[摘要]音频功率放大器对电源的要求比较特殊,一般电源很难满足要求,而电源的好坏又很大程度上决定的功率放大器的音效好坏,本文根据教学实验需要，分析了一种专门用于音频功率放大器的高频开关电源的设计方法，从而得出结论,认为高频开关电源是可以用于高保真音频功率放大器的。这使高频开关电源的应用领域扩展到了高保真音频功率放大器中,为以后的研究提供基本的理论基础。

[关键词]高频开关电源 电磁兼容 音频功率放大器 负载特性

一、引言

音频功率放大器主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小；音调级对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大级是音频功率放大器的主要部分，它决定输出功率的大小，要求输出效率高，输出功率大的特点。对整机的要求是失真小、噪声低，有较好的扩音效果。

通用的整流电源必须使用大容量变压器,这样才能保证相对较高的电气性能。但是，可想而知，这样电源系统的体积就会很大，相对笨重，成本也很高。一般的高保真音频功率放大器都是使用这种整流电源来供电的。

为了得到质量轻，体积小，成本低，而且电气特性优良的电源系统，我们首先想到了高频开关电源，因为高频的存在，使得用于变换的变压器体积小，质量轻。而现代电力电子技术的成熟也能保证开关电源有很好的电气特性。

众所周知，因为音频功率放大器要求电流变化的范围等因素的存在，一般通用的开关电源在音频功率放大器中表现欠佳，因此它在高保真音频功率放大器中没有获得广泛应用。所以开发音频功率放大器专用开关电源就很必要了。

通过对一系列的实验数据的分析我们发现，音频功率放大器对电源供电系统的要求很特殊。所以我们又分析了开关电源的特点，综合考虑，设计专用的开关电源。实验和主观听音评价都表明，高频开关电源在音频功率放大器中表现得很优秀。它完全可取代一般笨重的整流电源，成为高保真音频功率放大器电源的主流。

二、电磁干扰问题

电磁干扰问题是在设计开关电源时一定要考虑的问题，而在音频功率放大器中使用的开关电源我们就要更加注意此问题，因为电磁干扰是影响功放音质表现的主要因素，开关电源电磁干扰的形成有很多种，其中典型的如以下几个方面：

1.工频信号的电磁干扰

顾名思义，工频信号的来源是工频电网中的电压电流信号，一方面，工频电压中的基波分量本身就是一种干扰，只是干扰的频段较低。所以在一般的开关电源中，工频电压的基波分量的影响几乎不能查觉。另一方面，电力电子设备的出现，使电力控制等领域又有了实质性的发展。但是同时也带来负面影响。就是它会给电网带来谐波污染，而这大量的谐波污染又会反过来影响电力电子设备的稳定性。

2.功率变换管开关电磁干扰

在应用了PWM技术的开关电源中，主功率开关管一般在高电压和大电流或者以高频开关方式下工作，开关电压及开关电流一般都会畸变，例如，如果在阻性负载时，开关电压和电流的波形会呈现出近似为方波的类型波，这样，其中就一定含有大量的高次谐波分量。因为电压差可以产生强电场、电流的流动可以产生强磁场，而且大量的谐波电压电流的高频部分在设备内部会产生杂乱的电磁场，从而干扰设备内部电路，使系统工作不稳定，性能降低。与此同时，由于电源变压器存在的漏电感及分布电容和主功率开关管都不是工作在理想状态，在开关管在用很高的频率运做时，就会产生高频高压的尖峰谐波振荡，这种谐波振荡会产生高次谐波，就会通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路。

3.整流回路产生的电磁干扰

一般开关电源中有两个整流回路：一次整流回路和二次整流回路，这两者都不同程度的产生电磁干扰，虽然要经过滤波处理，但是二次整流回路和一次整流回路都依然会有少量的谐波干扰，因为变换频率远高于工频电网频率50Hz。即，整流回路产生的电磁干扰也是一种高频干扰。

综合以上分析，我们可以看出，这些干扰有着共同的特性，那就是它们都是高频干扰源。开关电源电磁干扰的频率都高于开关电源的开关频率。很多移动通信设备由于开关电源的电磁兼容性不好都影响了他们的正常工作。假如我们将开关频率设计在100 kHz以上，即使对这些干扰不采取其他特别的措施，也不会影响到通频带相对比较窄的音频功率放大器的正常工作。事实上，人们对于开关电源存在各种各样的电磁干扰已经做了各种努力，在几十年的开关电源发展史中，人们也在降低其电磁干扰方面尝试了很多的方法并有了一定的突破。例如，吸收电路可以降低电路中电压和电流的变化率；用软开关技术来修正电路的变换波形；使用EMI滤波技术抑制开关电源的传导干扰；选择合适的驱动电路，选用优秀元器件(包括功率管、二极管、变压器等)；进行合理的PCB布局、布线及接地，减小 PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰；加强屏蔽等措施。

