撇pie開kai危wei險xian性xing不bu說shuo，電dian路lu設she計ji還hai有you好hao壞huai之zhi分fen，一yi個ge電dian路lu可ke能neng是shi好hao的de設she計ji，也ye可ke能neng是shi垃la圾ji。無wu論lun專zhuan業ye還hai是shi愛ai好hao者zhe類lei雜za誌zhi，都dou存cun在zai一yi定ding數shu量liang的de劣lie質zhi電dian路lu設she計ji。也ye許xu你ni認ren為wei出chu版ban行xing業ye的de專zhuan業ye人ren員yuan應ying該gai在zai某mou種zhong程cheng度du上shang扮ban演yan質zhi量liang把ba控kong的de角jiao色se，以yi確que保bao隻zhi有you高gao質zhi量liang的de電dian路lu設she計ji才cai能neng發fa表biao。然ran而er問wen題ti在zai於yu

，很hen多duo真zhen正zheng優you秀xiu的de工gong程cheng師shi都dou在zai公gong司si裏li忙mang於yu設she計ji，這zhe跟gen其qi它ta諸zhu多duo行xing業ye一yi樣yang。

 

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ru5管guan無wu變bian壓ya器qi式shi無wu線xian電dian設she計ji，其qi內nei部bu電dian路lu是shi直zhi接jie連lian接jie到dao交jiao流liu電dian端duan的de。然ran而er，那na個ge時shi候hou
，製zhi造zao商shang在zai這zhe方fang麵mian也ye非fei常chang老lao道dao，你ni不bu會hui看kan見jian任ren何he類lei型xing的de外wai部bu連lian接jie器qi孔kong，而er且qie任ren何he客ke戶hu可ke能neng觸chu碰peng到dao或huo抓zhua住zhu的de也ye都dou經jing過guo細xi致zhi的de絕jue緣yuan處chu理li。因yin此ci
，我wo對dui於yu直zhi連lian交jiao流liu電dian源yuan的de設she備bei操cao作zuo並bing不bu陌mo生sheng，它ta可ke以yi處chu理li得de很hen好hao，但dan很hen容rong易yi被bei忽hu視shi。

 

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。

 

再(zai)次(ci)強(qiang)調(tiao)，這(zhe)一(yi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)到(dao)交(jiao)流(liu)電(dian)隻(zhi)是(shi)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)路(lu)本(ben)身(shen)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)外(wai)部(bu)連(lian)接(jie)的(de)必(bi)要(yao)性(xing)，缺(que)乏(fa)隔(ge)離(li)措(cuo)施(shi)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)更(geng)加(jia)危(wei)險(xian)的(de)後(hou)果(guo)。當(dang)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)接(jie)通(tong)時(shi)，用(yong)戶(hu)可(ke)能(neng)會(hui)接(jie)觸(chu)到(dao)連(lian)接(jie)線(xian)。

 

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2中zhong，絕jue不bu可ke能neng通tong過guo放fang大da器qi上shang的de任ren何he連lian接jie，經jing由you交jiao流liu線xian路lu產chan生sheng電dian流liu，進jin而er絕jue對dui確que保bao操cao作zuo人ren員yuan的de電dian氣qi安an全quan。這zhe裏li描miao述shu的de放fang大da器qi並bing沒mei有you這zhe種zhong隔ge離li。雖sui然ran可ke以yi通tong過guo整zheng流liu器qi、濾波器帽、TRIACheyixiedianzuqilaijianlijiaoliuxianludedianliulujing，danyidanjiechudaoren
，rengranjijufengxian。jiaoliudianyuanxianshiwomentongchangjiechudaodezuiweixiandediannengyuan。dangrenmenjiechudaojiaoliudianlianjieshi，jueyuanshijueduiyoubiyaode，zheshiwuyongzhiyide。

 

zhehuiyanshendaojiaoliuxianluanquanwenti，baokuojiaoliudianyuanxiandejixing，quebaodiduanzongshiyudimianweiyutongce。ranersuoyouzhexiewentizairenheshejihelidedianluzhongdoushiyinggaibimiande
，caiqudecuoshijiushishiyongdianyuanbianyaqi。qianmiantaolundezhezhongfangdaqizhixujiandandibaohanyigechangyongdegelibianyaqi，zhishaonengquebaoanquan（但不一定很好）。

 

作zuo為wei後hou話hua，值zhi得de一yi提ti的de是shi
，該gai雜za誌zhi在zai後hou續xu期qi刊kan中zhong發fa表biao了le一yi些xie聲sheng明ming，指zhi出chu這zhe個ge電dian路lu設she計ji欠qian缺que隔ge離li的de問wen題ti。然ran而er
，對dui新xin手shou們men來lai說shuo，一yi開kai始shi便bian嚐chang試shi這zhe樣yang的de設she計ji，著zhe實shi是shi可ke怕pa的de。

 

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

，bingqieyoubeiyuxiandaidianyuanshejishi，tajiuxiandemeinameqiaomiaole。xiandaidianyuanshejicezhonggonglvyinshuxiaozheng，yinruledianliuboxingtudeboxinghexiangwei，bingjinkenengdishiqiyudianyaboxingtu（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。

 

對dui運yun算suan放fang大da器qi和he反fan饋kui理li論lun有you基ji本ben了le解jie的de人ren都dou會hui很hen容rong易yi意yi識shi到dao，假jia設she運yun算suan放fang大da器qi的de開kai環huan增zeng益yi顯xian著zhu高gao於yu反fan饋kui電dian阻zu的de比bi率lv，則ze信xin號hao增zeng益yi僅jin能neng按an照zhao反fan饋kui電dian阻zu的de比bi率lv來lai進jin行xing設she置zhi。當dang開kai環huan增zeng益yi下xia降jiang到dao等deng於yu或huo小xiao於yu基ji於yu反fan饋kui電dian阻zu設she置zhi的de值zhi時shi，此ci時shi的de頻pin率lv就jiu決jue定ding了le帶dai寬kuan。除chu非fei選xuan擇ze不bu同tong的de運yun算suan放fang大da器qi，否fou則ze無wu法fa改gai善shan開kai環huan增zeng益yi中zhong增zeng益yi與yu頻pin率lv的de關guan係xi。

 

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1996nianzhongqi
，moudianziaihaozhezazhishangkandengleyipianguanyumoshudengdewenzhang，shengchengtongguojiandandiyingyongputongdetaidengtiaoguangqidianlu
，keyidadatigaobaichidengdexiaolv。shijishang
，zhezhongdianlugengjiazaogao
，yinweitashibanbo。

 

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7zhong

，womennenggoukandaoyizhangzhaopian
，libianyouyongyuceliangtaidengfuzailiangduandianyadeshiboqi

，binglianyigeputongdepingjunzhijiaoliudianyabiao。shiboqicelianggongnengbeishezhiweiceliangzhouqiyouxiaozhidianya。tu7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。


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