【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)實(shí)例分析了幾個(gè)有缺陷的電路設(shè)計(jì)，其中包括一個(gè)引起嚴(yán)重“工程設(shè)計(jì)災(zāi)難”的D類開關(guān)音頻功率放大器。這一業(yè)余級(jí)的D類放大器設(shè)計(jì)中既沒有負(fù)反饋，也沒有輸出濾波，竟然發(fā)表在美國最流行的電子愛好者雜志上。鑒于放大器電路本身輸入和輸出端外部連接的必要性，缺乏隔離措施可能引起嚴(yán)重安全問題。
撇開危險(xiǎn)性不說，電路設(shè)計(jì)還有好壞之分，一個(gè)電路可能是好的設(shè)計(jì)，也可能是垃圾。無論專業(yè)還是愛好者類雜志，都存在一定數(shù)量的劣質(zhì)電路設(shè)計(jì)。也許你認(rèn)為出版行業(yè)的專業(yè)人員應(yīng)該在某種程度上扮演質(zhì)量把控的角色，以確保只有高質(zhì)量的電路設(shè)計(jì)才能發(fā)表。然而問題在于，很多真正優(yōu)秀的工程師都在公司里忙于設(shè)計(jì)，這跟其它諸多行業(yè)一樣。
涉足危險(xiǎn)區(qū)
讓我們來看一個(gè)最令人難忘的電子工程設(shè)計(jì)災(zāi)難。令我震驚的是，它竟然于1996年發(fā)布在最受歡迎的電子愛好者雜志上，發(fā)表這個(gè)電路設(shè)計(jì)是不負(fù)責(zé)任的。除此之外，還有一些不那么嚴(yán)重但仍很重要的問題。
這個(gè)電路用于D類開關(guān)音頻功率放大器，這一技術(shù)不僅早在1975年就已經(jīng)被詳細(xì)地介紹過了（就在這些非常流行的電子愛好者雜志上），而且索尼在這一時(shí)期制造出了第一個(gè)商用開關(guān)音頻功率放大器。當(dāng)時(shí)，索尼研發(fā)出了因垂直J-FET型結(jié)構(gòu)而得名的V-FET器件。作為FET，這些器件輕松地實(shí)現(xiàn)了與高質(zhì)量音頻相匹配的250kHz開關(guān)頻率的高速需求（這意味著采樣速率比理想的上限頻率高一個(gè)數(shù)量級(jí)）。廣義D類放大器的基本拓?fù)漕愃朴赟igma-Delta調(diào)制器:
圖1：一個(gè)正確設(shè)計(jì)的D類開關(guān)音頻功率放大器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
需要注意的是，這個(gè)廣義拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)都是正確的。調(diào)制器包含在一個(gè)封閉的反饋環(huán)路內(nèi)，以確保忠實(shí)還原輸入信號(hào)。輸出濾波器在反饋回路外部，極大地簡(jiǎn)化了穩(wěn)定性問題，實(shí)際上還可以支持更大的帶寬。這個(gè)基本拓?fù)鋱D省略了很多細(xì)節(jié)。比如，功率器件的門極驅(qū)動(dòng)（包括索尼的原始V-FET）帶來了一些需要級(jí)聯(lián)跟隨器等電路的挑戰(zhàn)。
D類開關(guān)設(shè)計(jì)所獨(dú)有的一個(gè)難點(diǎn)在于，它們依賴于輸出級(jí)中未使用能量的再循環(huán)來實(shí)現(xiàn)其效率。當(dāng)從單個(gè)輸出級(jí)為負(fù)載提供直流電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生問題。我們可以利用圖2中的基本電路來解釋。圖2所示電路基于一個(gè)假設(shè)，那就是我們?cè)噲D生成一個(gè)負(fù)輸出電壓。它還包括一些實(shí)際電路中不會(huì)出現(xiàn)的器件，像D3和D4。增加這兩個(gè)二極管的目的是為了強(qiáng)調(diào)一個(gè)事實(shí)，即多數(shù)供電電源具有很好的拉電流特性，但灌電流卻很糟糕。
