正负电源独立调控型音频功放用开关电源研究

出电压的作用。 由于电流控制电路与电压控制电路的
复杂相互作用， 实际上此时正电源已经下降了 0.7 V，
负电源却上升了 1.3 V。 进一步加大了拉锯式上升与下
降的幅度。
3 正负电源独立调控方案的提出
由于晶体管功率放大器的工作特点导致的正负电 源的瞬间负载的非对称性， 用正负电源间的总电压作 为 PWM 的控制电压， 必然导致正负电源在各自工作 的半周内电压下降、休息的半周内电压上升。 在引进电 流控制方式的情况下还可能加大下降与上升的幅度。
电源在工作的半周内电压存在明显的下降， 会影 响到放大器多方面的性能。 在休息的半周内电压存在 明显的上升，也会对放大器的工作带来不利的影响。 因 此高质量的功放电源必须设法解决这个问题。
为解决这个问题，可考虑以下 3 种方案。 （1） 控制电压交替方式 通过一个由信号控制的开关电路， 切换控制电 压，即在信号的正半周，由正电源电压作为 PWM 电 路 的控制电压， 在信号的负半 周 则 由 负 电 源 作 为 PWM 电路的控制电压。 这样可实现正负电源在各自工作的 半周内的电压保持稳定， 降低其在工作时内阻的目
ΔU，这样，在 正电源电压下降的
同时，负电源就会上升。 反过来，如果处于信号负半周
的峰值附近，负电 源就会下降 1 ΔU，正电源就会上升 2
1 ΔU。 所以这种电源在工作时，正负电源会出现拉锯 2
式的上升和下降。
为实现晶体管音频功率放大器开关电源的高速
化，同时引进电流控制电路[5]，是一种有效手 段。 对这
the special switch power supply specifically for power amplifier， which is of great value.
【Key words】 audio frequency power amplifier； switch power supply； symmetrical double power supply； dynamic
special switch power supply by separately regulating positive and negative power is designed specifically for audio
frequency power amplifier. The perfect performance is assured by the testing of the dynamic loading characteristic
了它优异的性能。 指出采用正负电源独立调控方式是大幅度提高音频功率放大器专用开关电源性能的重要手段，
有着较大的应有价值。
【关键词】 音频功率放大器； 开关电源； 对称双电源； 动态负载特性
【中图分类号】 TN722
【文献标识码】 A
Research on Switch Power Supply by Separately Regulating Positive and
将这种做法移植到高频开关电源中来，是设计者最 容易想到的方法， 因此一般的音频功率放大器用开关 电源也是用类似的方法获取对称电源的，如图 2 所示。
因 为 OCL 音 频 功 率 放 大 器 在 一 般 情 况 下 是 处 于 低偏置的甲乙类工作状态的， 与处于乙类工作状态时 的情况比较接近，正负电源可看成是交替工作的，假设 在信号的正半周是正电源工作， 那么在信号的负半周 就是负电源在工作。 这样除信号过零点的瞬间外，正 负电源的瞬时负载都是不对称的。 假设空载时正负电 源的电压是对称的， 如接近满功率输出状态的放大器 在某瞬间处于信号正半周的峰值附近， 此时正电源的 输出电流很大，负荷很重，变压器线圈的内阻会产生较 明显的压降，加上二极管的正向压降与工作电流有关， 其上面的压降也会明显增大。 这两个因素都会导致正 电源的端电压下降一个 ΔU， 但此时负电源可近似地 看作处于空载状态，其端电压保持不变，因此 a，b 两端 的电压就要下降 ΔU。 脉冲调宽电路的控制电压一般 都取自 a，b 两端，假定电源仅采用压控型 PWM 电路， a，b 两端的电压下降，脉冲宽度就要增加，使得 a，b 两
器中，效果并不令人满意。 针对音频功率放大器电源要 求功率储备量大、 电源反应速度快的特点专门设计的 开关电源，可在将总质量控制在 1 kg 之内的前提下，实 现 1 000 W 以上的输出功率，并达到 10 μs 级的响应速 度，有很低的高频内阻，在实际应用中表现出了优异的 性能[5]。 但其低频内阻仍然比性能优异的线性稳压电源 高， 并存在正负电源的电压随音频信号正负半周交替 变化而出现拉锯式的下跌与上升的问题。 要进一步提 高该电源性能， 实现全面超越线性稳压电源的目标必 须进一步降低低频内阻，将电源电压的波动降到最低。
种电源，由于在信号正半周峰值附近，正电源的输出
电流很大，此时电流控制电路会导致脉冲宽度增加，使
输出电压上升。 这时候 a，b 两端的电压甚至会超过无
负载时 的 值 ，例 如 对 文 献[5]中 的 电 源 ，当 正 电 源 负 载
电流为 8 A， 负电源空载时，a，b 间的电压比静态时会
上升约 0.6 V， 这时电压调控回路实际是起到调低输
交替变化而出现拉锯式上升与下降的现象。 通过研究音频功率放大器电源的工作特点和高频开关电源的脉冲调控
过程，分析了产生这一现象的原因。 借助分析的结果，提出了解决这一问题的一种方案；依据此方案设计了一款正
负电源独立调控型音频功率放大器专用开关电源。 通过测量这款电源的动态负载特性，并结合对比听音评价，肯定
phenomena are explored by studying the characteristics of audio frequency power amplifier and the pulse
modulation of the high-frequency switch power supply. Based on the results， a solution is proposed， with which a
Negative Power for Audio Frequency Power Amplifier
ZHANG Ping-ke
