一般高保真音頻功率放大器使用的電容濾波整流電源必須使用大容量變壓器才能保證較高的性能，因此電源系統存在體積大、質量重、成本高等問題。
設計良好的線性穩壓電源，具有很高的性能，並(bìng)可在一定程度上減輕電源系統的質量。但由於(yú)穩壓電路必須使用優質元件，這會進一步降低電源的性價比。同時，穩壓電路中的功率管因爲工作在放大區，消耗的功率較大，會導緻電源系統效率的下降。
高頻開關電源(以下簡稱開關電源)具有體積小、質量輕、效率高的特點，因而在電子産品中獲得瞭(le)廣泛應用。但由於一般的開關電源在音頻功率放大器中的表現並(bìng)不盡如人意，因此它一直沒能在高保真音頻功率放大器中獲得廣泛應用。
深入分析開關電源在音頻功率放大器中表現欠佳的原因，是開發音頻專用開關電源的關鍵。實踐證明，基於(yú)對音頻功率放大器電源的特殊要求和開關電源特點的分析結果，採(cǎi)取針對性措施設計的開關電源，在音頻功率放大器中表現得很優秀。實驗和主觀聽音評價都表明，它完全可取代其他形式的電源成爲高保真音頻功率放大器電源的主流。
2 開關電源的電磁幹擾並不是主要矛盾
一般認爲，開關電(diàn)源的電(diàn)磁幹擾是影響其音質表現的主要因素，然而通過對(duì)這些幹擾頻率成分的分析，可以發現這實際上是一種誤解。
開關電(diàn)源電(diàn)磁幹(gàn)擾的形成有多種原因，主要包括如下幾個方面：
(1) 輸入電(diàn)路的電(diàn)磁幹(gàn)擾
工頻交流電經過整流濾波後是以導通時間短、峰值大的脈沖電流方式提供能量的。這種脈沖電流包含一系列的諧波分量。這些諧波分量會沿著(zhe)傳輸電路産生傳導幹擾和輻射幹擾。然而這種幹擾並(bìng)不是開關電源所特有的，它也出現在一般的使用電源變壓器的電容濾波整流電路中。因此這並(bìng)不是開關電源的主要幹擾。
(2) 開關回路産(chǎn)生的電(diàn)磁幹擾
開關回路産生的電磁幹擾是開關電源的主要幹擾源之一。開關電源的功率變(biàn)換管工作在大電流開關狀态，其變(biàn)換波形爲矩形波。由於(yú)矩形波具有豐富的奇次諧波，因此，會産生特有的諧波幹擾。
事實上，變換波形不可能是理想的矩形波，開關功率晶體管開啓和關斷瞬間矩形波會産生畸變。開關功率晶體管負載是高頻變壓器，由於(yú)高頻變壓器的初級線圈與儲存在開關管寄生電容中電荷的作用，在開關管導通的瞬間，變壓器初級會出現很大的電流，會造成一種幅度較大的尖脈沖，疊加在矩形波的起始部分，其頻帶較寬且諧波豐富，會産生高頻幹擾。當原來飽和的開關管關斷時，由於(yú)變壓器的漏磁通，緻使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈，儲藏在漏感中的這部分能量将和集電極(或漏極)電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，其特點也是諧波豐富，並(bìng)且頻率很高。這些諧波幹擾可以傳導到輸入輸出端對電網和負載形成傳導幹擾。另外，由高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容等構成的高頻開關電流環路可能産生較大的空間輻射，形成輻射幹擾。
(3) 二次整流回路産(chǎn)生的電(diàn)磁幹擾
二次整流回路一方面會産生和一次整流回路類似的諧波幹擾，但由於(yú)變換頻率遠高於(yú)工頻，因此這種幹擾的頻率要高很多。另一方面二次整流二極管在正向導通時會使PN結内的電荷積累，二極管加反向電壓時積累的電荷會消失並(bìng)産生反向交流。由於(yú)開關管變換器的頻率較高，二極管由導通轉變爲截止的時間很短。因此，要在短時間内使存儲的電荷迅速消失就會有很大的反向浪湧電流流過變壓器，在變壓器漏感和其他分布參數的影響下，也會形成頻率很高的電磁幹擾。
縱觀這些幹擾，可以看到，它們都是一些超過電(diàn)源開關頻率的高頻幹擾。文獻[3-4]指出：開關電(diàn)源電(diàn)磁幹擾的頻率都高於(yú)開關電(diàn)源的開關頻率。