圖2：這一電路顯示單端D類只能用于沒有直流分量的交流信號(hào)。
上面圖2所示電路描述下面的MOSFET Q2導(dǎo)通，向負(fù)載提供必要的電流以產(chǎn)生負(fù)輸出。任何一個(gè)中間輸出電壓就決定了小于100%（或大于0%）的占空比，因此如底部的示意圖所示，最終Q2關(guān)斷，Q1導(dǎo)通。在這些條件下，受輸出濾波器內(nèi)電感作用的影響，電流持續(xù)流向同一個(gè)方向，其唯一通道是從Q2源極，通過D1反激式二極管，到Q2漏極，然后進(jìn)入正電源。這樣的電流方向會(huì)引起正電源電壓每個(gè)周期都上升一點(diǎn)，直到高到足以損害電路器件。
這個(gè)電路不可能暴露在直流輸入端，也不能形成一個(gè)可以作為靜態(tài)直流輸出出現(xiàn)的偏移 。在這種情況下，輸出濾波器的再生能量將會(huì)提高軌道上與負(fù)載供電相反的電源電壓（例如，負(fù)載端正直流電平將會(huì)對(duì)負(fù)電源軌起到推動(dòng)作用）。索尼通過交流耦合輸入來處理這個(gè)問題，內(nèi)置一個(gè)能夠關(guān)閉放大器的“電壓升高檢測(cè)器”。一個(gè)更巧妙的解決辦法是將開關(guān)放大器設(shè)置成全橋，以便可以回收能量。
一個(gè)嚴(yán)重的工程設(shè)計(jì)災(zāi)難
現(xiàn)在我們已經(jīng)大致描述了一個(gè)設(shè)計(jì)合理的D類放大器的基本原理，接下來就讓我們通過兩張?jiān)韴D（圖3中的放大器和圖4中的電源設(shè)計(jì)）來看看所謂的“工程設(shè)計(jì)災(zāi)難”。顯而易見，這一業(yè)余級(jí)的D類放大器設(shè)計(jì)中既沒有負(fù)反饋，也沒有輸出濾波。這是一個(gè)開關(guān)頻率為50kHz的開環(huán)架構(gòu)。是的，它是可行的，但絕對(duì)達(dá)不到高保真級(jí)別。
圖3：這是脈寬調(diào)制器最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式。它是一個(gè)開環(huán)回路，而且沒有輸出濾波器，這是一個(gè)很粗糙的設(shè)計(jì)。
放大器沒有輸出濾波也能工作，畢竟揚(yáng)聲器不能對(duì)50kHz做出響應(yīng)。濾波可改善這一電路可能產(chǎn)生的嚴(yán)重失真問題。更糟糕的后果是來自較長的揚(yáng)聲器引線的RFI（射頻干擾）問題，揚(yáng)聲器引線會(huì)攜帶具有大量強(qiáng)大諧波的50kHz開關(guān)波形。這很有可能會(huì)打擾到你的鄰居。
脈寬調(diào)制器由最基本的比較器組成，其中一側(cè)輸入端為三角波形，另一側(cè)輸入端為所需的模擬信號(hào)。鑒于50kHz的低開關(guān)頻率，將比較器輸出耦合到功率器件的電路只能盡可能的簡(jiǎn)單。
對(duì)于輸出器件，更是沒有任何電流限制或其它保護(hù)。揚(yáng)聲器引線短路肯定會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。更不用說可能引起的其它風(fēng)險(xiǎn)了，比如輸出器件的短路和高電流有可能引起火災(zāi)。
如果這還不算是糟糕透頂?shù)摹缀醪恢档没ㄙM(fèi)金錢或時(shí)間去設(shè)計(jì)的電路，那么這項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的最大災(zāi)難非電源設(shè)計(jì)莫屬。請(qǐng)注意，這位作者是從老式管類設(shè)備入手的，例如5管無變壓器式無線電設(shè)計(jì)，其內(nèi)部電路是直接連接到交流電端的。然而，那個(gè)時(shí)候，制造商在這方面也非常老道，你不會(huì)看見任何類型的外部連接器孔，而且任何客戶可能觸碰到或抓住的也都經(jīng)過細(xì)致的絕緣處理。因此，我對(duì)于直連交流電源的設(shè)備操作并不陌生，它可以處理得很好，但很容易被忽視。
