piekaiweixianxingbushuo
，dianlushejihaiyouhaohuaizhifen，yigedianlukenengshihaodesheji，yekenengshilaji。wulunzhuanyehaishiaihaozheleizazhi，doucunzaiyidingshuliangdeliezhidianlusheji。yexunirenweichubanxingyedezhuanyerenyuanyinggaizaimouzhongchengdushangbanyanzhiliangbakongdejiaose
，yiquebaozhiyougaozhiliangdedianlushejicainengfabiao。ranerwentizaiyu，henduozhenzhengyouxiudegongchengshidouzaigongsilimangyusheji，zhegenqitazhuduoxingyeyiyang。

 

涉足危險區

 

讓我們來看一個最令人難忘的電子工程設計災難。令我震驚的是
，它竟然於1996年發布在最受歡迎的電子愛好者雜誌上，發表這個電路設計是不負責任的。除此之外
，還有一些不那麼嚴重但仍很重要的問題。

 

這個電路用於D類開關音頻功率放大器，這一技術不僅早在1975年就已經被詳細地介紹過了（就在這些非常流行的電子愛好者雜誌上），而且索尼在這一時期製造出了第一個商用開關音頻功率放大器。當時，索尼研發出了因垂直J-FET型結構而得名的V-FET器件。作為FET

，這些器件輕鬆地實現了與高質量音頻相匹配的250kHz開關頻率的高速需求（這意味著采樣速率比理想的上限頻率高一個數量級）。廣義D類放大器的基本拓撲類似於Sigma-Delta調製器:

 

圖1：一個正確設計的D類開關音頻功率放大器的基本拓撲結構。

 

需xu要yao注zhu意yi的de是shi，這zhe個ge廣guang義yi拓tuo撲pu的de設she計ji都dou是shi正zheng確que的de。調tiao製zhi器qi包bao含han在zai一yi個ge封feng閉bi的de反fan饋kui環huan路lu內nei
，以yi確que保bao忠zhong實shi還hai原yuan輸shu入ru信xin號hao。輸shu出chu濾lv波bo器qi在zai反fan饋kui回hui路lu外wai部bu，極ji大da地di簡jian化hua了le穩wen定ding性xing問wen題ti，實shi際ji上shang還hai可ke以yi支zhi持chi更geng大da的de帶dai寬kuan。這zhe個ge基ji本ben拓tuo撲pu圖tu省sheng略lve了le很hen多duo細xi節jie。比bi如ru
，功gong率lv器qi件jian的de門men極ji驅qu動dong（包括索尼的原始V-FET）帶來了一些需要級聯跟隨器等電路的挑戰。

 

D類lei開kai關guan設she計ji所suo獨du有you的de一yi個ge難nan點dian在zai於yu，它ta們men依yi賴lai於yu輸shu出chu級ji中zhong未wei使shi用yong能neng量liang的de再zai循xun環huan來lai實shi現xian其qi效xiao率lv。當dang從cong單dan個ge輸shu出chu級ji為wei負fu載zai提ti供gong直zhi流liu電dian壓ya驅qu動dong時shi，就jiu會hui產chan生sheng問wen題ti。我wo們men可ke以yi利li用yong圖tu2中的基本電路來解釋。圖2所示電路基於一個假設，那就是我們試圖生成一個負輸出電壓。它還包括一些實際電路中不會出現的器件，像D3和D4。增加這兩個二極管的目的是為了強調一個事實，即多數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類隻能用於沒有直流分量的交流信號。

 

上麵圖2所示電路描述下麵的MOSFET Q2導通
，向負載提供必要的電流以產生負輸出。任何一個中間輸出電壓就決定了小於100%（或大於0%）的占空比，因此如底部的示意圖所示，最終Q2關斷
，Q1導通。在這些條件下，受輸出濾波器內電感作用的影響，電流持續流向同一個方向

，其唯一通道是從Q2源極，通過D1反激式二極管，到Q2漏極，然後進入正電源。這樣的電流方向會引起正電源電壓每個周期都上升一點，直到高到足以損害電路器件。

 

