電視音頻放大器—超薄系統的熱測試考慮

引言

所有內置音頻功放的設備，例如：立體聲系統、電視和多通道音視頻接收機，都有一個(gè)共同重要指標：輸出功率。這項指標為最終用戶(hù)提供設備所能輸出的最大功率指示，多數客戶(hù)可能非常關(guān)注該項指標。

對于制造商來(lái)說(shuō)，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正常工作的熱穩定性。目前，各家公司可能采用不同的測試標準。

常見(jiàn)的功率放大器有兩種類(lèi)型：AB類(lèi)和D類(lèi)放大器。平板(LCD和等離子)電視是推動(dòng)D類(lèi)放大器發(fā)展的主要動(dòng)力，D類(lèi)放大器解決了平板電視的空間限制和散熱問(wèn)題。而目前使用的測試標準則是在只有AB類(lèi)放大器的時(shí)代推出的，本文將研究它是否適合D類(lèi)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(huì )(FTC)規定，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，預熱1小時(shí)。然后，由放大器輸出滿(mǎn)足特定THD和頻率范圍要求的額定功率5分鐘。負載通常為一個(gè)4Ω或8Ω電阻，具體取決于揚聲器的標稱(chēng)阻抗。

因為大多數電視機沒(méi)有外部揚聲器的連接端，無(wú)法測試其功放輸出，也沒(méi)有功率測量的法定標準。通常，標稱(chēng)功率的測量使用1kHz、THD小于10%的信號，功率輸出至少10分鐘。

熱穩定性

該測試提供電視機的整體熱容量，電視機被放置在一個(gè)最高環(huán)境溫度(典型值為+40°C)的溫箱內，電視機內部的溫度會(huì )更高，因而放大器的工作溫度略高于環(huán)境溫度。電視機通常使用原配的揚聲器。

測試采用了不同的信號波形和幅度。這種功能測試通過(guò)*估溫度模板檢驗潛在的危險因素。這個(gè)測試需要持續幾個(gè)小時(shí)，從而建立各部分的最終溫度。然后，用紅外溫度計或熱電偶進(jìn)行檢測，最后將測量結果與安全規范(例如：最大PCB溫度或結溫)進(jìn)行比較。熱穩定測試中，無(wú)論是功放還是揚聲器都不允許任何損壞。

測試信號

熱穩定性測試力圖仿真最?lèi)毫拥墓ぷ鳝h(huán)境，此時(shí)，音頻信號可能來(lái)自DVD和電視廣播設備，但工程師需要使用標準的信號源，以便每次測試時(shí)得到相同的結果。建立最終的條件后，測試應保證穩定的溫度讀數。

當正弦波建立穩定的讀數后，它們并不是模擬音樂(lè )或語(yǔ)音信號源，因為這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(guò)驅動(dòng)(箝位)。幅度分布由振幅因數描述，它是(音樂(lè )或語(yǔ)音信號源)峰值功率與平均功率的比值，用dB表示，以下統稱(chēng)為峰均比。

可以考慮下面表1列出的信號。

表1. 真實(shí)信號及其對應的峰值

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，當我們調高音量時(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(hù)能夠接受的音頻失真程度和設備所能提供的最大增益。消費類(lèi)電子中，測試信號的最小峰均比最好出現在最?lèi)毫拥那闆r下。

揚聲器制造商經(jīng)過(guò)調查研究，發(fā)現了一些合適的測試信號。揚聲器必須能夠處理放大后的信號，而且不會(huì )損壞或出現嚴重的失真。大部分制造商遵循IEC 268-5標準，該標準定義了測試信號：pink噪聲(經(jīng)過(guò)濾波(40Hz高通、5kHz低通，2階)后的混合頻率信號)接近于音樂(lè )的頻譜分布(圖1)。

圖1. IEC 268-5噪聲頻譜密度

IEC 268-5 測試信號有6dB的峰均比，被視為最差指標。揚聲器能夠處理的這個(gè)信號的平均功率稱(chēng)為“連續功率”指標，但大部分制造商公開(kāi)的是“節目功率”，功率高出3dB，采用閃爍信號(一分鐘打開(kāi)，一分鐘關(guān)斷)測試，因此，揚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；可處理的連續功率比額定放大器功率低6dB。最差情況下，整個(gè)裝置的連續測試信號為IEC 268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。

設計放大器的熱容量時(shí)，不必考慮高于揚聲器所能處理的功率。集成放大器通常帶有熱保護，功放過(guò)熱時(shí)將放大器置于靜音狀態(tài)，功放冷卻后自動(dòng)恢復工作。因為放大器過(guò)載可能導致放大器永久性損壞，放大器的熱保護門(mén)限應低于揚聲器保護的實(shí)際功率。

