音频放大器应用设计:输出功率与热稳定性测试解析

时间:2025-06-25

在当今的电子设备领域,音频放大器扮演着至关重要的角色。所有内含音频功率放大器的电子设备,如立体声电视机以及多通道 AV 接收机等,通常都有一个关键指标,即输出功率,它代表着设备所能提供的音量,这对于消费者的使用体验而言十分重要。而对于制造商来说,除了输出功率,还要考虑在坏情况下都能保证功能正常的热稳定性。不同公司对于这方面的测试标准也存在差异。

输出功率相关


输出功率指的是在给定时间内,以及在指定的频率和总谐波失真(THD)范围内放大器所能提供的总功率。例如,美国联邦贸易委员会(FTC)规定的功率测试方法中,要求用 1kHz 的正弦波、以规定输出功率的 1/8 对放大器进行一个小时的预热。之后,放大器必须能够连续 5 分钟提供规定功率,当然,这必须是在规定的 THD 和频率范围内。负载通常是一个 4Ω 或 8Ω 的电阻器,具体选用哪一个取决于标称的扬声器阻抗。然而,绝大多数的电视机都没有外接扬声器的端口,因此无法测试功放的输出,也就没有功率测量的标准。通常标定功率的测试方法是,采用 1kHz 的信号,以 10% 的 THD,至少连续 10 分钟。

热稳定性测试


热稳定性测试用于验证整个设备的热性能。测试时,将设备放入一个规定的环境温度(通常为 40℃)的测试间内。在设备内部温度将会升高,这使得放大器要承受更高的环境温度。使用设备本身的扬声器作为负载,可以采用不同幅度及不同波形的测试信号进行测试。该测试需要持续几个小时,测量使用红外温度计或热电偶,并将测量值与安全标准中规定的指标进行比较,例如 PCB 温度和结温。要通过热稳定性测试,无论是放大器还是扬声器都不能有任何损坏。该功能测试通过评估温度特性来检查潜在的损坏。

测试信号分析


热稳定测试试图模拟一个坏情况下的真实情况,这种情况将会导致 DVD 和电视广播中的音频拖尾。为了在每次测试中保证相同的测试结果,工程师应该使用标准的测试信号。正弦波能够提供稳定的读数,但因为其幅度随时间变化,因而无法模拟节目内容,如音乐或语音。节目信号的幅度应该是全范围信号,从静音到过驱动(削波)。可以用峰值因数来很好地描述节目信号的幅度失真,该因数是音乐或语音信号的峰值功率和平均功率的比值,单位用 dB 表示。


扬声器制造商大多采用 IEC268 - 5 标准,其中规定的测试信号为粉红噪声信号,即滤波后(经过 40Hz 的高通,5kHz 的低通滤波,滤波器为 2 阶滤波器)的各种频率分布,来还原音乐声的长时间频率分布(如图 1 所示)。IEC268 - 5 所规定的测试信号的峰值因数为 6dB,这是坏情况下的指标。使用该信号扬声器所能处理的平均功率称作为 “连续功率”,不过绝大多数制造商都公布了 “节目功率”,该功率比前者高 3dB,用一个间断的信号(依次循环地通一分钟,断一分钟)测试。故扬声器可以处理具有 9dB 峰值因数的削波信号。


放大器分类及特点


电视机中可以采用两种音频放大器,即 AB 类和 D 类。AB 类放大器是一个低成本的重负荷解决方案,但其功耗太大,并需要体积很大的散热器。D 类放大器具有较高的效率,但缺点是价格太高。不过这一点因需要采取的散热措施少(散热器小,或者就无需散热器)以及 IC 的体积较小所补偿。不过,系统仍然需要通过热测试,故测试策略决定放大器的成本。


为了简化比较,假定两种放大器的都是 FET,而不是双极输出晶体管。对于指定的电源电压(VCC)、负载(RI)和 RDSON(输出晶体管全导通的阻抗)来说,输出电压对于两种类型是一样的,因为这是的输出功率。另外还假定一个桥接负载(BTL)输出,即输出电流流过两个晶体管且 RDSON 加倍(如图 2 所示)。



通过对音频放大器输出功率、热稳定性等方面的深入测试和分析,能够更好地优化音频放大器的设计和应用,为用户带来更优质的音频体验。

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