圖4：請(qǐng)勿設(shè)計(jì)這樣的供電電路。如果一定要這樣做，必須通過隔離變壓器將其連接至交流電源。
再次強(qiáng)調(diào)，這一放大器的電源直接連接到交流電只是一個(gè)基本問題。由于放大器電路本身輸入和輸出端外部連接的必要性，缺乏隔離措施可能引起更加危險(xiǎn)的后果。當(dāng)交流電源接通時(shí)，用戶可能會(huì)接觸到連接線。
一些讀者可能會(huì)觀察到示意圖中交流電線兩側(cè)都沒有明顯的“直接”連接，例如輸入插孔或揚(yáng)聲器連接。那么就讓我對(duì)此來說明一下，當(dāng)您使用交流電源線時(shí)，會(huì)面對(duì)以下兩種場(chǎng)景之一：1）無絕緣；2）絕緣（使用某種類型的變壓器完全隔離交流電線路）。在場(chǎng)景2中，絕不可能通過放大器上的任何連接，經(jīng)由交流線路產(chǎn)生電流，進(jìn)而絕對(duì)確保操作人員的電氣安全。這里描述的放大器并沒有這種隔離。雖然可以通過整流器、濾波器帽、TRIAC和一些電阻器來建立交流線路的電流路徑，但一旦接觸到人，仍然極具風(fēng)險(xiǎn)。交流電源線是我們通常接觸到的最危險(xiǎn)的電能源。當(dāng)人們接觸到交流電連接時(shí)，絕緣是絕對(duì)有必要的，這是毋庸置疑的。
這會(huì)延伸到交流線路安全問題，包括交流電源線的極性，確保低端總是與地面位于同側(cè)。然而所有這些問題在任何設(shè)計(jì)合理的電路中都是應(yīng)該避免的，采取的措施就是使用電源變壓器。前面討論的這種放大器只需簡(jiǎn)單地包含一個(gè)常用的隔離變壓器，至少能確保安全（但不一定很好）。
作為后話，值得一提的是，該雜志在后續(xù)期刊中發(fā)表了一些聲明，指出這個(gè)電路設(shè)計(jì)欠缺隔離的問題。然而，對(duì)新手們來說，一開始便嘗試這樣的設(shè)計(jì)，著實(shí)是可怕的。
除了以上的問題，其實(shí)這個(gè)電源設(shè)計(jì)在某些方面還算巧妙，它使用TRIAC交流線路相位控制作為51V電源的一個(gè)高效“粗調(diào)”穩(wěn)壓器。但是，當(dāng)你了解到相位控制調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的RFI，并且有悖于現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)時(shí)，它就顯得沒那么巧妙了。現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)側(cè)重功率因數(shù)校正，引入了電流波形圖的波形和相位，并盡可能地使其與電壓波形圖（參見相位控制調(diào)光器）保持一致。簡(jiǎn)而言之，電源中的電流會(huì)沿著交流電正弦波的電壓波形圖，在多處以短脈沖形式流動(dòng)。光譜上會(huì)顯得很凌亂。顯然，這只是其中一個(gè)較小的問題。
不合格問題
上世紀(jì)80年代，一家著名的政府科研機(jī)構(gòu)主辦的雜志發(fā)表了一篇設(shè)計(jì)筆記，是關(guān)于如何通過運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)更高帶寬的。其中只包含一個(gè)簡(jiǎn)單的、非常通用的原理圖（圖5）。
圖5：該電路被視為增加運(yùn)算放大器電路帶寬的可行方法。實(shí)際上，這可能是運(yùn)算放大器最不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之一。
