dǎo)致一次整流濾波后的紋波分量變大，但后面的變換、穩(wěn)壓電路則可降低紋波，使得負(fù)載加重時(shí)紋波的變化不明顯。

(2) 動態(tài)對比

通過播放各類節(jié)目源，進(jìn)行反復(fù)的A，B對比，可以發(fā)現(xiàn)用開關(guān)電源供電時(shí)在低音的沖擊力、寬松度、形體感；中音的密度、純凈度；特別是高音的穿透力、細(xì)膩度各個(gè)方面都明顯勝出。而且沒有任何開關(guān)干擾影響音質(zhì)的跡象。

特別是對大編制交響樂，用開關(guān)電源供電時(shí)，在樂曲的高潮部分，雖然管弦樂齊奏發(fā)出巨大聲響，但還可清晰地聽到那些微弱的聲音，如翻樂譜的聲音、演奏者的氣息聲等，令人感到細(xì)節(jié)豐富、聲場定位準(zhǔn)確、臨場感強(qiáng)烈。特別是對那些近年來錄制的SACD片源，在大動態(tài)時(shí)能感受到整個(gè)樂隊(duì)演奏背景非常寧靜。而用傳統(tǒng)的電容濾波橋式整流電源供電，則必須集中精力去捕捉才能發(fā)現(xiàn)一些微弱聲音，高潮時(shí)聲場定位變得模糊，整個(gè)樂隊(duì)演奏背景寧靜度嚴(yán)重下降，使人感到演奏似乎是在一個(gè)比較嘈雜的環(huán)境下進(jìn)行的。

如果將開關(guān)電源與文獻(xiàn)[2]中的線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行中小音量對比，發(fā)現(xiàn)它們的區(qū)別很小，一般沒有經(jīng)驗(yàn)的人很難聽出它們的差別，但高保真音響愛好者在A，B對比的情況下還是能發(fā)現(xiàn)它們的細(xì)微區(qū)別，例如用線性穩(wěn)壓電源供電顯得低音鼓的聲音要渾厚一些，聲音的尾韻要略長，用開關(guān)電源供電則顯得低音收得稍快，低音樂器的位置顯得稍偏高一點(diǎn)。在中高音區(qū)，用線性穩(wěn)壓電源供電在聲音的圓潤度方面略好，開關(guān)電源在解析力方面略強(qiáng)?？傮w來看雖然風(fēng)格稍有不同，但沒有高下之分，兩者的表現(xiàn)相當(dāng)，處于同一個(gè)層次上。

因?yàn)楣P者所介紹的開關(guān)電源的輸出電壓比文獻(xiàn)[2]中介紹的線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓高出很多，用開關(guān)電源驅(qū)動功率放大器可得到大得多的不失真輸出功率。因此在大音量情況下對比，用開關(guān)電源供電顯得輕松自如、推力十足。但這種對比是不公平的，如果將線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓也提高到±70 V，預(yù)計(jì)這兩種電源的表現(xiàn)將不分伯仲(因?yàn)樽儔浩鞔渭墰]有設(shè)計(jì)電壓更高的抽頭，沒有進(jìn)行這種比較)。

8 結(jié)論

設(shè)計(jì)成功的開關(guān)電源，其性能可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過容量相同的傳統(tǒng)電容濾波電源，并且質(zhì)量不到傳統(tǒng)電源的1／10。如果通過深入研究，進(jìn)一步改進(jìn)PWM電路的控制方式，降低電源在低頻負(fù)載時(shí)的動態(tài)內(nèi)阻。預(yù)計(jì)其性能可以超過線性穩(wěn)壓電源。加上開關(guān)電源具有效率高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，它完全可能也應(yīng)該成為高保真音頻功率放大器的主流電源。