玩转电源功放之反激电源

　　通过一年多的实地学习，反复做了几个类型的电路，对开关电源了解到了些皮毛，文中我将以最白话的方式给大家讲述其工作原理，设计、制作，关键、要点、各元器件的用途、选取方法等。实际做开关电源不会比做2030功放难，比做胆机就轻松多了。

　　一；开关电源基本原理，未来发展放向及潜力

　　开关电源是未来能源变换、传输技术的主要发展方向，其主要技术来源于脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)，以脉冲宽度和频率调整改变单位时间内的波形占空比例，脉冲本身可通过电磁实现电能变换，同时因占空比可调而实现高精度稳压。因其波形是以开关形式出现（即0，1方波），没有正弦波的中间过度阶段，按一周波计算，在同一时间内它传输的电能量比正弦波翻一番，更因开关管始终都只工作在0或1即全断全开，全断时当然没有损耗，全开即开关管全导通，只有C,E饱和压降存在损耗，即开关管始终在最小损耗区域内工作。不存在模拟电路C,E极几伏至几十伏的自身损耗从而实现高效率，还有一个重点是它的工作频率越高，功率密度就越大，以传统变压器设计是铜线的线径最大按3A/1平方毫米来做，开关电源如工作在60KHz时则按最保守的6A来设计，大部分在8-10A/1平方毫米，导磁材料大小大家都看到了我就不讲了。当然还有滤波电解电容，因工作频率高，其真实容量与工作在100Hz时完全是两码子事，这个差有多少估计很多同志应该能算得出来。高效率、高密度功率、超小型器件是开关电源最大的特点。

　　开关电源目前只处于起步阶段（行业占有率不足百万分之一，按世界能源总功率计算）。这意味着什么呢？以电力行业水利发电为例，传统的变换方式正直接用到的功率只有发电厂发电量的30-60%，大部分能量都在翻来覆去的高低压转换、传输中损耗掉了，假如将开关电源系列技术用于该行业（不会超过10年），就以目前中国的总发电量不变的情况下相当于无形中增加了3个葛洲坝水电站（没法计算，不算数哈）。

　　随着技术的不断进步，超小型、超大功率开关电源技术、器件的不断更新，就目前的尖端技术让我等也目瞪口呆。智能化能源供应及传输方式将首先代替传统的电力变换、传输方式，以目前最先进的高铁为例，电力传输方式仍用传统的传输方式供电，不能不说是一个与时代不同步的败笔，它是高铁故障最多维护最大的方面之一，谈未来电能传输不得不谈开关电源其中的一个技术（当然还在不断更新中），它就是RF(射频)开关电源的一个分枝。也称无线电能传输，说到这里很多同志可能就知道我要说什么了。太深奥了，我就不谈了哈！磁悬浮也属无线电动传输的一种，但它仍属传统的模拟形式，除高功率损耗外与现代智能化的基础也不兼容。认识了她你就就知道她是如何的妙不可言，可以去任意想象她的发展空间了，想怎么玩就怎么玩。PDA、手机等充电不用插头、线只是小儿科啦，我们离不开的汽车再过些年估计汽油会涨到100元/升（美元哈！不对，估计多年后美元不如人民币了），电动汽车肯定是唯一的选择啦！试想一下，当你出门驾车时不再用去看油还有多少，电瓶电量如何，把加油、充电站点通通抛到九霄云外那该是一件多么惬意的事情。特别是那些一天加几次天然气--可怜的的士司机们。这就是未来智能化能源供应的传输方式。首先应用的是充电汽车，其后应该是高铁了。高度智能化来源于目前全方位通讯系统的普及（实际应用与手机一样，只付服务费），如免费智能交通（好像国内大部分城市都以普及），车上的电瓶电量还有多少当然可以做系统检测啦，加上无线电能传输，驾驶员根本不用去考虑这些。是不是很神呢？！但这一切都离不开最基础的开关电源技术。

　　你说一下，音响发烧与开关电源发烧哪个更有玩头，这就是我玩音响几十年改玩开关电源的原因。其实最初玩开关电源也是为了将她引入功放。这家伙就会吹牛，把我都弄到云里雾里了，会不会做开关电源呀！还不开始正题。

