中心議題：
- 高頻開關電源在高保真音頻功放中的應用
- 瞬態交流負載特性測試
- 開關干擾的測試
- 音頻功率放大器開關電源形式的選擇
1 引言
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，并可在一定程度上減輕電源系統的質量。但由于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為工作在放大區，消耗的功率較大，會導致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，因而在電子產品中獲得了廣泛應用。但由于一般的開關電源在音頻功率放大器中的表現并不盡如人意，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，基于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，采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為高保真音頻功率放大器電源的主流。
2 開關電源的電磁干擾并不是主要矛盾
一般認為，開關電源的電磁干擾是影響其音質表現的主要因素，然而通過對這些干擾頻率成分的分析，可以發現這實際上是一種誤解。
開關電源電磁干擾的形成有多種原因，主要包括如下幾個方面：
(1) 輸入電路的電磁干擾
工頻交流電經過整流濾波后是以導通時間短、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傳輸電路產生傳導干擾和輻射干擾。然而這種干擾并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。因此這并不是開關電源的主要干擾。
(2) 開關回路產生的電磁干擾
開關回路產生的電磁干擾是開關電源的主要干擾源之一。開關電源的功率變換管工作在大電流開關狀態，其變換波形為矩形波。由于矩形波具有豐富的奇次諧波，因此，會產生特有的諧波干擾。
事實上，變換波形不可能是理想的矩形波，開關功率晶體管開啟和關斷瞬間矩形波會產生畸變。開關功率晶體管負載是高頻變壓器，由于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，會產生高頻干擾。當原來飽和的開關管關斷時，由于變壓器的漏磁通，致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將和集電極(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，并且頻率很高。這些諧波干擾可以傳導到輸入輸出端對電網和負載形成傳導干擾。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產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。
(3) 二次整流回路產生的電磁干擾
二次整流回路一方面會產生和一次整流回路類似的諧波干擾，但由于變換頻率遠高于工頻，因此這種干擾的頻率要高很多。另一方面二次整流二極管在正向導通時會使PN結內的電荷積累，二極管加反向電壓時積累的電荷會消失并產生反向交流。由于開關管變換器的頻率較高，二極管由導通轉變為截止的時間很短。因此，要在短時間內使存儲的電荷迅速消失就會有很大的反向浪涌電流流過變壓器，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干擾。
縱觀這些干擾，可以看到，它們都是一些超過電源開關頻率的高頻干擾。文獻[3-4]指出：開關電源電磁干擾的頻率都高于開關電源的開關頻率。
電磁兼容性不好的開關電源確實會影響收音機、電視機、移動通信設備等無線電設備的正常工作。但如果將開關頻率設計在100 kHz以上(采用MOS管一般可將開關頻率做到200 kHz)，即使對這些干擾不采取特別的措施，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，正因為開關電源存在各種各樣的電磁干擾，在開關電源幾十年的發展過程中，人們也在降低其電磁干擾方面做出了很大的努力。通過吸收電路降低電路中電壓和電流的變化率；使用軟開關技術修正變換波形；使用EMI濾波技術抑制開關電源的傳導干擾；選擇合適的驅動電路，控制開關開啟和關斷時電壓和電流的變化率；優選元器件(包括功率管、二極管、變壓器等)；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)標準的開關電源已不難。
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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量大，只有這樣才能應付交響樂巨大的動態；同時由于經常處于負載的迅速變化中，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號。大的功率儲備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別的考慮，這正是它們無法適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為比普通單端式電路輸出功率大得多，比較適合在瞬時輸出功率大、動態范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。同時它又克服了推挽式電路的缺點，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。由于頻率控制方式的工作頻率是變化的，后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，適宜采用PWM控制。
大多數開關電源均采用電壓型控制電路。其基本工作過程為：比較電路將經采樣后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，比較結果將產生誤差信號，開關電路的脈沖寬度則受放大后的誤差信號控制，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態響應，當負載迅速變化時因調控網絡的滯后，電源輸出電壓會出現瞬間下跌。因為晶體管音頻功率放大器等價于一個阻抗迅速變化的負載，而采用電壓型控制電路的開關電源因不能跟蹤這種迅速變化，所以并不適合于音頻功率放大器。
從電源的輸出端看，由于輸出電壓相對比較穩定，△U總是比較小的，誤差信號必須經過放大才能驅動PWM電路。反觀輸出電流，由于總體來說電源內阻較小，因此只要有微小的△U，就會反應為很大的△I。如果將△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，就跳過了誤差放大環節，電源的反應速度將大大提高。這就是電流型控制電路。因此，采用電流型控制電路的開關電源瞬態響應(達10μs級)要遠優于電壓型控制電路(僅ms 級)。由于電源的內阻不是線性電阻，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。
開關干擾雖不是影響音質的主要因素，但為了達到電磁兼容標準，采取了各種常規的抑制干擾措施，并加上軟開關技術。
