所有内含音頻功率放大器的電子設備(bèi)，例如立體聲電視機以及多通道AV接收機，通常都有一個重要的指标，即輸出功率，該指标是指所能提供的最大音量，這對於(yú)許多消費者來說是一個重要的指标。而對於(yú)制造商來說，要考慮的就不單是輸出功率，還要考慮在最壞情況下都能保證功能正常的熱穩定性。關於(yú)這方面的測試标準會因不同公司而異。
通常用兩種放大器爲電視機提供輸出功率，即AB類和D類放大器。向D類放大器的過渡主要是因爲平闆電視(LCD或等離子)的需要，因爲在這類機子空間有限，因而散熱是一個問題。目前的測(cè)試标準是當年隻有AB類放大器時所開發的标準，本文将讨論該标準是否仍适用於(yú)D類放大器。
最大輸出功率
最大輸出功率指的是在給定的時間内，以及在指定的頻率和總諧波失真(THD)範圍内放大器所能提供的總功率。例如，美國聯邦貿易委員會(FTC)規定的功率測(cè)試方法中，要求用1kHz的正弦波、以規定輸出功率的1/8對放大器進行一個小時的預熱。然後，放大器必須能夠連續5分鍾提供規定功率，當然，必須是在規定的THD和頻率範圍内。負載通常是一個4Ω或8Ω的電阻器，具體用哪一個取決於(yú)标稱的揚聲器阻抗。
由於(yú)絕大多數的電視機都沒有外接揚聲器的端口，因此沒有辦法測試功放的輸出，因此也就沒有功率測量的标準。通常标定功率的測試方法是，採(cǎi)用1kHz的信号，以10%的THD，至少連續10分鍾。
熱穩定性
該測試用來驗證整個設備(bèi)的熱性能。測試時，将設備(bèi)放入一個規定的最高環境溫度(通常爲40℃)的測試間内進行。在設備(bèi)内部溫度将會升高，這就使得放大器要承受更高的環境溫度。使用設備(bèi)本身的揚聲器作爲負載。可以採(cǎi)用不同幅度及不同波形的測試信号進行測試，這将在下一段中讨論。
該測(cè)試需要幾個小時。測(cè)量使用紅外溫度計或熱電(diàn)偶，但測(cè)量值與安全标準中規定的指标進行比較，例如最高PCB溫度和結溫。要通過熱穩定性測(cè)試，無論是放大器還是揚聲器都不能有任何的損壞。該功能測(cè)試通過評估溫度特性來檢查潛在的損壞。
測試信号
該熱穩定測試試圖模拟一個最壞情況下的真實情況，這種情況将會導緻DVD和電視廣播中的音頻拖尾(audio track)。爲瞭(le)在每次測試中保證相同的測試結果，工程師應該使用标準的測試信号。一旦最終條件確(què)定好後，它還應該提供穩定的溫度讀數。
正弦波能夠提供穩定的讀數，但因爲其幅度随時間變(biàn)化，因而無法模拟節目内容，如音樂或語音。節目信号的幅度應該是全範圍信号，從(cóng)靜音到過驅動(削波)。可以用峰值因數(crest factor)來很好地描述節目信号的幅度失真，該因數是音樂或語音信号的峰值功率和平均功率的比值，單位用dB表示。
前面讨論的都是源信号，還沒有涉及到我們所關注的放大器輸出信号的熱評估問題。信号鏈上不但必須有音量和聲音控制，以便允許有足夠大的增益，還要有限制峰值輸出電壓的固定電源。因此，當某人調高音量時峰值因數将會變化：因爲峰值被限制住瞭(le)，而平均功率仍在升高，因此峰值因數将會降低(這與放大器的輸入信号的變化不同)。最低的峰值因數取決於(yú)消費者所能接受的失真大小和設備的最大增益設置。在任何消費類應用中，理想的最壞情況測試都是指峰值因數最低。
同樣，揚聲器制造商也已經研究過合适的測(cè)試信号，揚聲器必須在處理放大器的輸出信号時沒有損壞和嚴重失真。絕大多數的制造商採(cǎi)用的是IEC268-5标準，其中規定的測(cè)試信号爲：粉紅噪聲信号，即濾波後(即經過40Hz的高通，5kHz的低通濾波，濾波器爲2階濾波器)的各種頻率分布，來還原音樂聲的長時間頻率分布(圖1)。
圖1：IEC268-5噪聲譜密度。
IEC268-5所規定的測(cè)試信号的峰值因數爲6dB，這是最壞情況下的指标。使用該信号揚聲器所能處理的平均功率稱作爲“連續功率”，不過絕大多數制造商都公布瞭(le)“節目功率(program power)”，該功率比前者高3dB，用一個間斷的信号(依次循環地通一分鍾，斷一分鍾)測(cè)試。故揚聲器可以處理具有9dB峰值因數的削波信号。