　　二；开关电源的总类；

　　这里我就以最常见的几种简单描述；

　　1：反激式开关电源，它是目前应用最多，电路最简单、性能一般，成本最低的一个种类，由于电路特性，它一般只用在一百瓦以下的产品，当然也有做1000瓦的，但其性能、成本就不如选其它类型的了。本文我将以此类型开始，以后陆续推出500-3000W甲机专用半桥电源。

　　2；正激，可靠性高，输出功率相对于反激更高。以上两种也分单端与推挽之分，这里我就不多说了，跟功放一样。

　　3；半桥；双管，输出功率大，90%的电脑都是用它。应用最广，适合3000W内的开关电源及PWM调宽、PFM调频电机牵引，如民用变频空调，电动自行车、电动汽车调速等，她的变化品种也较多，如LLC谐振半桥等。效率更高，干扰更小。

　　4；全桥；4个管子分别处理一个周波的四个角，力大无比，常用在几千瓦乃至数十千瓦的超大功率开关电源，PWM调宽、PFM调频电机牵引等场所。高铁机车的核心部分就用是这玩意（瞎掰）。主要以工业控制、电、弧、超声波焊机等。半桥、全桥电源都属正激。按用途分又有隔离型和非隔离型，有升压、降压型，有AC to DC ，DC to DC ,AC to AC，DC to AC等。还有很多就不介绍了！

　　三；除了开关电源外还有一个东东有必要说一下，那就是PFC，是英文“Power Factor Correction”的缩写，意思是“功率因数校正”。

　　电能传输、使用过程中有很多的损耗类型，有前面谈到的高低压变换、传输过程的线性损耗，还有相当一部分非线性“损耗”，我为什么要把她引号起来呢？因为这部分损耗不一定真正没了，它可以人为地被转换或控制在理想的程度。

　　什么叫功率因数？这里我也用最白话的方法给没弄明白的同志讲一下，功率因素是交变电源的一个产物，最简单的理解方式就是电流、电压因非线性负载相位发生了变化，在一个周波里的电压、电流曲线移位差所带来的功率损失，电池、电瓶没这个问题哈，传统影响功率因数的主要是感、容性负载（容性电流超前、感性电流滞后），以感性如变压器、电机，日光灯等为主，直接用电力电容其加以补偿即可矫正。我们常看见电线杆上或变压器旁一个圆圆的玩意就是它了，早期40W日光灯整流器上并联的4.75uF电容功能相同，如取消不影响使用，但因其非线性，非带功率因素的电度表没法准确记数。但开关电源因它的特殊性其损耗及对电网污染方式、强度是不可能用传统的方式去矫正的，这就发明了PFC电路，凡加了PFC的开关电源我们就可以把它理解为一个纯粹的电阻负载。其结果比变压器来得更好，中高级产品都有加，当然也是国际绿色产品认证必须的。

　　估计大家都明白了PFC与我们玩开关电源功放没任何关系，只会增加成本！！说的更白一点PFC就是在公共场所不准抽烟。

　　开关电源用于功放代替工频变压器是肯定的，数字功率放大器代替模拟功放当然也是必然，估计再过些年将禁止使用工频变压器，就现目前国际绿色产品认证中有很多产品已开始禁止使用工频变压器了。更多的产品其要求之苛刻、工频变压器根本就不可能达不到。其间有人放不下传统绝对是正常表现，多年前你花了十多W买的一套模拟Hi-Fi系统到现在肯定还是无与伦比的，但CD碟片真的越来越难买了。多年来我几乎没再买过真正的24K金碟。谁能说胆机就不比晶体管机好。说模拟功放好过数字功放的人肯定占多数。庸人痛偏聪明人的事例累见不鲜。但世界在发展，技术在日新月异的进步，我们曾不相信的很多东西都在慢慢变成现实。

　　四；开工；

　　所有器件均用大路货来做，想发烧的烧友请绕行，其间的原件制作、主要指标测试均以图片、动态视频的形式展现给大家，宗旨是以最简化的方式让有心的同志们搞懂开关电源，并做出自己的开关电源功放，有更高水平的大侠们千万别拍砖，要想学到高新技术的同志们可以在这里入门后再去研究。