（Hunan First Normal College， Changsha 410002， China）
【Abstract】 When the traditional method to gain symmetrical double power supply is used in designing the high-
端的电压增加一个 ΔU， 以保持 a，b 两端的电压不变。
这样正负电源之间的总电压就实现了稳定， 但单独从
正电源或者负电源看都会发生变化 。 假设增加的 ΔU
是平均分配到正负电源上的，正电源将在原来下降 ΔU
的基础上增加一个
1 2
ΔU，总 的 来 看 还 是 下 降 了
1 2
ΔU，
而负电源则增加了
1 2
电声器件与电路
Ｅｌｅctroacoustic Ｐａｒｔｓ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ
文 章 编 号 ：1002-8684（2008）09-0026-05
正负电源独立调控型音频功放用开关电源研究 * ·论文·
张平柯 （湖南第一师范学院， 湖南 长沙 410002）
【摘 要】 在高频开关电源设计中借用传统的获取对称双电源的方法，会带来正负电源的电压随信号的正负半周
輦輴讂 电声技术 2008年 第 32 卷 第 9 期
电声器件与电路
Ｔ Ｅｌｅctroacoustic Ｐａｒｔｓ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉ
2 正负电源出现拉锯式波动的原因 分析
正负电源出现拉锯式波动的原因， 与晶体管音频 功率放大器的特点和开关电源输出部分的结构有关。 目前的晶体管音频功率放大器几乎都是采用对称电源 供电的 OCL 或者 BTL 电路。 而一般的电容滤波式传统 电源都是通过变压器次级中心抽头的方式获得对称电 源的，图 1 是流行的桥式整流双电源电路。
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Ｅｌｅctroacoustic Ｐａｒｔｓ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ
的。 但仍然不能解决正负电源在休息的半周内电压升 高的问题。 此外，要有效地实现实时切换控制电压的 目的，在技术上也有一些困难。 因此这不是一个很好 的方案。
（2） 正负电源完全独立方式 放弃传统的获取对称双电源的方式， 高频变压器 的次级只用一个单绕组，通过桥式整流，倒 L 型滤波， 得到一个单电源。 用两个独立的电压相等的单电源， 串联起来为功率放大器供电。 这样每个单电源都有独 立的调控回路，能够保证各自在工作时的电压稳定，并 且即使由于负载加重电压出现了少许的下跌， 也不会 导致另一个电源电压的升高。 可以彻底解决正负电源 拉锯式上升与下降的问题。但这个方案也存在缺点，一 个是元器件几乎要加倍，成本提高。 另一个是，为电源 的安全，开关电源都设置有过载保护电路，在电源短路 或者超载的情况下可迅速关断电源。 如果采用两个完 全独立的电源，过载关断电流不可能做得完全一样，很 可能出现正负电源中的一个在工作中突然关断的情 况。 这时晶体管功率放大器的中点电压绝对值会迅速 上升，由于晶体管功率放大器与低音扬声器是直接耦 合的， 低音扬声器两端巨大的直流电压会导致扬声器 瞬间烧毁。 虽然多数晶体管音频功率放大器都有中点 偏移保护电路，但作为电源在设计上是不容许存在这 种缺陷的。 （3） 低频整流滤波共用，高频变换、高频整流、稳 压独立，保护联动方式 电源的工频交流电的整流滤波部分共用， 适当降 低了成本；高频变换电路及脉冲调宽电路，高频整流滤 波电路完全独立的两个电源串联形成正负对称的双电 源。可消除正负电源之间的互相影响，保证正负电源的 稳定。 同时，正负电源的过载保护电路联动，只要其中 一个电源短路或者过载，正负电源立即同时关断，可消 除电源对功率放大器和扬声器的威胁。 用这种方式构建的双电源有着优异的性能和很好 的安全性。 采取各种常规的干扰抑制措施、运用软开关技术、 并采取良好屏蔽降低开关干扰。运用电压、电流双环控 制的 PWM 控制方式提高电源反应速度 。 [6-7] 用方式 C 解决正负电源互相影响后设计出来的 1 000 W，±70 V 音频功率放大器开关电源的工作流程如图 3 所示。 不 论 从 测 试 情 况 看 还 是 从 实 际 工 作 表 现 上 看 都 比 文 献[5] 中介绍的电源更优秀。
as well as the evaluation on the actual trial performance. It is pointed out that the use of special switch power
supply by separately regulating positive and negative power is a better way to largely improve the performance of
frequency switch power supply， it occurrs that the voltages of either ，the positive or the negative power supply，
changes alternatively with the signal′ s positive or negative half period in a seesaw way. The causes of the
loading charact源自文库ristic
1 引言
音频功率放大器的主流电源即传统电容滤波整流 电源存在一些不可克服的 缺 点 ， [1-2] 是 进一 步 提高 音频 功率放大器性能的障碍。 设计合理的线性稳压电源有 相当高的电压稳定度，但这类电源体积大、质量大、成 本高，并且其动态内阻会随着信号频率的提高而增加[3]， 并不 完全适合于为 SACD 等现代信 源 开 发 的 宽 频 、高 速功率放大器[4]。 高频开关电源体积小、质量小、效 率 高。 但由于一般的开关电源没有针对音频功率放大器 的特殊要求进行设计， 将其用在高保真音频功率放大 *[基金项目] 湖南省教育厅 2007 年度科学研究项目（07C047）