峰值因數中所涉及的峰值功率，指的是放大器提供的峰值功率。放大器的額定輸出功率用3dB的正弦波測量，因此，揚聲器的長期功率處理能力爲6dB，小於(yú)放大器的額定功率。用於(yú)整個設備(bèi)的最壞情況下的長期測試信号是IEC268噪聲，其RMS功率比峰值輸出功率低9dB，比最大正弦波功率低6dB，這是正弦波測試儀器的最大輸出功率。
當考慮放大器的熱設計時，沒有理由要求處(chù)理比揚聲器規定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護，故會發生的最壞情況是沒有聲音，這會在放大器重新冷卻下來後自動複位。由於(yú)揚聲器過載會導緻永久性的損壞，将放大器的熱限制設置到一個較低水平實際上是保護揚聲器的一個有效手段。
放大器的分類
電視機中可以採用兩種音頻放大器，即AB類和D類。我們要分析一下這兩種類型的放大器在上述的測試中的具體表現。AB類放大器是一個低成本的重負荷解決方案，但其功耗太大，並需要體積很大的散熱器。D類放大器具有較高的效率，但缺點是價格太高。不過這一點因需要採取的散熱措施少(散熱器小，或者就無需散熱器)以及IC的體積較小所補償。不過，系統仍然需要通過熱測試，故測試策略決定放大器的成本。
爲瞭簡化比較，假定兩種放大器的都是FET，而不是雙極輸出晶體管。對於指定的電源電壓(VCC)、負載 (RI)和RDSON(輸出晶體管全導通的阻抗)來說，最大輸出電壓對於兩種類型是一樣的，因爲這是最大的輸出功率。另外還假定一個橋接負載(BTL)輸出，即輸出電流流過兩個晶體管且RDSON加倍(圖2)。
圖2：BTL放大器輸出級。
對於不同類型的放大器來說功耗差别極大。讓我們從直流分析開始，輸出電壓爲Ua (則輸出功率P=Ua2/RI):
AB類：
Dab =[( Ua/ RI) * (VCC-Ua)] + IQ *VCC
産(chǎn)生的功率爲輸出電(diàn)流與輸出電(diàn)阻器上的電(diàn)壓降的乘積。
D類：
Dd = (Ua/RI) 2 * 2*RDSON + IQ* VCC
産(chǎn)生的功率主要由阻性損耗構成，(輸出電(diàn)流)2 * R
兩種放大器都有一個常系數：即IQ * VCC，其中IQ爲靜态電流。AB類放大器用該電流來減小交叉失真，而D類放大器中，該電流代表開關損耗。兩種放大器中該電流的幅度相同。
通過仿真可以進行進一步分析。考慮常見的電視應用，既採(cǎi)用12V的電源，8Ω的揚聲器，並(bìng)採(cǎi)用下列的參數數據：
VCC= 12 V
RI = 8 Ω
RDSON = 0.3 Ω
IQ = 0.02 A
首先要確(què)定效率，由下面的方程來計(jì)算：
圖3圖示瞭(le)正弦波的效率，還給出瞭(le)輸出信号的失真。該失真由削波引起，反過來也可以說，由限定的電(diàn)源引起。
圖3：效率與輸出功率的關系。
下列方程被用來計算最大輸出電(diàn)壓幅擺(bǎi)：
在10%的THD時(shí)，輸出功率爲10W，這是系統規(guī)定的最大輸出功率。
如圖3中的圖形所示，D類放大器提供的效率與輸出功率比要遠高於(yú)AB類放大器。在整個圖中，D類放大器隻有在兩個點(diǎn)上比AB類放大器差：
零輸入：兩種放大器消耗的都隻有靜态功率，假定兩者相同。無限過載：輸出已經成爲方波，始終都是飽(bǎo)和的，對於(yú)AB類也是如此。在這一點上，兩種放大器具有相同的效率、功耗、輸出功率(15.56 W)和失真(43.5%)。
由於(yú)效率對於(yú)電池供電的設備來說非常重要，故大部分的電池供電設備的設計師都對放大器的功耗非常關注。圖4給出瞭(le)兩種放大器(注：輸入用的是正弦波，增益可變)的功耗曲線。
圖4：功耗與輸出功率的關系。
在10W額定功率上，AB類和D類放大器的功耗分别是2.53W和0.994W。在輸入較低段，D類放大器的功耗較低，而AB類放大器的功耗卻增加。這究竟與現實應用中有什麽關系？什麽時候放大器被用於音樂或語音放大？關於這一點，可以利用噪聲信号進行很好的模拟，這種信号的幅度分布與音樂類似，並(bìng)獲得瞭(le)一緻的結果。