電磁兼容性不好的開關電源確(què)實會影響收音機、電視機、移動通信設備等無線電設備的正常工作。但如果将開關頻率設計在100 kHz以上(採(cǎi)用MOS管一般可将開關頻率做到200 kHz)，即使對這些幹擾不採(cǎi)取特别的措施，也不會影響到通頻帶相對比較窄的音頻功率放大器的正常工作。
事實上，正因爲開關電源存在各種各樣的電磁幹擾，在開關電源幾十年的發展過程中，人們也在降低其電磁幹擾方面做出瞭(le)很大的努力。通過吸收電路降低電路中電壓和電流的變(biàn)化率；使用軟開關技術修正變(biàn)換波形；使用EMI濾波技術抑制開關電源的傳導幹擾；選擇合适的驅動電路，控制開關開啓和關斷時電壓和電流的變(biàn)化率；優選元器件(包括功率管、二極管、變(biàn)壓器等)；進行合理的PCB布局、布線及接地，減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾；加強屏蔽等措施。設計出符合EMC(電磁兼容)标準的開關電源已不難。
3 音頻功率放大器開關電源形式的選擇
音頻功率放大器電源要求功率儲備(bèi)量大，隻有這樣才能應付交響樂巨大的動态；同時由於(yú)經常處於(yú)負載的迅速變化中，電源的反應速度必須非常快，才能還原那些猝發性的高頻信号。大的功率儲備(bèi)量和高反應速度是設計音頻功率放大器專用開關電源的兩條基本原則。通常的開關電源沒有在這兩方面做出特别的考慮，這正是它們無法适應音頻功率放大器的根本原因。事實表明依照這兩條原則設計出來的開關電源，在音頻功率放大器中的表現是優秀的。
開關電源的高頻變換電路形式很多，常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。半橋式變換器電路因爲比普通單端式電路輸出功率大得多，比較适合在瞬時輸出功率大、動态範圍大的音頻功率放大器中使用，此外高頻變壓器初級在整個周期中都流過電流，能防止高頻變壓器磁芯出現單向偏磁發生磁飽(bǎo)和，磁芯體積利用得更加充分，在同樣的功率下磁芯可用得更小。同時它又克服瞭(le)推挽式電路的缺點，對功率晶體管配對程度要求較低，對晶體管耐壓和輸入濾波電容耐壓要求也比較低。加上它比全橋式變換器結構簡單、成本低，所以它是音頻功率放大器開關電源首選的變換形式。
開關電源的穩壓是通過調節功率開關管的占空比來實現的。常用的改變占空比的控制方式有2種：即脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)和脈沖頻率調制(Pulse Frequency Modulation，PFM)。脈沖寬度調制器根據開關電源輸出電壓，自動地改變方波脈沖寬度，從而改變功率晶體管的導通時間，以此穩定開關電源的輸出電壓。脈沖頻率調制器則保持導通時間不變，根據開關電源輸出電壓，自動地改變方波頻率而改變占空比。由於(yú)頻率控制方式的工作頻率是變化的，後續電路濾波器的設計比較困難，因此，音頻功率放大器的開關電源也與絕大部分的開關電源一樣，适宜採(cǎi)用PWM控制。
大多數開關電源均採用電壓型控制電路。其基本工作過程爲：比較電路将經採樣後的輸出電壓與基準電壓相比較，當某種因素引起輸出電壓變化時，比較結果将産生誤差信号，開關電路的脈沖寬度則受放大後的誤差信号控制，達到穩定輸出電壓之目的。這種控制方式與文獻[2]中分析的具有比較放大電路的線性穩壓電源存在相似的缺點：誤差放大電路會影響電源的瞬态響應，當負載迅速變化時因調控網絡的滞後，電源輸出電壓會出現瞬間下跌。因爲晶體管音頻功率放大器等價於(yú)一個阻抗迅速變化的負載，而採用電壓型控制電路的開關電源因不能跟蹤這種迅速變化，所以並(bìng)不适合於(yú)音頻功率放大器。
從電源的輸出端看，由於(yú)輸出電壓相對比較穩定，△U總是比較小的，誤差信号必須經過放大才能驅動PWM電路。反觀輸出電流，由於(yú)總體來說電源内阻較小，因此隻要有微小的△U，就會反應爲很大的△I。如果将△I直接加到PWM電路中去，利用它控制脈沖寬度，從而調整輸出電壓，就跳過瞭(le)誤差放大環節，電源的反應速度将大大提高。這就是電流型控制電路。因此，採用電流型控制電路的開關電源瞬态響應(達10μs級)要遠優於(yú)電壓型控制電路(僅ms級)。由於(yú)電源的内阻不是線性電阻，電流控制比較難實現高精度。因此，晶體管音頻功率放大器開關電源應該同時引入2種控制方式。
