电视音频放大器—超薄系统的热测试考虑

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。

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(V_CC)、负载(R_L)和晶体管导通电阻(R_DSON)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、R_DSON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/R_L)，我们首先从直流分析入手。

AB类

Dab = [(Ua/Rl) × (V_CC - Ua)] + I_Q × V_CC

功耗等于输出电流乘以输出晶体管的压降。

D类

Dd = (Ua/Rl)² × 2 × R_DSON + I_Q × V_CC

功耗主要是电阻损耗，(输出电流)² × R。

两类放大器都有一个公共项：I_Q × V_CC，其中I_Q是静态电流。AB类放大器利用这个电流降低交越失真，而对于D类放大器，该电流代表开关损耗。两类放大器具有相同的静态电流幅度。

通过仿真我们可以进行深入分析，选择一个通用的TV装置，采用12V电源、8Ω扬声器，具体参数如下：

V_CC = 12V
Rl = 8Ω
R_DSON = 0.3Ω
I_Q = 0.02A

首先，通过下式计算效率：

图3给出了正弦输入时的效率以及输出信号失真，失真是由于钳位造成的，即电源电压的限制产生的。


图3. 效率与输出功率

下式用于计算输出信号的最大摆幅：

总谐波失真为10%时，输出功率为10W，这时的输出功率被认为是系统的最大输出功率。

从图3可以看出，D类放大器比AB类放大器具有更高的效率，图中仅在两个工作点处D类放大器的效率没有超出AB类放大器：

• 零输入：两类放大器的功耗为静态功耗，假设二者相同。
• 无限过载：即使是AB类放大器也产生方波输出，晶体管处于饱和状态，此时两类放大器具有相同效率、功耗、输出功率(15.56W)及失真(43.5%)。

对于电池供电产品，效率是至关重要的指标，电源设计人员更加关注放大器的功耗。图4给出了正弦输入时，两类放大器在不同增益下的功耗曲线。


图4. 功耗与输出功率

额定输出功率10W时，AB类放大器的功耗为2.53W，D类放大器的功耗为0.994W。输入信号电平较低时，D类放大器功耗降低，而AB类放大器功耗增大。

当放大器用来放大音乐或语音信号时，这些结果与实际情况如何关联呢? 通过噪声信号可以很好地模拟实际信号，它与音乐信号具有相同的幅度分布，结果相同。

为了对比实际的收听效果和扬声器的功率处理能力，将x轴从输出功率更改为峰均比，峰均比给出了系统平均输出功率和峰值输出功率(15.56W)的关系。

理想的噪声源峰均比为无穷大，其幅度变化符合“正态分布”，但峰值没有限制。当信号通过仿真放大器时，信号分布会发生变化—输出信号幅度受到电源电压的限制。系统增益变化时，均值(RMS)电压随之改变。如果峰值保持不变，增大RMS电压将减小峰均比。

高峰均比时很少发生削波，但当增益提高时通常会发生削波。图5给出了3dB峰均比下的噪声，输出信号被严重削波。


图5. 3dB峰均比噪声经过放大后的信号

仿真时，我们并不关心噪声的频谱，实际测试使用了IEC 268-5信号，因为有些放大器会降低高频部分的效率。

改变增益时，可以计算可能造成的峰均比消耗(见图5)。


图6. 功耗与功率密度(峰均比)

图6显示从左至右功耗增大，随后，由于峰均比降低而减小。

• 在15dB至12dB之间，信号被严重削波，听众会调低音量。
• 9dB是扬声器厂家认为可以接受的最大峰均比。
• 0dB对应于满量程方波输出。

9dB是最合理的热评估测试点，功耗是：

• AB类放大器为3.05W
• D类放大器为0.388W

功耗比为3.05/0.388 = 7.86；在额定功率测量时，功耗比仅为2.53/0.994 = 2.55。

仿真结果显示了重要的信息。

对于AB类功放，热设计的挑战是通过噪声测试。如果所设计的放大器每通道能够吸收3.05W功率，对于每通道功耗为2.53W的额定输出功率也就不是问题，可以连续输出额定功率。

因为两种类型放大器的功耗测试非常相似，二者的输出功率普遍采用正弦波进行热测试。当然，测试中使用正弦波也很容易建立试验环境，但所得到的功耗低于推荐噪声测试的结果。

换句话说，采用正弦波评估AB类放大器的热性能时，所得结果低于扬声器能够处理的功率。

对于D类放大器，结果正好相反，噪声测试功耗为0.388W，而额定输出功率时需要耗散的功率是1W，相差2.56倍。因此，使用哪种信号进行测试，所得结果相差甚远。

因此，使用正弦波测试D类放大器的热特性时，会造成系统规模过大，提高系统成本。对于D类放大器，可以得出以下结论：

• IC供应商需要更大的裸片面积，以降低R_DSON，这是影响效率的重要因素。
• D类放大器需要更大的封装尺寸，以降低芯片与PCB或散热片之间的热阻。
• 制造商需要提供小的散热片或采用多层PCB，以获得较小的R_θJA，R_θJA是芯片与环境之间的热阻。
• 如果利用PCB散热，需要仔细布设大面积的连续覆铜层。这些覆铜层用于传导热量，而且需要使用多个过孔在层与层之间导热。

老化测试

有时需要更加严格的热性能评估，这种测试称为“老化测试”。老化测试采用了音频处理器所能处理的最大电压作为功放输入，从而产生类似于方波的输出。该测试中，每通道功耗高达1.41W，与AB类放大器没有任何不同。D类放大器要想通过这样的测试，与噪声测试条件相比，散热能力需要改善3.6倍。

结论

在CRT向平板电视的过渡过程中，需要更小尺寸、热耗更低的放大器，厂商基于这一需求推出了D类放大器。即使采用传统的正弦波测试方法，D类放大器的热耗也能降低2.5倍，但是，当使用噪声信号进行热分析时，热耗可进一步降低2.6倍。

当然，工程师也必须应对一个新的挑战：解决EMI问题，需要设计输出滤波器，对于小封装放大器使用裸焊盘散热。现在，我们重新考察一下测试方法，以便了解D类放大器所具备的节省成本的优势。

以下是推荐方法：

• 检查突发模式的输出功率，在满足THD的要求下采用满功率正弦波。
• 检查输入为噪声信号或最差工作条件下(语音或音乐信号)的热容量，这应该与增益设置相对应，保证即使在最大音量下，信号也不会被削波。