提高功放输出功率和可靠性参考.docVIP

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。 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）。 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