汽車音響用開關(guān)電源,switching power supply for audio system

汽車已開始進(jìn)入我國(guó)家庭，性能優(yōu)越的大功率汽車音響越來越受到青睞。以往汽車音響用電是直接取用12V鉛蓄電池，這樣汽車點(diǎn)火產(chǎn)生的脈沖及其它干擾便直接成為音響噪音的主要來源。12V低電壓?jiǎn)?a target="_blank">電源也使音響輸出功率受到限制，功放電路也只能用OTL電路，頻響特性較差。隨著元器件的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源已完全能應(yīng)用于汽車音響。它能提供電壓較高的雙電源，并能抑制各種噪音的竄入，功放電路也采用OCL電路，使汽車音響效果真正上了檔次，汽車音響應(yīng)用開關(guān)電源符合技術(shù)發(fā)展的需要。

圖1為汽車音響開關(guān)電源電路，該電路主要由兩片集成電路TL494 和KIA358、驅(qū)動(dòng)管Q702 和Q703、開關(guān)管M704～M709、變壓器、輸出整流器和濾波器等組成。TL494是一個(gè)脈寬調(diào)制型開關(guān)電源集成控制器，其最大驅(qū)動(dòng)電流為250mA，工作頻率為1～300kHz，輸出方式可選推挽或單端形式。內(nèi)部方框圖如圖2所示，詳細(xì)資料參考TL494脈寬調(diào)制控制電路。它主要由一個(gè)三角波振蕩器、兩個(gè)比較器CMP1和CMP2、兩個(gè)誤差放大器A1和A2、5V基準(zhǔn)電壓源、觸發(fā)器及輸出驅(qū)動(dòng)器等組成。

三角波振蕩頻率由5、6腳外接Ct、Rt決定，振蕩頻率fosc=1.2/Rt×Ct，三角波振蕩信號(hào)分別送到兩比較器，即死區(qū)時(shí)間比較器和PWM比較器，兩比較器輸出到或門電路。這樣，只有當(dāng)振蕩信號(hào)電平幅值同時(shí)高于死區(qū)時(shí)間控制電平和誤差輸入電平時(shí)，或門輸出電平才產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。脈沖輸出受觸發(fā)器和13腳輸出方式控制，13腳接低電平時(shí)內(nèi)部觸發(fā)器失去作用。本電路13腳接高電平(由14腳提供基準(zhǔn)電壓5V)，輸出兩路脈沖分別受觸發(fā)器Q和Q控制，經(jīng)兩或非門和推動(dòng)管推挽輸出，最大輸出脈沖占空比為48%，頻率為三角波振蕩頻率的一半。死區(qū)時(shí)間由4腳電壓來設(shè)定，范圍為0~3.3V 之間。誤差放大器A1作為輸出電壓取樣誤差放大，結(jié)果通過PWM比較器控制脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。誤差放大器A2作為保護(hù)控制用，15腳接參考電壓5V(由14腳提供)，16腳為控制輸入。在開機(jī)保護(hù)、過溫或過流保護(hù)時(shí)，16腳為高電平，這時(shí)，誤差放大器A2輸出高電平，該電平高于振蕩器三角波電平幅值，而使驅(qū)動(dòng)器沒有驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，負(fù)載安全停電。

安全保護(hù)電路由KIA358電路來完成。出現(xiàn)異常情況時(shí)向TL494的16腳提供高電平。KIA358為雙運(yùn)放電路(如圖3)。

運(yùn)放A1作為過流保護(hù)用，6腳由TL494的14腳提供5V參考電壓。正常情況下，P/T端為高電平，5腳為低電平，所以7腳輸出低電平，TL494的16腳也為低電平。當(dāng)由于運(yùn)放出現(xiàn)過流或其它原因而使P/T端檢測(cè)到低電平時(shí)，5腳為高電平，且高于6腳參考電平，7腳便輸出高電平，保護(hù)動(dòng)作。運(yùn)放A2作為開機(jī)保護(hù)和過熱保護(hù)用，同相輸入端3腳電壓由控制電壓12V經(jīng)兩電阻R707和R709分壓獲得。反相輸入端電壓由R710和熱敏電阻R708分壓獲得。R708在常溫下阻值為100kΩ左右，2腳電平高于3腳電平，1腳便輸出低電平。當(dāng)溫度升高到近100℃時(shí)，熱敏電阻阻值降為低于10kΩ 。2腳電平低于3腳電平，輸出翻轉(zhuǎn)，保護(hù)動(dòng)作，紅色發(fā)光二極管亮。電容C712作為開機(jī)保護(hù)用，開機(jī)瞬間C712充電，而使2腳電平低于3腳電平，這時(shí)保護(hù)動(dòng)作，紅色發(fā)光二極管亮。當(dāng)C712充電完畢，2腳電平高于3腳電平，1腳翻轉(zhuǎn)為低電平，紅色發(fā)光二極管熄滅，保護(hù)撤消，工作正常，只有綠色發(fā)光二極管亮。TL494的14腳參考電壓由12腳提供，12腳經(jīng)二極管D712連接汽車電源鎖，只有當(dāng)汽車打開電源鎖后，12腳才有工作電壓，電源工作才正常。TL494的9腳和10腳輸出由Q703和Q702緩沖后推動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管工作，再由變壓器升壓，并經(jīng)整流和濾波后以穩(wěn)定的正負(fù)電源形式向音響供電。作為開關(guān)管作用的Q702和Q703接法為無直流偏置。當(dāng)TL494的9腳和10腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，信號(hào)分別經(jīng)二極管D711和D710加到FET柵極，這時(shí)Q703和Q702反偏截止。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，Q703和Q702導(dǎo)通，蓄積在FET柵極電容中的電荷快速放電，使FET關(guān)斷。