這個電路不可能暴露在直流輸入端，也不能形成一個可以作為靜態直流輸出出現的偏移 。在這種情況下，輸出濾波器的再生能量將會提高軌道上與負載供電相反的電源電壓（例如，負載端正直流電平將會對負電源軌起到推動作用）。索尼通過交流耦合輸入來處理這個問題，內置一個能夠關閉放大器的“電壓升高檢測器”。一個更巧妙的解決辦法是將開關放大器設置成全橋，以便可以回收能量。

 

一個嚴重的工程設計災難

 

現在我們已經大致描述了一個設計合理的D類放大器的基本原理
，接下來就讓我們通過兩張原理圖（圖3中的放大器和圖4中的電源設計）來看看所謂的“工程設計災難”。顯而易見
，這一業餘級的D類放大器設計中既沒有負反饋
，也沒有輸出濾波。這是一個開關頻率為50kHz的開環架構。是的，它是可行的，但絕對達不到高保真級別。

 

圖3：這是脈寬調製器最簡單的實現方式。它是一個開環回路
，而且沒有輸出濾波器，這是一個很粗糙的設計。

 

放大器沒有輸出濾波也能工作，畢竟揚聲器不能對50kHz做出響應。濾波可改善這一電路可能產生的嚴重失真問題。更糟糕的後果是來自較長的揚聲器引線的RFI（射頻幹擾）問題，揚聲器引線會攜帶具有大量強大諧波的50kHz開關波形。這很有可能會打擾到你的鄰居。

 

脈寬調製器由最基本的比較器組成
，其中一側輸入端為三角波形，另一側輸入端為所需的模擬信號。鑒於50kHz的低開關頻率，將比較器輸出耦合到功率器件的電路隻能盡可能的簡單。

 

對dui於yu輸shu出chu器qi件jian，更geng是shi沒mei有you任ren何he電dian流liu限xian製zhi或huo其qi它ta保bao護hu。揚yang聲sheng器qi引yin線xian短duan路lu肯ken定ding會hui導dao致zhi災zai難nan性xing的de後hou果guo。更geng不bu用yong說shuo可ke能neng引yin起qi的de其qi它ta風feng險xian了le，比bi如ru輸shu出chu器qi件jian的de短duan路lu和he高gao電dian流liu有you可ke能neng引yin起qi火huo災zai。

 

如果這還不算是糟糕透頂的、幾ji乎hu不bu值zhi得de花hua費fei金jin錢qian或huo時shi間jian去qu設she計ji的de電dian路lu，那na麼me這zhe項xiang工gong程cheng設she計ji的de最zui大da災zai難nan非fei電dian源yuan設she計ji莫mo屬shu。請qing注zhu意yi，這zhe位wei作zuo者zhe是shi從cong老lao式shi管guan類lei設she備bei入ru手shou的de

，例li如ru5guanwubianyaqishiwuxiandiansheji
，qineibudianlushizhijielianjiedaojiaoliudianduande。raner

，nageshihou，zhizaoshangzaizhefangmianyefeichanglaodao，nibuhuikanjianrenheleixingdewaibulianjieqikong，erqierenhekehukenengchupengdaohuozhuazhudeyedoujingguoxizhidejueyuanchuli。yinci，woduiyuzhilianjiaoliudianyuandeshebeicaozuobingbumosheng，takeyichulidehenhao

，danhenrongyibeihushi。

 

圖4：請勿設計這樣的供電電路。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。

 

zaiciqiangtiao，zheyifangdaqidedianyuanzhijielianjiedaojiaoliudianzhishiyigejibenwenti。youyufangdaqidianlubenshenshuruheshuchuduanwaibulianjiedebiyaoxing，quefagelicuoshikenengyinqigengjiaweixiandehouguo。dangjiaoliudianyuanjietongshi
，yonghukenenghuijiechudaolianjiexian。

 

一些讀者可能會觀察到示意圖中交流電線兩側都沒有明顯的“直接”連接，例如輸入插孔或揚聲器連接。那麼就讓我對此來說明一下，當您使用交流電源線時，會麵對以下兩種場景之一：1）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）。在場景2zhong，juebukenengtongguofangdaqishangderenhelianjie，jingyoujiaoliuxianluchanshengdianliu，jinerjueduiquebaocaozuorenyuandedianqianquan。zhelimiaoshudefangdaqibingmeiyouzhezhonggeli。suirankeyitongguozhengliuqi