放大器類(lèi)型

電視機使用的音頻功放有兩種類(lèi)型：AB類(lèi)和D類(lèi)。我們將分析這兩種類(lèi)型的放大器在上述測試中的性能。AB類(lèi)功放是一種低成本方案，但這類(lèi)放大器存在較大功耗，需要大的散熱器。D類(lèi)功放效率較高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。不過(guò)，這一缺陷可以通過(guò)一定方式補償，因為D類(lèi)放大器對散熱要求不高(僅需小尺寸散熱器或無(wú)需散熱器)，IC封裝尺寸也更小。此外，由于系統必須通過(guò)熱測試，所以還需考慮測試成本問(wèn)題。

為了簡(jiǎn)化兩類(lèi)放大器的比較，我們假設兩種放大器都使用FET (而非雙極型)晶體管作為輸出級，在給定的電源電壓(VCC)、負載(RL)和晶體管導通電阻(RDSON)下，兩類(lèi)放大器的最大輸出電壓也相同，即最大輸出功率相同。

假設采用橋接負載(BTL)輸出，流過(guò)兩個(gè)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(lèi)放大器的功耗相差較大，假定輸出電壓為Ua (輸出功率P = Ua?/RL)，我們首先從直流分析入手。

AB類(lèi)

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(lèi)

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(lèi)放大器都有一個(gè)公共項：IQ × VCC，其中IQ是靜態(tài)電流。AB類(lèi)放大器利用這個(gè)電流降低交越失真，而對于D類(lèi)放大器，該電流代表開(kāi)關(guān)損耗。兩類(lèi)放大器具有相同的靜態(tài)電流幅度。

通過(guò)仿真我們可以進(jìn)行深入分析，選擇一個(gè)通用的TV裝置，采用12V電源、8Ω揚聲器，具體參數如下：

VCC = 12V
Rl = 8Ω
RDSON = 0.3Ω
IQ = 0.02A

圖3給出了正弦輸入時(shí)的效率以及輸出信號失真，失真是由于鉗位造成的，即電源電壓的限制產(chǎn)生的。

圖3. 效率與輸出功率

下式用于計算輸出信號的最大擺幅：

總諧波失真為10%時(shí)，輸出功率為10W，這時(shí)的輸出功率被認為是系統的最大輸出功率。

從圖3可以看出，D類(lèi)放大器比AB類(lèi)放大器具有更高的效率，圖中僅在兩個(gè)工作點(diǎn)處D類(lèi)放大器的效率沒(méi)有超出AB類(lèi)放大器：

零輸入：兩類(lèi)放大器的功耗為靜態(tài)功耗，假設二者相同。

無(wú)限過(guò)載：即使是AB類(lèi)放大器也產(chǎn)生方波輸出，晶體管處于飽和狀態(tài)，此時(shí)兩類(lèi)放大器具有相同效率、功耗、輸出功率(15.56W)及失真(43.5%)。

對于電池供電產(chǎn)品，效率是至關(guān)重要的指標，電源設計人員更加關(guān)注放大器的功耗。圖4給出了正弦輸入時(shí)，兩類(lèi)放大器在不同增益下的功耗曲線(xiàn)。

圖4. 功耗與輸出功率

額定輸出功率10W時(shí)，AB類(lèi)放大器的功耗為2.53W，D類(lèi)放大器的功耗為0.994W。輸入信號電平較低時(shí)，D類(lèi)放大器功耗降低，而AB類(lèi)放大器功耗增大。

當放大器用來(lái)放大音樂(lè )或語(yǔ)音信號時(shí)，這些結果與實(shí)際情況如何關(guān)聯(lián)呢? 通過(guò)噪聲信號可以很好地模擬實(shí)際信號，它與音樂(lè )信號具有相同的幅度分布，結果相同。

為了對比實(shí)際的收聽(tīng)效果和揚聲器的功率處理能力，將x軸從輸出功率更改為峰均比，峰均比給出了系統平均輸出功率和峰值輸出功率(15.56W)的關(guān)系。

理想的噪聲源峰均比為無(wú)窮大，其幅度變化符合“正態(tài)分布”，但峰值沒(méi)有限制。當信號通過(guò)仿真放大器時(shí)，信號分布會(huì )發(fā)生變化—輸出信號幅度受到電源電壓的限制。系統增益變化時(shí)，均值(RMS)電壓隨之改變。如果峰值保持不變，增大RMS電壓將減小峰均比。

