电视机音频放大器―实现更轻薄的热设计考虑

所有内含音频功率放大器的电子设备，例如立体声电视机以及多通道AV接收机，通常都有一个重要的指标，即输出功率，该指标是指所能提供的最大音量，这对于许多消费者来说是一个重要的指标。而对于制造商来说，要考虑的就不单是输出功率，还要考虑在最坏情况下都能保证功能正常的热稳定性。关于这方面的测试标准会因不同公司而异。

通常用两种放大器为电视机提供输出功率，即AB类和D类放大器。向D类放大器的过渡主要是因为平板电视(LCD或等离子)的需要，因为在这类机子空间有限，因而散热是一个问题。目前的测试标准是当年只有AB类放大器时所开发的标准，本文将讨论该标准是否仍适用于D类放大器。

最大输出功率

最大输出功率指的是在给定的时间内，以及在指定的频率和总谐波失真(THD)范围内放大器所能提供的总功率。例如，美国联邦贸易委员会(FTC)规定的功率测试方法中，要求用1kHz的正弦波、以规定输出功率的1/8对放大器进行一个小时的预热。然后，放大器必须能够连续5分钟提供规定功率，当然，必须是在规定的THD和频率范围内。负载通常是一个4Ω或8Ω的电阻器，具体用哪一个取决于标称的扬声器阻抗。

由于绝大多数的电视机都没有外接扬声器的端口，因此没有办法测试功放的输出，因此也就没有功率测量的标准。通常标定功率的测试方法是，采用1kHz的信号，以10%的THD，至少连续10分钟。

热稳定性

该测试用来验证整个设备的热性能。测试时，将设备放入一个规定的最高环境温度(通常为40℃)的测试间内进行。在设备内部温度将会升高，这就使得放大器要承受更高的环境温度。使用设备本身的扬声器作为负载。可以采用不同幅度及不同波形的测试信号进行测试，这将在下一段中讨论。

该测试需要几个小时。测量使用红外温度计或热电偶，但测量值与安全标准中规定的指标进行比较，例如最高PCB温度和结温。要通过热稳定性测试，无论是放大器还是扬声器都不能有任何的损坏。该功能测试通过评估温度特性来检查潜在的损坏。

测试信号

该热稳定测试试图模拟一个最坏情况下的真实情况，这种情况将会导致DVD和电视广播中的音频拖尾(audio track)。为了在每次测试中保证相同的测试结果，工程师应该使用标准的测试信号。一旦最终条件确定好后，它还应该提供稳定的温度读数。

正弦波能够提供稳定的读数，但因为其幅度随时间变化，因而无法模拟节目内容，如音乐或语音。节目信号的幅度应该是全范围信号，从静音到过驱动(削波)。可以用峰值因数(crest factor)来很好地描述节目信号的幅度失真，该因数是音乐或语音信号的峰值功率和平均功率的比值，单位用dB表示。

前面讨论的都是源信号，还没有涉及到我们所关注的放大器输出信号的热评估问题。信号链上不但必须有音量和声音控制，以便允许有足够大的增益，还要有限制峰值输出电压的固定电源。因此，当某人调高音量时峰值因数将会变化：因为峰值被限制住了，而平均功率仍在升高，因此峰值因数将会降低(这与放大器的输入信号的变化不同)。最低的峰值因数取决于消费者所能接受的失真大小和设备的最大增益设置。在任何消费类应用中，理想的最坏情况测试都是指峰值因数最低。

同样，扬声器制造商也已经研究过合适的测试信号，扬声器必须在处理放大器的输出信号时没有损坏和严重失真。绝大多数的制造商采用的是IEC268-5标准，其中规定的测试信号为：粉红噪声信号，即滤波后(即经过40Hz的高通，5kHz的低通滤波，滤波器为2阶滤波器)的各种频率分布，来还原音乐声的长时间频率分布(图1)。

图1：IEC268-5噪声谱密度。

IEC268-5所规定的测试信号的峰值因数为6dB，这是最坏情况下的指标。使用该信号扬声器所能处理的平均功率称作为“连续功率”，不过绝大多数制造商都公布了“节目功率(program power)”，该功率比前者高3dB，用一个间断的信号(依次循环地通一分钟，断一分钟)测试。故扬声器可以处理具有9dB峰值因数的削波信号。