、濾波器帽
、TRIACheyixiedianzuqilaijianlijiaoliuxianludedianliulujing，danyidanjiechudaoren，rengranjijufengxian。jiaoliudianyuanxianshiwomentongchangjiechudaodezuiweixiandediannengyuan。dangrenmenjiechudaojiaoliudianlianjieshi
，jueyuanshijueduiyoubiyaode
，zheshiwuyongzhiyide。

 

這(zhe)會(hui)延(yan)伸(shen)到(dao)交(jiao)流(liu)線(xian)路(lu)安(an)全(quan)問(wen)題(ti)，包(bao)括(kuo)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)線(xian)的(de)極(ji)性(xing)
，確(que)保(bao)低(di)端(duan)總(zong)是(shi)與(yu)地(di)麵(mian)位(wei)於(yu)同(tong)側(ce)。然(ran)而(er)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)在(zai)任(ren)何(he)設(she)計(ji)合(he)理(li)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)都(dou)是(shi)應(ying)該(gai)避(bi)免(mian)的(de)
，采(cai)取(qu)的(de)措(cuo)施(shi)就(jiu)是(shi)使(shi)用(yong)電(dian)源(yuan)變(bian)壓(ya)器(qi)。前(qian)麵(mian)討(tao)論(lun)的(de)這(zhe)種(zhong)放(fang)大(da)器(qi)隻(zhi)需(xu)簡(jian)單(dan)地(di)包(bao)含(han)一(yi)個(ge)常(chang)用(yong)的(de)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)，至(zhi)少(shao)能(neng)確(que)保(bao)安(an)全(quan)（但不一定很好）。

 

zuoweihouhua，zhideyitideshi
，gaizazhizaihouxuqikanzhongfabiaoleyixieshengming，zhichuzhegedianlushejiqianquegelidewenti。raner
，duixinshoumenlaishuo，yikaishibianchangshizheyangdesheji，zheshishikepade。

 

除了以上的問題，其實這個電源設計在某些方麵還算巧妙，它使用TRIAC交流線路相位控製作為51V電源的一個高效“粗調”穩壓器。但是，當你了解到相位控製調節會產生相當大的RFI
，並(bing)且(qie)有(you)悖(bei)於(yu)現(xian)代(dai)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)時(shi)
，它(ta)就(jiu)顯(xian)得(de)沒(mei)那(na)麼(me)巧(qiao)妙(miao)了(le)。現(xian)代(dai)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)側(ce)重(zhong)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)，引(yin)入(ru)了(le)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)圖(tu)的(de)波(bo)形(xing)和(he)相(xiang)位(wei)，並(bing)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)使(shi)其(qi)與(yu)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)圖(tu)（參見相位控製調光器）保bao持chi一yi致zhi。簡jian而er言yan之zhi，電dian源yuan中zhong的de電dian流liu會hui沿yan著zhe交jiao流liu電dian正zheng弦xian波bo的de電dian壓ya波bo形xing圖tu
，在zai多duo處chu以yi短duan脈mai衝chong形xing式shi流liu動dong。光guang譜pu上shang會hui顯xian得de很hen淩ling亂luan。顯xian然ran
，這zhe隻zhi是shi其qi中zhong一yi個ge較jiao小xiao的de問wen題ti。

 

不合格問題

 

上世紀80年nian代dai，一yi家jia著zhu名ming的de政zheng府fu科ke研yan機ji構gou主zhu辦ban的de雜za誌zhi發fa表biao了le一yi篇pian設she計ji筆bi記ji，是shi關guan於yu如ru何he通tong過guo運yun算suan放fang大da器qi電dian路lu實shi現xian更geng高gao帶dai寬kuan的de。其qi中zhong隻zhi包bao含han一yi個ge簡jian單dan的de、非常通用的原理圖（圖5）。

 

圖5：該電路被視為增加運算放大器電路帶寬的可行方法。實際上，這可能是運算放大器最不穩定的結構之一。

 

duiyunsuanfangdaqihefankuililunyoujibenlejiederendouhuihenrongyiyishidao，jiasheyunsuanfangdaqidekaihuanzengyixianzhugaoyufankuidianzudebilv