開關幹擾雖不是影響音質的主要因素，但爲瞭(le)達到電磁兼容标準，採取瞭(le)各種常規的抑制幹擾措施，並(bìng)加上軟開關技術。圖1是适合音頻功率放大器的開關電源工作流程圖。
依照圖1設計的1 000W，±70V音頻功率放大器開關電源不論從(cóng)測(cè)試情況看還是從(cóng)實際工作表現上看都很優秀。
4 100 Hz紋波的測試
開關電源首先直接對交流電進行整流濾波，然後再進行開關變換、二次整流、PWM控制穩壓。在整個過程的前端會産生頻率爲100 Hz的紋波，這種可能對聲音造成污染的紋波分量的大小是反映電源品質的一個重要指标。由於(yú)濾波電容一般都用得不是很大(2 000μF左右)，重負荷時前端産生的紋波是比較強的，雖然在後面的過程可消減這種紋波，但並(bìng)不能完全消除它。圖2～3是在4 A的負載電流下對電源紋波進行定量測試的結果，測量方法與文獻[2]類似。
從圖中可看出，紋波的P-P值約爲20mV，雖然比文獻[2]中的線性穩壓電源高瞭(le)5倍，但仍然很小，特别是在負載電流比較小的情況下紋波更小，實踐表明，将開關電源實際應用到晶體管音頻功率放大器中去時，並(bìng)不會造成100 Hz的交流聲幹擾。
5 開關幹擾的測試
圖4～5是在4 A的負載電流下對負載端電源傳導幹擾的定量測(cè)試結果，測(cè)量方法與紋波電壓的測(cè)量類似。從圖4可看出主幹擾的幅度約爲1 V(P-P)，並(bìng)不算大。從圖5可看出主幹擾的頻率約爲7 MHz，遠遠落在音頻範圍之外，故不會對音頻功率放大器的工作造成影響。
通過觀察與開關電源相距0.5 m並(bìng)與之共電源插線闆的計算機、電視機，沒有發現傳導幹擾和輻射幹擾對它們的影響；将調頻收音機放在離開關電源0.5 m處也不會受到任何影響；但将中波收音機放在離開關電源1 m處會受到明顯的幹擾，這與調幅波抗幹擾能力較差有關(一般採(cǎi)用電子起輝的日光燈都會嚴重地幹擾中波收音機的工作)，同時也與實驗用開關電源沒有採(cǎi)取屏蔽措施有關。
6 瞬态交流負載特性測試
電源的瞬态交流負載特性比其靜态負載特性更能反映電源性能。通過對它的測(cè)試可以清楚地反映電源的動态特性，並(bìng)能計算電源在各種情況下的動态内阻。具體的測(cè)量方法與文獻[2]相似。
測(cè)得零信号輸入時電源電壓爲±70.88 V。将電源接入功率放大器，用8 Ω的大功率電阻作爲功放的負載RZ。設定信号發生器的信号頻率爲50 Hz，将信号加入功放輸入端，同時用示波器觀察RZ兩端的波形，調節信号幅度，在即将出現削波失真時測(cè)量RZ兩端的電壓。測(cè)得峰值電壓爲68 V，對應交流電壓有效值爲48 V，如圖6所示，因此最大正弦波輸出功率爲288 W。固定輸入電壓，讓功率放大器工作在最大正弦波輸出狀态，改變(biàn)信号頻率，測(cè)量在不同頻率下電源電壓的瞬間變(biàn)化情況。
因爲正負電(diàn)源的瞬間變(biàn)化情況非常相似，僅給出正電(diàn)源瞬間變(biàn)化情況的實驗結果。
在圖7中，示波器水平基線以上的曲線部分表示功率放大器處(chù)於(yú)負半周工作狀态，這時NPN型功放管的偏置降低，直到截止，因此正電源的電壓會上升，水平基線以下的曲線部分表示功率放大器處(chù)於(yú)正半周工作狀态，正電源負載加重，電壓出現下跌。其下跌幅度爲0.7 V，因爲此時的峰值電流爲68 V／8 Ω=8.5 A，故此時電源的動态内阻爲0.082 4 Ω。
圖8～11分别爲50 Hz，500 Hz，5 kHz，50 kHz時正電(diàn)源電(diàn)壓的瞬間變(biàn)化情況，根據這些圖可以計算電(diàn)源在各種頻率負載下的動态内阻。計算結果如表1所示。
計算結果表明，随著(zhe)負載頻率的增大，開關電源的動态内阻會明顯減小。當頻率爲20 Hz，50 Hz時開關電源的内阻約爲文獻[2]中的線性穩壓電源内阻的2倍，500 Hz時開關電源的内阻約爲線性穩壓電源内阻的1.3倍，當頻率爲5 kHz時開關電源的内阻下降到線性穩壓電源内阻的24％，50 kHz時的内阻隻有線性穩壓電源内阻的10％左右。這表明這款開關電源有著(zhe)極低的高頻内阻(在頻率爲50 kHz時電源内阻隻有10-3Ω數量級)。電源之所以具有這種頻率特性，很可能與PWM電路的動作還受到△I／△t(電流變(biàn)化率)的影響有關。
