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。

 

Dleikaiguanshejisuoduyoudeyigenandianzaiyu，tamenyilaiyushuchujizhongweishiyongnengliangdezaixunhuanlaishixianqixiaolv。dangcongdangeshuchujiweifuzaitigongzhiliudianyaqudongshi，jiuhuichanshengwenti。womenkeyiliyongtu2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、TRIAC和he一yi些xie電dian阻zu器qi來lai建jian立li交jiao流liu線xian路lu的de電dian流liu路lu徑jing

，但dan一yi旦dan接jie觸chu到dao人ren，仍reng然ran極ji具ju風feng險xian。交jiao流liu電dian源yuan線xian是shi我wo們men通tong常chang接jie觸chu到dao的de最zui危wei險xian的de電dian能neng源yuan。當dang人ren們men接jie觸chu到dao交jiao流liu電dian連lian接jie時shi，絕jue緣yuan是shi絕jue對dui有you必bi要yao的de，這zhe是shi毋wu庸yong置zhi疑yi的de。

 

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）。

 

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，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。

 

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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