，zexinhaozengyijinnenganzhaofankuidianzudebilvlaijinxingshezhi。dangkaihuanzengyixiajiangdaodengyuhuoxiaoyujiyufankuidianzushezhidezhishi，cishidepinlvjiujuedingledaikuan。chufeixuanzebutongdeyunsuanfangdaqi
，fouzewufagaishankaihuanzengyizhongzengyiyupinlvdeguanxi。

 

簡單的檢測表明

，我們正在本是單極係統的反饋路徑中放置一個極點，這種情況隻會使係統更趨於不穩。

 

這種電容可能的唯一影響是瞬態響應過衝加劇
，並大幅提高高頻噪聲（可能作者注意到高頻噪聲的增加，並由此推斷出更高的帶寬）。在某些情況下
，還會發生直接振蕩。

 

偽科學

 

大約在1996年nian中zhong期qi，某mou電dian子zi愛ai好hao者zhe雜za誌zhi上shang刊kan登deng了le一yi篇pian關guan於yu魔mo術shu燈deng的de文wen章zhang，聲sheng稱cheng通tong過guo簡jian單dan地di應ying用yong普pu通tong的de台tai燈deng調tiao光guang器qi電dian路lu


，可ke以yi大da大da提ti高gao白bai熾chi燈deng的de效xiao率lv。實shi際ji上shang
，這zhe種zhong電dian路lu更geng加jia糟zao糕gao，因yin為wei它ta是shi半ban波bo。

 

作者聲稱，使用30V燈泡而不是100V燈泡，其電壓和電流隻是後者的三分之一
，因此可以節省90％的電能。

 

馬上就有人開始好奇

，比如如何對光輸出進行比較（使用光度計測量是顯而易見的
，但很容易出現測量誤差），並指出30V燈泡並沒有比110V燈泡的溫度更低。但是，這裏的關鍵性錯誤在於126º延遲半波相位控製中
，平均值和有效值RMS之間存在3:1的巨大差異。

 

這種設計之所以會大行其道，是因為作者采用的是非常基本、便宜的儀器來測量電壓和電流，而且測量的是非線性波形。更令人驚訝的是，該設計方法還被授予了專利（美國專利 5463307）。

 

為嚐試了解這類電路的測量方法
，該作者對全波TRIAC調光器電路進行了一些測量，如圖6所示。該電路與魔術燈電路的不同之處在於
，魔術燈為半波，而這一電路為全波
，但它能夠說明測量中的問題。

 

圖6：TRIAC調光器電路。

 

隨著調光器兩端交流電壓在每個周期的增加
，電容器開始充電。當達到約30V時，DIAC會斷掉並傳導，將電壓降到足夠低來讓電容器放電，從而觸發TRIAC。由於這是交流半導體
，因此每半個周期重複一次。

 

在圖7中(zhong)，我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)看(kan)到(dao)一(yi)張(zhang)照(zhao)片(pian)
，裏(li)邊(bian)有(you)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)台(tai)燈(deng)負(fu)載(zai)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)，並(bing)聯(lian)一(yi)個(ge)普(pu)通(tong)的(de)平(ping)均(jun)值(zhi)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)表(biao)。示(shi)波(bo)器(qi)測(ce)量(liang)功(gong)能(neng)被(bei)設(she)置(zhi)為(wei)測(ce)量(liang)周(zhou)期(qi)有(you)效(xiao)值(zhi)電(dian)壓(ya)。圖(tu)7顯示了電流測量的結果（通過一個2Ω電阻器）。如果用這一電表來計算功率
，則可以得出結論：負載在32.7V時消耗33mA電流
，功耗為1.08W。而實際上，它是在55V時消耗了56mA電流
，功耗為3.08W。

 

圖7：示波器設置為測量負載電壓，並聯一個傳統的平均值交流電表。請注意，示波器測量功能可捕獲的實際有效值為55V，而電表卻顯示為32V。

 

圖8：圖7中的設置是通過2Ω電阻器測量電流。同樣，平均測量結果是不準確的，其讀數偏低。

 

作者：Jerry Steele，安森美半導體

 

本文轉載自電子技術設計。


推薦閱讀：