　　在供应商给的几大箱样品里找到了几片TI的TPA3123D2数字功放芯片，就是它了。做BTL推小书架箱做多媒体功放绝对有余。电源就用风行近10年的UC3842按反激开关电源来做。

　　功率预估；TPA3123D2 BTL可做到50W/8R，效率看资料能上90%，如PCB用双面板的话不要散热器好像能搞定。利用PCB铜皮散热，即电源功率理论上超过100W即可搞定。其实TPA3123 BTL不可能输出50W。用UC3842是再好不过了。

　　1：开关电源的构思，根据经验得知，正宗音响用电源往往是以功放最大输出功率+损耗来设计电源的，实际用时100W的功放不肯能开到50W，最常用是10W左右，充足的能源储备是高质量音频的终极来源。

　　在开工前我想首先给大家讲明一个误区，很多人认为开关电源不如传统变压器的原因是过载能力差，更专业一点的还知道因稳压原因的负反馈环路瞬态响应等差等，其实这些都是错误的，原因很简单，目前市面上出售的开关电源几乎没有专为音响设计的，开关电源有一个好处，就是输出功率大小可以自己设置，50W的成品如你了解它的原理后你可以把它设置成100W，150W用于功放也不成问题，关键在平均功率的大小，因市面所有开关电源大都是给恒流负载用的，任何时间内其功+耗为80%-100%，长期这样的满功率电源肯定受不了，所以生产厂商为了提高产品的可靠性事先已将电源输出功率给固定了，因属恒流供电，其反馈回路也是按低瞬态响应设计采样控制以提高可靠性，超过就保护，根本没必要做高瞬态响应。音响用电源肯定不是这样，乙类平均音乐功率最多只占电源功率的30%（音乐功率不是正弦波的测试功率哈），100W功放只用10W放音电源的平均功率就更小了，你说把50W开关电源弄成150W做音响电源奇怪吗？再说说你买的50W工业用开关电源，它的保护点就设置在51W处，给功放供电能行吗？不软脚才怪。其实开关电源的过载能力远比我们想象的要大的多，想更深了解当然不止是我说的这样简单。

　　还有一个要说明的是电源内阻，变压器内阻与其功率有关，而我们玩的功率放大器对电源内阻的要求越低越好，不能不承认选大功率变压器的同时还有能得到更低电源内阻的原因，开关电源在这方面就远比变压器好，不同功率大小的开关电源其内阻变化不大，稳压型更是如此，我们甚至可以把它设置成“负阻”，变压器在大功率输出时会出现电压降，这很正常，开关电源则可以把它设置成电压升（与电源的功率大小无关）。你说这正常吗？按传统的说法这是不是负阻？（强盗逻辑）

　　前面我讲了过载能力，现在我再谈下电源的驱动能力，这个名词在音响中很少用，在我看来这对音响非常重要，50Hz整流后为100Hz到滤波电容，即电容（所谓的大水塘）每秒有100次充放电机会，但功放工作在20-20KHz，中间是不是电容有绝大部分无能为力的时候呢？大家可以算算有多少时间这个大水塘没有起作用，相反，当功放在X一频率时需要较大的“动力”，但我们寄予希望的大水塘刚好在充电，这个结果我就不在讲了。

　　开关电源因工作频率远高于音频最高的20KHz，稳压的环路调整密度几乎所有的开关电源芯片都能达到逐周调整，这个周不是市电的50周哈，是指开关频率的单个周波调整。以100KHz为例，功放就算最高的20KHz时每周也有多次调整率。开关电源不需要大水塘，原因很简单，因电容的容量与其工作频率有关。当然也没有讨厌的交流声。确定了UC3842反激按120W设计，也就是说平均功率120W，但我们把她设置为300W来应付TPA3123D2功放的动态范围，其使用与模拟电源用于本电路的300W工频变压器供电完全相同，不同的是电源内阻可以是0R或-（高精度稳压）。估计电源长期工作没有温度。