峰值因数中所涉及的峰值功率，指的是放大器提供的峰值功率。放大器的额定输出功率用3dB的正弦波测量，因此，扬声器的长期功率处理能力为6dB，小于放大器的额定功率。用于整个设备的最坏情况下的长期测试信号是IEC268噪声，其RMS功率比峰值输出功率低9dB，比最大正弦波功率低6dB，这是正弦波测试仪器的最大输出功率。

当考虑放大器的热设计时，没有理由要求处理比扬声器规定值更大的功率。集成放大器通常有热保护，故会发生的最坏情况是没有声音，这会在放大器重新冷却下来后自动复位。由于扬声器过载会导致永久性的损坏，将放大器的热限制设置到一个较低水平实际上是保护扬声器的一个有效手段。

放大器的分类

电视机中可以采用两种音频放大器，即AB类和D类。我们要分析一下这两种类型的放大器在上述的测试中的具体表现。AB类放大器是一个低成本的重负荷解决方案，但其功耗太大，并需要体积很大的散热器。D类放大器具有较高的效率，但缺点是价格太高。不过这一点因需要采取的散热措施少(散热器小，或者就无需散热器)以及IC的体积较小所补偿。不过，系统仍然需要通过热测试，故测试策略决定放大器的成本。

为了简化比较，假定两种放大器的都是FET，而不是双极输出晶体管。对于指定的电源电压(V_CC)、负载 (R_I)和R_DSON(输出晶体管全导通的阻抗)来说，最大输出电压对于两种类型是一样的，因为这是最大的输出功率。另外还假定一个桥接负载(BTL)输出，即输出电流流过两个晶体管且R_DSON加倍(图2)。

图2：BTL放大器输出级。

对于不同类型的放大器来说功耗差别极大。让我们从直流分析开始，输出电压为Ua (则输出功率P=Ua2/R_I):

AB类：

Dab =[( Ua/ R_I) * (V_CC-Ua)] + I_Q *V_CC

产生的功率为输出电流与输出电阻器上的电压降的乘积。

D类：

Dd = (Ua/R_I) 2 * 2*R_DSON + I_Q* V_CC

产生的功率主要由阻性损耗构成，(输出电流)2 * R

两种放大器都有一个常系数：即I_Q * V_CC，其中I_Q为静态电流。AB类放大器用该电流来减小交叉失真，而D类放大器中，该电流代表开关损耗。两种放大器中该电流的幅度相同。

通过仿真可以进行进一步分析。考虑常见的电视应用，既采用12V的电源，8Ω的扬声器，并采用下列的参数数据：

V_CC= 12 V

R_I = 8 Ω

R_DSON = 0.3 Ω

I_Q = 0.02 A

首先要确定效率，由下面的方程来计算：

图3图示了正弦波的效率，还给出了输出信号的失真。该失真由削波引起，反过来也可以说，由限定的电源引起。

图3：效率与输出功率的关系。

下列方程被用来计算最大输出电压幅摆：

在10%的THD时，输出功率为10W，这是系统规定的最大输出功率。

如图3中的图形所示，D类放大器提供的效率与输出功率比要远高于AB类放大器。在整个图中，D类放大器只有在两个点上比AB类放大器差：

零输入：两种放大器消耗的都只有静态功率，假定两者相同。无限过载：输出已经成为方波，始终都是饱和的，对于AB类也是如此。在这一点上，两种放大器具有相同的效率、功耗、输出功率(15.56 W)和失真(43.5%)。

由于效率对于电池供电的设备来说非常重要，故大部分的电池供电设备的设计师都对放大器的功耗非常关注。图4给出了两种放大器(注：输入用的是正弦波，增益可变)的功耗曲线。

图4：功耗与输出功率的关系。

在10W额定功率上，AB类和D类放大器的功耗分别是2.53W和0.994W。在输入较低段，D类放大器的功耗较低，而AB类放大器的功耗却增加。这究竟与现实应用中有什么关系？什么时候放大器被用于音乐或语音放大？关于这一点，可以利用噪声信号进行很好的模拟，这种信号的幅度分布与音乐类似，并获得了一致的结果。

