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应用笔记4628
电视音频放大器—超薄系统的热测试考虑
Robert Polleros, 高级技术成员,应用支持
摘要:用于电视机(TV)设计的D类放大器,对其热特性评估按照类似于AB类放大器的评估原则进行。通过对不同输入信号时放大器的功耗进行深入细致的调查,本文提出了一种更加适合D类放大器的标准。
类似文章被分为三个部分,发表于2007年4月/5月的Audio DesignLine。
引言
所有内置音频功放的设备,例如:立体声系统、电视和多通道音视频接收机,都有一个共同重要指标:输出功率。这项指标为最终用户提供设备所能输出的最大功率指示,多数客户可能非常关注该项指标。
对于制造商来说,不仅需要测试输出功率,还要测试在恶劣环境下能够保障电视机正常工作的热稳定性。目前,各家公司可能采用不同的测试标准。
常见的功率放大器有两种类型:AB类和D类放大器。平板(LCD和等离子)电视是推动D类放大器发展的主要动力,D类放大器解决了平板电视的空间限制和散热问题。而目前使用的测试标准则是在只有AB类放大器的时代推出的,本文将研究它是否适合D类放大器。
最大输出功率
最大输出功率是在指定的时间、特定的信号频率以及总谐波失真(THD)条件下,放大器所能提供的功率。例如:联邦商业委员会(FTC)规定,在测试功率之前,首先输出1kHz的正弦信号、输出功率为额定功率的1/8,预热1小时。然后,由放大器输出满足特定THD和频率范围要求的额定功率5分钟。负载通常为一个4Ω或8Ω电阻,具体取决于扬声器的标称阻抗。
因为大多数电视机没有外部扬声器的连接端,无法测试其功放输出,也没有功率测量的法定标准。通常,标称功率的测量使用1kHz、THD小于10%的信号,功率输出至少10分钟。
热稳定性
该测试提供电视机的整体热容量,电视机被放置在一个最高环境温度(典型值为+40°C)的温箱内,电视机内部的温度会更高,因而放大器的工作温度略高于环境温度。电视机通常使用原配的扬声器。
测试采用了不同的信号波形和幅度。这种功能测试通过评估温度模板检验潜在的危险因素。这个测试需要持续几个小时,从而建立各部分的最终温度。然后,用红外温度计或热电偶进行检测,最后将测量结果与安全规范(例如:最大PCB温度或结温)进行比较。热稳定测试中,无论是功放还是扬声器都不允许任何损坏。
测试信号
热稳定性测试力图仿真最恶劣的工作环境,此时,音频信号可能来自DVD和电视广播设备,但工程师需要使用标准的信号源,以便每次测试时得到相同的结果。建立最终的条件后,测试应保证稳定的温度读数。
当正弦波建立稳定的读数后,它们并不是模拟音乐或语音信号源,因为这些信号的幅度是随时间变化的,信号幅度范围从静音到过驱动(箝位)。幅度分布由振幅因数描述,它是(音乐或语音信号源)峰值功率与平均功率的比值,用dB表示,以下统称为峰均比。
可以考虑下面表1列出的信号。
表1. 真实信号及其对应的峰值
Signal
Crest Factor
Description
Sine wave
3dB
Peak value of sine waves is 1.42x higher than the RMS value.
Sine wave clipped to 10% THD
1.9dB
Clipping reduces the peak by 23%, the RMS value only by 12% of their unclipped values. This reduces the ratio by 1.1dB.
Square wave
0dB
The absolute voltage is constant, therefore peaks equal the RMS voltage.
Burst signal, 50% duty cycle
3dB more than continuous signal
The RMS of 1 (on) and 0 (off) is 0.707. Reducing the RMS value by 3dB while keeping the peak value increases the ratio by 3dB.
Pink noise
~12dB
Ideal noise has Gaussian amplitude distribution and, therefore, infinite peaks and crest factor. Real implementations (noise generators, test CDs) have approximately 12dB.
Rock music
Up to 12dB
This value is found when analyzing heavy modulated commercial audio CDs.
按照表1,可以得到与真实信号非常接近的仿真信号。
到目前为止,我们一直都在讨论信号源,而我们真正关心的是对应于放大器输出信号的热性能。信号链路有音量和声音控制,允许提供一定增益,但是固定的电源电压限制了峰值输出电压,因此,当我们调高音量时,峰值被削波,而平均功率增大,所以峰均比下降(不同于放大器的输入信号)。
最小峰均比取决于用户能够接受的音频失真程度和设备所能提供的最大增益。消费类电子中,测试信号的最小峰均比最好出现在最恶劣的情况下。
扬声器制造商经过调查研究,发现了一些合适的测试信号。扬声器必须能够处理放大后的信号,而且不会损坏或出现严重的失真。大部分制造商遵循IEC 268-5标准,该标准定义了测试信号:pink噪声(经过滤波(40Hz高通、5kHz低通,2阶)后的混合频率信号)接近于音乐的频谱分布(图1)。
图1. IEC 268-5噪声频谱密度
IEC 268-5 测试信号有6dB的峰均比,被视为最差指标。扬声器能够处理的这个信号的平均功率称为“连续功率”指标,但大部分制造商公开的是“节目功率”,功率高出3dB,采用闪烁信号(一分钟打开,一分钟关断)测试,因此,扬声器能够处理峰均比为9dB的钳位信号。
峰值功率(用峰均比表示)是放大器能够提供的峰值输出功率。放大器的额定输出功率用正弦波测试,其峰均比为3dB;可处理的连续功率比额定放大器功率低6dB。最差情况下,整个装置的连续测试信号为IEC 268噪声,其RMS功率比峰值功率低9dB,比最大正弦波功率低6dB,这是正弦波测试的最大输出功率。
设计放大器的热容量时,不必考虑高于扬声器所能处理的功率。集成放大器通常带有热保护,功放过热时将放大器置于静音状态,功放冷却后自动恢复工作。因为放大器过载可能导致放大器永久性损坏,放大器的热保护门限应低于扬声器保护的实际功率。
放大器类型
电视机使用的音频功放有两种类型:AB类和D类。我们将分析这两种类型的放大器在上述测试中的性能。AB类功放是一种低成本方案,但这类放大器存在较大功耗,需要大的散热器。D类功放效率较高,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封装尺寸也更小。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 = Ua2/RL),我们首先从直流分析