高峰均比時(shí)很少發(fā)生削波，但當增益提高時(shí)通常會(huì )發(fā)生削波。圖5給出了3dB峰均比下的噪聲，輸出信號被嚴重削波。

仿真時(shí)，我們并不關(guān)心噪聲的頻譜，實(shí)際測試使用了IEC 268-5信號，因為有些放大器會(huì )降低高頻部分的效率。

改變增益時(shí)，可以計算可能造成的峰均比消耗。

圖5. 功耗與功率密度(峰均比)

圖5顯示從左至右功耗增大，隨后，由于峰均比降低而減小。

在15dB至12dB之間，信號被嚴重削波，聽(tīng)眾會(huì )調低音量。

9dB是揚聲器廠(chǎng)家認為可以接受的最大峰均比。

0dB對應于滿(mǎn)量程方波輸出。

9dB是最合理的熱*估測試點(diǎn)，功耗是：

AB類(lèi)放大器為3.05W

D類(lèi)放大器為0.388W

功耗比為3.05/0.388 = 7.86；在額定功率測量時(shí)，功耗比僅為2.53/0.994 = 2.55。

仿真結果顯示了重要的信息。

對于A(yíng)B類(lèi)功放，熱設計的挑戰是通過(guò)噪聲測試。如果所設計的放大器每通道能夠吸收3.05W功率，對于每通道功耗為2.53W的額定輸出功率也就不是問(wèn)題，可以連續輸出額定功率。

因為兩種類(lèi)型放大器的功耗測試非常相似，二者的輸出功率普遍采用正弦波進(jìn)行熱測試。當然，測試中使用正弦波也很容易建立試驗環(huán)境，但所得到的功耗低于推薦噪聲測試的結果。

換句話(huà)說(shuō)，采用正弦波*估AB類(lèi)放大器的熱性能時(shí)，所得結果低于揚聲器能夠處理的功率。

對于D類(lèi)放大器，結果正好相反，噪聲測試功耗為0.388W，而額定輸出功率時(shí)需要耗散的功率是1W，相差2.56倍。因此，使用哪種信號進(jìn)行測試，所得結果相差甚遠。

因此，使用正弦波測試D類(lèi)放大器的熱特性時(shí)，會(huì )造成系統規模過(guò)大，提高系統成本。對于D類(lèi)放大器，可以得出以下結論：

IC供應商需要更大的裸片面積，以降低RDSON，這是影響效率的重要因素。

D類(lèi)放大器需要更大的封裝尺寸，以降低芯片與PCB或散熱片之間的熱阻。

制造商需要提供小的散熱片或采用多層PCB，以獲得較小的RθJA，RθJA是芯片與環(huán)境之間的熱阻。

如果利用PCB散熱，需要仔細布設大面積的連續覆銅層。這些覆銅層用于傳導熱量，而且需要使用多個(gè)過(guò)孔在層與層之間導熱。

老化測試

有時(shí)需要更加嚴格的熱性能*估，這種測試稱(chēng)為“老化測試”。老化測試采用了音頻處理器所能處理的最大電壓作為功放輸入，從而產(chǎn)生類(lèi)似于方波的輸出。該測試中，每通道功耗高達1.41W，與AB類(lèi)放大器沒(méi)有任何不同。D類(lèi)放大器要想通過(guò)這樣的測試，與噪聲測試條件相比，散熱能力需要改善3.6倍。

結論

在CRT向平板電視的過(guò)渡過(guò)程中，需要更小尺寸、熱耗更低的放大器，廠(chǎng)商基于這一需求推出了D類(lèi)放大器。即使采用傳統的正弦波測試方法，D類(lèi)放大器的熱耗也能降低2.5倍，但是，當使用噪聲信號進(jìn)行熱分析時(shí)，熱耗可進(jìn)一步降低2.6倍。

當然，工程師也必須應對一個(gè)新的挑戰：解決EMI問(wèn)題，需要設計輸出濾波器，對于小封裝放大器使用裸焊盤(pán)散熱?，F在，我們重新考察一下測試方法，以便了解D類(lèi)放大器所具備的節省成本的優(yōu)勢。

以下是推薦方法：

檢查突發(fā)模式的輸出功率，在滿(mǎn)足THD的要求下采用滿(mǎn)功率正弦波。

檢查輸入為噪聲信號或最差工作條件下(語(yǔ)音或音樂(lè )信號)的熱容量，這應該與增益設置相對應，保證即使在最大音量下，信號也不會(huì )被削波。