雖然電源的低頻内阻相對文獻[2]中提供的線性穩壓電源來說是高瞭(le)一些，但相對於(yú)傳統的電容濾波全波整流電路仍然是非常小的。
因此可預計，這款開關(guān)穩壓電(diàn)源在高保真音頻功率放大器中将會有良好的表現。
7 實際試聽表現
試聽用器材與文獻[2]基本相同，隻是放大器的不失真功率由162 W變爲288 W。這是因爲開關電源的輸出電壓高達±70.88 V，用它驅動的OCL功率放大器不失真功率要大得多。實測這款採用瞭(le)失真校正技術的功率放大器在200W功率輸出時1 kHz非線性失真小於(yú)0.007％。
對比電源是文獻[2]中提到的由1 500W變(biàn)壓器爲核心組建的傳統電容濾波橋式整流電源，變(biàn)壓器次級使用雙49 V抽頭，濾波後空載直流電壓約爲±68 V，與開關電源電壓接近。試聽節目源包括大編(biān)制交響樂、弦樂、美聲、通俗等各類優質CD，SACD片源。
(1) 靜(jìng)态對(duì)比
将功率放大器的靜态電流調到200 mA左右，不管是用傳統的電容濾波橋式整流電源供電還是用開關電源供電，靜态時背景都非常甯靜，将耳朵貼近低音揚聲器也聽不到交流聲，但将耳朵貼近高音揚聲器能昕到均勻的高頻噪聲。如果将功率放大器的靜态電流調到1.5 A左右，使用傳統的電容濾波橋式整流電源供電時，耳朵貼近低音揚聲器可以聽到交流聲。但使用開關電源供電時依然聽不到交流聲。究其原因，在於(yú)電容濾波電路的紋波分量會随負載的加重而變大。而採(cǎi)用開關電源時雖然負載加重也同樣會導緻一次整流濾波後的紋波分量變大，但後面的變換、穩壓電路則可降低紋波，使得負載加重時紋波的變化不明顯。
(2) 動(dòng)态對(duì)比
通過播放各類節目源，進行反複的A，B對比，可以發現用開關電源供電時在低音的沖(chōng)擊力、寬松度、形體感；中音的密度、純(chún)淨度；特别是高音的穿透力、細膩度各個方面都明顯勝出。而且沒有任何開關幹擾影響音質的迹象。
特别是對大編(biān)制交響樂，用開關電源供電時，在樂曲的高潮部分，雖然管弦樂齊奏發出巨大聲響，但還可清晰地聽到那些微弱的聲音，如翻樂譜的聲音、演奏者的氣息聲等，令人感到細節豐富、聲場定位準確(què)、臨場感強烈。特别是對那些近年來錄制的SACD片源，在大動态時能感受到整個樂隊演奏背景非常甯靜。而用傳統的電容濾波橋式整流電源供電，則必須集中精力去捕捉才能發現一些微弱聲音，高潮時聲場定位變得模糊，整個樂隊演奏背景甯靜度嚴重下降，使人感到演奏似乎是在一個比較嘈雜的環境下進行的。
如果将開關電源與文獻[2]中的線性穩壓電源進行中小音量對比，發現它們的區别很小，一般沒有經驗的人很難聽出它們的差别，但高保真音響愛(ài)好者在A，B對比的情況下還是能發現它們的細微區别，例如用線性穩壓電源供電顯得低音鼓的聲音要渾厚一些，聲音的尾韻要略長，用開關電源供電則顯得低音收得稍快，低音樂器的位置顯得稍偏高一點。在中高音區，用線性穩壓電源供電在聲音的圓潤度方面略好，開關電源在解析力方面略強。總體來看雖然風格稍有不同，但沒有高下之分，兩者的表現相當，處於(yú)同一個層次上。
因爲筆(bǐ)者所介紹的開關電源的輸出電壓比文獻[2]中介紹的線性穩壓電源的輸出電壓高出很多，用開關電源驅動功率放大器可得到大得多的不失真輸出功率。因此在大音量情況下對比，用開關電源供電顯得輕松自如、推力十足。但這種對比是不公平的，如果将線性穩壓電源的輸出電壓也提高到±70 V，預計這兩種電源的表現将不分伯仲(因爲變(biàn)壓器次級沒有設計電壓更高的抽頭，沒有進行這種比較)。
8 結論
設計成功的開關電源，其性能可遠遠超過容量相同的傳(chuán)統電容濾波電源，並(bìng)且質量不到傳(chuán)統電源的1／10。如果通過深入研究，進一步改進PWM電路的控制方式，降低電源在低頻負載時的動态内阻。預計其性能可以超過線性穩壓電源。加上開關電源具有效率高、成本低、體積小等優點，它完全可能也應該成爲高保真音頻功率放大器的主流電源。 |