爲瞭(le)将結果與實際的收聽情形和揚聲器的功率處理能力進行比較，我們必須将x軸變(biàn)量從功率改變(biàn)成峰值因數。峰值因數反映瞭(le)系統的平均輸出功率和峰值功率之間的關系，這裏峰值功率是15.56W。
理想的噪聲源的峰值因數爲無限大：其幅度分布符合具有明確(què)差異但沒有峰值電壓限制的“正态分布”。當我們把信号加入到輸出信号被電源軌限制的仿真放大器時，該分布将會改變。平均(RMS)電壓将随著(zhe)系統的增益的改變而變化。增加該RMS電壓，則峰值因數将降低，因爲峰值基準保持不變。
在峰值因數較高時，削波現象很少産(chǎn)生，但當增益增加時，它卻經常發生。圖5顯示瞭(le)3dB峰值因數的噪聲，此時輸出信号被嚴重削波。
圖5：具有3dB噪聲的放大器輸出電壓。
爲瞭(le)模拟，我們不關注噪聲的“顔色”，但在實際的測試中應採(cǎi)用IEC268-5信号，因爲某些放大器在高頻時效率較低。
當(dāng)我們改變(biàn)增益時，可以計算所有可能的峰值因數值(見圖5)對應的功耗。
在音樂功率非常集中的15dB到12dB之間，被嚴重削波，這将迫使絕大多數用戶(hù)降低音量。9dB是揚聲器制造商認爲尚可接受的最差峰值因數，0dB時的輸出則成瞭(le)全方波。
在9dB處，将是進行熱評估的最佳點， AB類放大器的功耗爲3.05W，D類爲0.388W。兩者的比值爲3.05/0.388 = 7.86，而在進行功率測(cè)試時，該比值僅爲2.53/0.994 = 2.55。這種模拟有一個重要的意義：對於(yú)AB類放大器，熱設計方面的挑戰在於(yú)如何通過噪聲測(cè)試。一旦放大器設計能夠每通道吸收3.05W，則在每通道2.53W功耗的輸出功率上不會有太多的熱設計問題。額定輸出功率能夠永久保證。
由於(yú)在兩種測試中所得到的功耗相類似，故在實際應用中採(cǎi)用正弦波進行輸出功率和熱測試。當然，雖然採(cǎi)用正弦波信号的測試比較容易建立，不過所産生的功耗将比建議的噪聲測試要低一些。
圖6
換言之，採(cǎi)用正弦波進行熱評估時，會導緻AB類放大器的功率處理能力比相同瓦數的揚聲器要低。而對於(yú)D類放大器，該情況将相反。噪聲測試産生0.338W的功耗，而在額定輸出功率上實際功耗是1W，相差2.56倍之多。所以，採(cǎi)用什麽信号進行熱評估，将會導緻非常大的差别。
如果在D類放大器熱評估中使用正弦波，将導緻系統過大，從而增加成本，因爲：IC供應商需要較大的芯片面積來減小RDSON，這是影響效率的主要因素之一；要求D類放大器的封裝較大，以便獲得結與PCB或散熱片之間的較小熱阻。
制造商需要提供較小的散熱片或多層PCB闆，以實現較小的Rthja，即結與環境溫度之間的熱阻。
如果使用PCB自身作爲散熱片，需要仔細地布線，應採(cǎi)用大面積的連續敷銅面。由於(yú)銅皮要轉移熱量，故層間應該用多個良好的過孔連接。
老化測試
有時候熱評估中需要進行更爲嚴格的測試，即老化(Burn-In)測試。該測試中，将音頻處理器能夠提供的最大電壓加到功率放大器的輸入端，使輸出信号變(biàn)成一個像方波似的信号。在本文的例子中，放大器每個通道的測試功耗高達1.41W，並(bìng)且與AB類放大器沒有太大的不同。要通過這樣的測試，D類放大器要求比噪聲測試中高3.6倍的冷卻效果。
本文小結
電視機從CRT到平闆的轉換要求採(cǎi)用較小的具有較低熱功耗的放大器，因此有瞭(le)D類放大器。即便是採(cǎi)用傳統的正弦波測試，在新設計中也能将熱減少2.5倍。
工程師必須解決新的挑戰，即解決EMI，設計輸出濾波器，並(bìng)採用具有冷卻外墊的小型放大器封裝。爲瞭(le)揭示所有潛在的節省成本的方法，包括採用D類放大器，現在有必要重新考慮測試方法。下面是建議採用的測試方法：採用中斷突發模式檢測輸出功率，加滿功率的正弦波，時間長度剛好能獲得THD值；利用噪聲信号或實際應用的最壞情況(語音或音樂)來檢測熱性能。後者需要配以增益設置，以限制放大器的削波，使得即便是在滿音量時也能得到可接受的聲音效果。 |