在元器件選擇和電路制作方面應(yīng)考慮高頻率、大電源、高效率以及汽車音響方面的特定需要。

開關(guān)功率管選用金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管，相對(duì)雙極晶體管，功率FET 有很多優(yōu)點(diǎn):

1、驅(qū)動(dòng)功率較小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，能使電路結(jié)構(gòu)緊湊和小型化；

2、截止頻率高，并且不需要加反向偏置；

3、可實(shí)行簡(jiǎn)單并聯(lián)；

4、不會(huì)產(chǎn)生二次擊穿；

5、不存在存儲(chǔ)時(shí)間；

6、不會(huì)有熱擊穿。

由于蓄電池供電電壓只是12V，故主要考慮導(dǎo)通所能承受的電流值，功率較大時(shí)開關(guān)管應(yīng)采用多管并聯(lián)形式。MOSFET在Vgs超過導(dǎo)通門限電壓后，漏極電流和柵極電壓的比值呈線性增長(zhǎng)，漏極電流對(duì)柵極電壓的變化率即跨導(dǎo)Gfs在漏極電流較大時(shí)實(shí)際上是一個(gè)常數(shù)，從圖4跨導(dǎo)Gfs與漏極電流關(guān)系圖可看出，跨導(dǎo)的上升使MOSFET管的增益正比例提高，即導(dǎo)致漏極電流的增大，而這種情況又增大了輸入電容，因此，增設(shè)推動(dòng)級(jí)使得有足夠電流對(duì)輸入電容充電，減小上升和下降時(shí)間，提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度。推動(dòng)級(jí)又有足夠低的輸出阻抗避免電路正反饋振蕩。另外，MOSFET在高頻工作時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，所以，在電路板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減小與MOSFET管腳連接線的長(zhǎng)度，特別是柵極引線的長(zhǎng)度。否則須用一個(gè)小電阻與MOSFET管腳串接，并使小電阻盡量靠近管子?xùn)艠O。本電路采用100Ω電阻與柵極串接，另加兩組RC回路R728、C707和R727、C708來改變MOSFET管的負(fù)載曲線，并吸收多余關(guān)斷MOSFET的能量，作為MOSFET管的開關(guān)保護(hù)電路。

變壓器的制作方面，首先必須根據(jù)輸出功率確定磁芯及其橫截面積S，它主要決定開關(guān)電源的效率。應(yīng)保證變壓器在磁化曲線線性區(qū)工作。并確定最大磁通密度Bmax，最佳的起點(diǎn)是Bmax=Bsat /2。然后再根據(jù)所需功率選擇導(dǎo)線，再由N=V×104 / 4f×Bmax×S確定初級(jí)線圈圈數(shù)，其中f為工作頻率，V為工作電壓。并根據(jù)次級(jí)所需電壓確定次級(jí)線圈圈數(shù)。

不同音響所需電壓高低不同，可適當(dāng)改變初、次級(jí)線圈圈數(shù)，及取樣電阻R717和R718阻值來獲取所需合適電壓。功率整流器不能采用普通整流二極管，由于開關(guān)電源工作于高頻狀態(tài)，故整流器應(yīng)采用高效快速恢復(fù)二極管、超快速恢復(fù)二極管或肖特基勢(shì)壘整流二極管等。

輸出濾波電容要求其ESRmax值越小越好，ESRmax值大小對(duì)輸出波紋電壓有直接影響。ESRmax= △Iout/△Vout，其中Iout=0.25Ii (Ii為設(shè)計(jì)輸出電流)。△Vout為允許輸出波紋電壓的峰-峰值。最小輸出電容可由Cout=△Iout /8f△Vout得出(其中f為工作頻率)。實(shí)際用容量應(yīng)遠(yuǎn)大于Cout，因?yàn)闉V波電容容量直接影響功放低頻的瞬態(tài)特性。

汽車音響開關(guān)電源把單12V電壓進(jìn)行升壓，輸出正負(fù)電源，其工作環(huán)境為低電壓、大電流和高頻率。制作過程主要考慮大電流、高頻率這兩方面問題。印刷板設(shè)計(jì)必須注意大電流接地部分不設(shè)阻焊層，以便制作時(shí)上錫加厚，并注意接地面積大小。工作于大電流的變壓器引腳應(yīng)注意焊接工藝，防止發(fā)熱，各發(fā)熱器件須有良好的散熱。 在汽車音響開關(guān)電源的設(shè)計(jì)上，只有注意元器件的選擇和印刷板布線及制作工藝，防止不必要的熱損耗和自激振蕩，才能制作出適合于特定要求的高品質(zhì)開關(guān)電源。