为了将结果与实际的收听情形和扬声器的功率处理能力进行比较，我们必须将x轴变量从功率改变成峰值因数。峰值因数反映了系统的平均输出功率和峰值功率之间的关系，这里峰值功率是15.56W。

理想的噪声源的峰值因数为无限大：其幅度分布符合具有明确差异但没有峰值电压限制的“正态分布”。当我们把信号加入到输出信号被电源轨限制的仿真放大器时，该分布将会改变。平均(RMS)电压将随着系统的增益的改变而变化。增加该RMS电压，则峰值因数将降低，因为峰值基准保持不变。

在峰值因数较高时，削波现象很少产生，但当增益增加时，它却经常发生。图5显示了3dB峰值因数的噪声，此时输出信号被严重削波。

图5：具有3dB噪声的放大器输出电压。

为了模拟，我们不关注噪声的“颜色”，但在实际的测试中应采用IEC268-5信号，因为某些放大器在高频时效率较低。

当我们改变增益时，可以计算所有可能的峰值因数值(见图5)对应的功耗。

在音乐功率非常集中的15dB到12dB之间，被严重削波，这将迫使绝大多数用户降低音量。9dB是扬声器制造商认为尚可接受的最差峰值因数，0dB时的输出则成了全方波。

在9dB处，将是进行热评估的最佳点， AB类放大器的功耗为3.05W，D类为0.388W。两者的比值为3.05/0.388 = 7.86，而在进行功率测试时，该比值仅为2.53/0.994 = 2.55。这种模拟有一个重要的意义：对于AB类放大器，热设计方面的挑战在于如何通过噪声测试。一旦放大器设计能够每通道吸收3.05W，则在每通道2.53W功耗的输出功率上不会有太多的热设计问题。额定输出功率能够永久保证。

由于在两种测试中所得到的功耗相类似，故在实际应用中采用正弦波进行输出功率和热测试。当然，虽然采用正弦波信号的测试比较容易建立，不过所产生的功耗将比建议的噪声测试要低一些。

图6

换言之，采用正弦波进行热评估时，会导致AB类放大器的功率处理能力比相同瓦数的扬声器要低。而对于D类放大器，该情况将相反。噪声测试产生0.338W的功耗，而在额定输出功率上实际功耗是1W，相差2.56倍之多。所以，采用什么信号进行热评估，将会导致非常大的差别。

如果在D类放大器热评估中使用正弦波，将导致系统过大，从而增加成本，因为：IC供应商需要较大的芯片面积来减小R_DSON，这是影响效率的主要因素之一；要求D类放大器的封装较大，以便获得结与PCB或散热片之间的较小热阻。

制造商需要提供较小的散热片或多层PCB板，以实现较小的R_thja，即结与环境温度之间的热阻。

如果使用PCB自身作为散热片，需要仔细地布线，应采用大面积的连续敷铜面。由于铜皮要转移热量，故层间应该用多个良好的过孔连接。

老化测试

有时候热评估中需要进行更为严格的测试，即老化(Burn-In)测试。该测试中，将音频处理器能够提供的最大电压加到功率放大器的输入端，使输出信号变成一个像方波似的信号。在本文的例子中，放大器每个通道的测试功耗高达1.41W，并且与AB类放大器没有太大的不同。要通过这样的测试，D类放大器要求比噪声测试中高3.6倍的冷却效果。

本文小结

电视机从CRT到平板的转换要求采用较小的具有较低热功耗的放大器，因此有了D类放大器。即便是采用传统的正弦波测试，在新设计中也能将热减少2.5倍。

工程师必须解决新的挑战，即解决EMI，设计输出滤波器，并采用具有冷却外垫的小型放大器封装。为了揭示所有潜在的节省成本的方法，包括采用D类放大器，现在有必要重新考虑测试方法。下面是建议采用的测试方法：采用中断突发模式检测输出功率，加满功率的正弦波，时间长度刚好能获得THD值；利用噪声信号或实际应用的最坏情况(语音或音乐)来检测热性能。后者需要配以增益设置，以限制放大器的削波，使得即便是在满音量时也能得到可接受的声音效果。