對(duì)運(yùn)算放大器和反饋理論有基本了解的人都會(huì)很容易意識(shí)到，假設(shè)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益顯著高于反饋電阻的比率，則信號(hào)增益僅能按照反饋電阻的比率來進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)開環(huán)增益下降到等于或小于基于反饋電阻設(shè)置的值時(shí)，此時(shí)的頻率就決定了帶寬。除非選擇不同的運(yùn)算放大器，否則無法改善開環(huán)增益中增益與頻率的關(guān)系。
簡(jiǎn)單的檢測(cè)表明，我們正在本是單極系統(tǒng)的反饋路徑中放置一個(gè)極點(diǎn)，這種情況只會(huì)使系統(tǒng)更趨于不穩(wěn)。
這種電容可能的唯一影響是瞬態(tài)響應(yīng)過沖加劇，并大幅提高高頻噪聲（可能作者注意到高頻噪聲的增加，并由此推斷出更高的帶寬）。在某些情況下，還會(huì)發(fā)生直接振蕩。
偽科學(xué)
大約在1996年中期，某電子愛好者雜志上刊登了一篇關(guān)于魔術(shù)燈的文章，聲稱通過簡(jiǎn)單地應(yīng)用普通的臺(tái)燈調(diào)光器電路，可以大大提高白熾燈的效率。實(shí)際上，這種電路更加糟糕，因?yàn)樗前氩ā?/div>
作者聲稱，使用30V燈泡而不是100V燈泡，其電壓和電流只是后者的三分之一，因此可以節(jié)省90％的電能。
馬上就有人開始好奇，比如如何對(duì)光輸出進(jìn)行比較（使用光度計(jì)測(cè)量是顯而易見的，但很容易出現(xiàn)測(cè)量誤差），并指出30V燈泡并沒有比110V燈泡的溫度更低。但是，這里的關(guān)鍵性錯(cuò)誤在于126º延遲半波相位控制中，平均值和有效值RMS之間存在3:1的巨大差異。
這種設(shè)計(jì)之所以會(huì)大行其道，是因?yàn)樽髡卟捎玫氖欠浅；尽⒈阋说膬x器來測(cè)量電壓和電流，而且測(cè)量的是非線性波形。更令人驚訝的是，該設(shè)計(jì)方法還被授予了專利（美國專利 5463307）。
為嘗試了解這類電路的測(cè)量方法，該作者對(duì)全波TRIAC調(diào)光器電路進(jìn)行了一些測(cè)量，如圖6所示。該電路與魔術(shù)燈電路的不同之處在于，魔術(shù)燈為半波，而這一電路為全波，但它能夠說明測(cè)量中的問題。
圖6：TRIAC調(diào)光器電路。
隨著調(diào)光器兩端交流電壓在每個(gè)周期的增加，電容器開始充電。當(dāng)達(dá)到約30V時(shí)，DIAC會(huì)斷掉并傳導(dǎo)，將電壓降到足夠低來讓電容器放電，從而觸發(fā)TRIAC。由于這是交流半導(dǎo)體，因此每半個(gè)周期重復(fù)一次。
在圖7中，我們能夠看到一張照片，里邊有用于測(cè)量臺(tái)燈負(fù)載兩端電壓的示波器，并聯(lián)一個(gè)普通的平均值交流電壓表。示波器測(cè)量功能被設(shè)置為測(cè)量周期有效值電壓。圖7顯示了電流測(cè)量的結(jié)果（通過一個(gè)2Ω電阻器）。如果用這一電表來計(jì)算功率，則可以得出結(jié)論：負(fù)載在32.7V時(shí)消耗33mA電流，功耗為1.08W。而實(shí)際上，它是在55V時(shí)消耗了56mA電流，功耗為3.08W。
圖7：示波器設(shè)置為測(cè)量負(fù)載電壓，并聯(lián)一個(gè)傳統(tǒng)的平均值交流電表。請(qǐng)注意，示波器測(cè)量功能可捕獲的實(shí)際有效值為55V，而電表卻顯示為32V。
圖8：圖7中的設(shè)置是通過2Ω電阻器測(cè)量電流。同樣，平均測(cè)量結(jié)果是不準(zhǔn)確的，其讀數(shù)偏低。
作者：Jerry Steele，安森美半導(dǎo)體
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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