三、音频功率放大器对开关电源的基本要求

音频功率放大器是一种功率经常突变的负载,对电源要求是:功率储备量大、反应迅速。对电源的功率储备量大，是因为只有这样才能应付各种音乐巨大的动态；要求电源反应迅速，是因为音频功率放大器经常处于负载的迅速变化中，电源的反应速度必须非常快，才能还原那些猝发性的高频信号。大的功率储备量和高反应速度是设计音频功率放大器专用开关电源的两条基本原则。通常的开关电源没有在这两方面做出特别的考虑，这正是它们无法适应音频功率放大器的根本原因。事实表明依照这两条原则设计出来的开关电源，在音频功率放大器中的表现是优秀的。

开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。

推挽变换器功率开关管承受的电压应力高,只适用于低输入电压的场合,而且开关管关断时漏感能量在开关管上引起高的电压尖峰,给主功率变压器的绕制提出了很高的要求,同时变压器的偏磁问题给器件的一致性和驱动电路脉冲宽度的一致性提出了较高的要求。

在中大功率DC- DC变换器中一般采用全桥变换的电路结构,全桥变换器有两种典型的控制方式,即PWM控制和移相控制。PWM控制因为具有很多的优良性能而应用得十分普遍,但是由于PWM控制变换器中的开关器件一直工作在硬开关状态,每个周期都在高电压下开通,大电流下关断,使器件承受的开关应力大。另外,在高频PWM中会产生相当大的开关损耗,且开关损耗会随着开关频率的提高而增大,使得开关电源效率无法提高。而采用软开关技术的功率器件在零电压、零电流的条件下导通或关断,可以有效地降低开关管的损耗,因此理论上将开关管视为零损耗。采用移相控制软开关变换技术,实现超前相臂和滞后相臂的软开关方式有很多,也很复杂。

反激式开关电源的电路中存在一些电压剧变的节点。和电路中其他电势相对稳定的节点不同,这些节点的电压包含高强度的高频成分。这些电压变化十分活跃的节点称为噪声活跃节点。噪声活跃节点是开关电源电路中的共模传导干扰源,它作用于电路中的对地杂散电容就产生共模噪声电流。因此，反激式开关电源产生的电磁干扰相对较大。

单端正激型开关电源的结构比较简单，已广泛用于中小功率输出场合。但是由于这种拓扑结构的特点是功率变压器工作在B-H曲线的第一象限，因此必须采用适当的去磁方法，以消除磁心单向磁化饱和的潜在隐患。

四、音频功率放大器开关电源设计方法框图

基于以上分析，我们能够得出图1所示的适合音频功率放大器的开关电源基本工作框图。

其中，PWM控制驱动电路是整个电路的控制核心，可以由单片机或DSP实现；直流输出通过取样电路、放大电路进入控制核心，与基准电压比较，形成闭环。

五、结论

本设计方法既能用于直流电功率测量，又能用于低频交流电功率测量，从直流到音频范围内都能正常工作。由于采用有效值乘积的计算方式，不论对正弦单频信号，还是复杂波形的音乐、语音信号，本设计方法直接给出的都是负载实际消耗的有功功率，满度误差一般不超过±3％，基本能够满足教学实验的要求。且本设计方法的突出优点是电路简单可靠，工作频率范围宽，低成本，以有效值方式实现了有功功率的测量。既可单独使用，也可直接内嵌到相关设备中实现直流和低频电功率的测量及数字显示，非常适合教学实验及科研使用，值得推广。

参考文献:

[1]徐垦.新型的真有效值数字测量表A New Digital Measurement Meter for True Effective Value [J].电测与仪表,2005,42(6).

[2]蔡菲娜.基于C8051F单片机的非正弦波功率表的研制Study of non-sinusoidal waveforms Watt-meter based on C8051F-SCM[J].电测与仪表,2004,41(3).

[3]王学伟,周海波,张礼勇.电功率采样测量技术及其发展概况The survey and development of power sampling measurement technology [J].电测与仪表,2002,39．

[4]陈霞.利用AD7755实现电能有功功率的测量Using AD7755 to realize active power measurement [J].山东理工大学学报(自然科学版),2004，18(5)．

[5]张平柯．高频开关电源在高保真音频功放中的应用研究[J].器件与电路，2007,(6)．

(作者单位：浙江理工大学信息与电子学院）