关于几款电路设计的“败笔”.doc
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1、关于几款电路设计的“败笔”本设计实例分析了几个有缺陷的电路设计,其中包括一个引起严重“工程设计灾难”的D类开关音频功率放大器。这一业余级的D类放大器设计中既没有负反馈,也没有输出滤波,竟然发表在美国最流行的电子爱好者杂志上。鉴于放大器电路本身输入和输出端外部连接的必要性,缺乏隔离措施可能引起严重安全问题。就电子设计文章的发布渠道而言,可分为专业类和个人爱好类这两个基本类别,大体上可以确定哪些内容是可以发表的,哪些内容是不能发表的。个人爱好类曾经有Popular Electronics和Electronics World等杂志,这些杂志在超市就可以买到,它们的主要目标读者是个人爱好者;EDN和E
2、lectronic Design (ED)则是专业类杂志的最佳代表。总的来说,几乎任何电路设计都可以安全地在EDN和ED上发表,因为专业读者通常能理解任何明显的危险,而且专业作者一般会对大多数危险电路做出详细解释。但供爱好者阅读的杂志本应该(我说本应该,是因为他们经常忽略这个要求)坚持一定的标准,避免发布危险的电路设计。虽然社会和法制对危险性发布的要求越来越严格,但在这些个人爱好者类杂志停刊前的最后几年里,危险电路设计仍在持续被发表。撇开危险性不说,电路设计还有好坏之分,一个电路可能是好的设计,也可能是垃圾。无论专业还是爱好者类杂志,都存在一定数量的劣质电路设计。也许你认为出版行业的专业人员应
3、该在某种程度上扮演质量把控的角色,以确保只有高质量的电路设计才能发表。然而问题在于,很多真正优秀的工程师都在公司里忙于设计,这跟其它诸多行业一样。涉足危险区让我们来看一个最令人难忘的电子工程设计灾难。令我震惊的是,它竟然于1996年发布在最受欢迎的电子爱好者杂志上,发表这个电路设计是不负责任的。除此之外,还有一些不那么严重但仍很重要的问题。这个电路用于D类开关音频功率放大器,这一技术不仅早在1975年就已经被详细地介绍过了(就在这些非常流行的电子爱好者杂志上),而且索尼在这一时期制造出了第一个商用开关音频功率放大器。当时,索尼研发出了因垂直J-FET型结构而得名的V-FET器件。作为FET,这
4、些器件轻松地实现了与高质量音频相匹配的250kHz开关频率的高速需求(这意味着采样速率比理想的上限频率高一个数量级)。广义D类放大器的基本拓扑类似于Sigma-Delta调制器:图1:一个正确设计的D类开关音频功率放大器的基本拓扑结构。需要注意的是,这个广义拓扑的设计都是正确的。调制器包含在一个封闭的反馈环路内,以确保忠实还原输入信号。输出滤波器在反馈回路外部,极大地简化了稳定性问题,实际上还可以支持更大的带宽。这个基本拓扑图省略了很多细节。比如,功率器件的门极驱动(包括索尼的原始V-FET)带来了一些需要级联跟随器等电路的挑战。D类开关设计所独有的一个难点在于,它们依赖于输出级中未使用能量的
5、再循环来实现其效率。当从单个输出级为负载提供直流电压驱动时,就会产生问题。我们可以利用图2中的基本电路来解释。图2所示电路基于一个假设,那就是我们试图生成一个负输出电压。它还包括一些实际电路中不会出现的器件,像D3和D4。增加这两个二极管的目的是为了强调一个事实,即多数供电电源具有很好的拉电流特性,但灌电流却很糟糕。图2:这一电路显示单端D类只能用于没有直流分量的交流信号。上面图2所示电路描述下面的MOSFET Q2导通,向负载提供必要的电流以产生负输出。任何一个中间输出电压就决定了小于100%(或大于0%)的占空比,因此如底部的示意图所示,最终Q2关断,Q1导通。在这些条件下,受输出滤波器内
6、电感作用的影响,电流持续流向同一个方向,其唯一通道是从Q2源极,通过D1反激式二极管,到Q2漏极,然后进入正电源。这样的电流方向会引起正电源电压每个周期都上升一点,直到高到足以损害电路器件。这个电路不可能暴露在直流输入端,也不能形成一个可以作为静态直流输出出现的偏移 。在这种情况下,输出滤波器的再生能量将会提高轨道上与负载供电相反的电源电压(例如,负载端正直流电平将会对负电源轨起到推动作用)。索尼通过交流耦合输入来处理这个问题,内置一个能够关闭放大器的“电压升高检测器”。一个更巧妙的解决办法是将开关放大器设置成全桥,以便可以回收能量。一个严重的工程设计灾难现在我们已经大致描述了一个设计合理的D
7、类放大器的基本原理,接下来就让我们通过两张原理图(图3中的放大器和图4中的电源设计)来看看所谓的“工程设计灾难”。显而易见,这一业余级的D类放大器设计中既没有负反馈,也没有输出滤波。这是一个开关频率为50kHz的开环架构。是的,它是可行的,但绝对达不到高保真级别。图3:这是脉宽调制器最简单的实现方式。它是一个开环回路,而且没有输出滤波器,这是一个很粗糙的设计。放大器没有输出滤波也能工作,毕竟扬声器不能对50kHz做出响应。滤波可改善这一电路可能产生的严重失真问题。更糟糕的后果是来自较长的扬声器引线的RFI(射频干扰)问题,扬声器引线会携带具有大量强大谐波的50kHz开关波形。这很有可能会打扰到
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