圖1是適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測試情況看還是從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，然后再進行開關變換、二次整流、PWM控制穩壓。在整個過程的前端會產生頻率為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標。由于濾波電容一般都用得不是很大(2 000μF左右)，重負荷時前端產生的紋波是比較強的，雖然在后面的過程可消減這種紋波，但并不能完全消除它。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值約為20mV，雖然比文獻[2]中的線性穩壓電源高了5倍，但仍然很小，特別是在負載電流比較小的情況下紋波更小，實踐表明，將開關電源實際應用到晶體管音頻功率放大器中去時，并不會造成100 Hz的交流聲干擾。
5 開關干擾的測試
圖4～5是在4 A的負載電流下對負載端電源傳導干擾的定量測試結果，測量方法與紋波電壓的測量類似。從圖4可看出主干擾的幅度約為1 V(P-P)，并不算大。從圖5可看出主干擾的頻率約為7 MHz，遠遠落在音頻范圍之外，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并與之共電源插線板的計算機、電視機，沒有發現傳導干擾和輻射干擾對它們的影響；將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；但將中波收音機放在離開關電源1 m處會受到明顯的干擾，這與調幅波抗干擾能力較差有關(一般采用電子起輝的日光燈都會嚴重地干擾中波收音機的工作)，同時也與實驗用開關電源沒有采取屏蔽措施有關。
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6 瞬態交流負載特性測試
電源的瞬態交流負載特性比其靜態負載特性更能反映電源性能。通過對它的測試可以清楚地反映電源的動態特性，并能計算電源在各種情況下的動態內阻。具體的測量方法與文獻[2]相似。
測得零信號輸入時電源電壓為±70.88 V。將電源接入功率放大器，用8 Ω的大功率電阻作為功放的負載RZ。設定信號發生器的信號頻率為50 Hz，將信號加入功放輸入端，同時用示波器觀察RZ兩端的波形，調節信號幅度，在即將出現削波失真時測量RZ兩端的電壓。測得峰值電壓為68 V，對應交流電壓有效值為48 V，如圖6所示，因此最大正弦波輸出功率為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態，改變信號頻率，測量在不同頻率下電源電壓的瞬間變化情況。
因為正負電源的瞬間變化情況非常相似，僅給出正電源瞬間變化情況的實驗結果。
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于負半周工作狀態，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于正半周工作狀態，正電源負載加重，電壓出現下跌。其下跌幅度為0.7 V，因為此時的峰值電流為68 V／8 Ω=8.5 A，故此時電源的動態內阻為0.082 4 Ω。
圖8～11分別為50 Hz，500 Hz，5 kHz，50 kHz時正電源電壓的瞬間變化情況，根據這些圖可以計算電源在各種頻率負載下的動態內阻。計算結果如表1所示。
計算結果表明，隨著負載頻率的增大，開關電源的動態內阻會明顯減小。當頻率為20 Hz，50 Hz時開關電源的內阻約為文獻[2]中的線性穩壓電源內阻的2倍，500 Hz時開關電源的內阻約為線性穩壓電源內阻的1.3倍，當頻率為5 kHz時開關電源的內阻下降到線性穩壓電源內阻的24％，50 kHz時的內阻只有線性穩壓電源內阻的10％左右。這表明這款開關電源有著極低的高頻內阻(在頻率為50 kHz時電源內阻只有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(電流變化率)的影響有關。
雖然電源的低頻內阻相對文獻[2]中提供的線性穩壓電源來說是高了一些，但相對于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，這款開關穩壓電源在高保真音頻功率放大器中將會有良好的表現。
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7 實際試聽表現
試聽用器材與文獻[2]基本相同，只是放大器的不失真功率由162 W變為288 W。這是因為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。實測這款采用了失真校正技術的功率放大器在200W功率輸出時1 kHz非線性失真小于0.007％。
對比電源是文獻[2]中提到的由1 500W變壓器為核心組建的傳統電容濾波橋式整流電源，變壓器次級使用雙49 V抽頭，濾波后空載直流電壓約為±68 V，與開關電源電壓接近。試聽節目源包括大編制交響樂、弦樂、美聲、通俗等各類優質CD，SACD片源。
(1) 靜態對比
將功率放大器的靜態電流調到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，靜態時背景都非常寧靜，將耳朵貼近低音揚聲器也聽不到交流聲，但將耳朵貼近高音揚聲器能昕到均勻的高頻噪聲。如果將功率放大器的靜態電流調到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，在于電容濾波電路的紋波分量會隨負載的加重而變大。而采用開關電源時雖然負載加重也同樣會導致一次整流濾波后的紋波分量變大，但后面的變換、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) 動態對比
通過播放各類節目源，進行反復的A，B對比，可以發現用開關電源供電時在低音的沖擊力、寬松度、形體感；中音的密度、純凈度；特別是高音的穿透力、細膩度各個方面都明顯勝出。而且沒有任何開關干擾影響音質的跡象。
特別是對大編制交響樂，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、臨場感強烈。特別是對那些近年來錄制的SACD片源，在大動態時能感受到整個樂隊演奏背景非常寧靜。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，整個樂隊演奏背景寧靜度嚴重下降，使人感到演奏似乎是在一個比較嘈雜的環境下進行的。
如果將開關電源與文獻[2]中的線性穩壓電源進行中小音量對比，發現它們的區別很小，一般沒有經驗的人很難聽出它們的差別，但高保真音響愛好者在A，B對比的情況下還是能發現它們的細微區別，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，處于同一個層次上。
因為筆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，如果將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將不分伯仲(因為變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統電容濾波電源，并且質量不到傳統電源的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態內阻。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為高保真音頻功率放大器的主流電源。
