[超低音箱] 分析三种音响电源的对比测试方法

　一 电源部分在音响系统中的重要性

　　电发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。发电机、电池本身并不带电，它的两极分别有正负电荷，由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的），电荷导体里本来就有，要产生电流只需要加上电压即可，当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去，当电荷散尽时，也就荷尽流（压）消了。干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。电源部分在整个系统中的地位和造价也在不断升高。但各种电源之间究竟有多大区别呢？

　　在功放中，由于功放的大功率、大动态特性，通常采用简单的线性电源，即工频变压器加简单的整流滤波电路后供电路使用。只有要求高的场合才对电压放大级以前进行稳压供电，个别电路会连推动级也稳压供电，但末级采用稳压供电的就极其罕见了，只出现在个别Hi-End级别的器材和单端甲类功放中。

　　近年来，开关电源越来越多地受到关注，与D类功放相互呼应，被称为未来功放的理想电源。但开关电源使用起来究竟表现如何？这在不少人心里还是一个疑问。实践已经证明，普通工业用的开关电源并不适合直接套用在音响之中，由于设计需求与音响相差甚远，工作频率偏低，其表现不尽人意。那么，专门为音响设计的开关电源又如何呢？

　　开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间

　　下面结合本人制作功放中的一次实践，简单地探讨一下各种电源的基本性能表现。

　　2.开环式开关电源

　　该电源使用SPM系列开关电源驱动模块，见图6。据厂家介绍，该产品具有以下优点：

　　（1）半桥开环式开关电源，效率》90%，自然冷却，无需外加散热器。

　　（2）无反馈，瞬间可提供额定电流5倍以上的电流，非常适合大功率的功放，完全替代工频变压器。

　　（3）振荡频率为40kHz占空比为50%的矩形波，轻松通过EMC测试。

　　（4）变压器设计简单，一致性好，稳定性高。

　　（5）外围元件极少，安装空间小，PCB可以做到与同等功率的变压器的安装尺寸一样，老产品无需更改结构设计，直接更换电源部分。（6）成本低，整块电源板成本不到同等功率的环形变压器电源的50%。该电源采用半桥式驱动，工作于开环状态，重量约700g。厂家标称功率500W，连续EMS功率不小于400W。有多组输出电压，双60V/0.5A（供功放前级使用），双40V/6A（供末级使用），双15V/1A（供前级使用），单18V/0.3A（供保护电路使用）。厂家声称专用来替换环牛，由于是开环方式工作，其实际表现与环牛类似，无保护，但有一定的短时过载能力，最大瞬时输出电流可达30A。零售价约110元。厂家给出的样品参考技术参数见表2。

　　3.开关稳压电源

　　该电源为原武汉天龙公司的产品，见图7。型号是DNC－450A，重量约1100g，半桥式驱动。电源设计紧凑合理，带有全功能保护电路，工作频率100kHz，使用内环检测电路，反应速度快。副电源输出为双24V，无保护功能；主稳压输出可以在35～45V范围内连续调节，可以输出6A电流，超过7.5A电源自动保护，输出被切断，过流消失后电源自动恢复工作。

　　电源的主要技术指标见表3。

　　顺便说一下，这个是老款，采用的是板式结构。当年曾非常抢手。笔者于十几年前购入，一直使用至今，表现稳定，性能一直令笔者满意。现在最新的产品已经将主频提升到120kHz，并采用了壳式结构，进一步提升了性能，改善了电磁屏蔽性能。

三 测试的平台与方案

　　测试分为静态测试和动态测试两个内容。

　　1.静态测试主要测试静态条件下电源空载和接稳定电阻负载时的电源电压和纹波，使用YB4365型双踪100M示波器、泰克（Tektronix）的2261双踪20M示波器和THX730A型200M数字示波表对电源电压和波形进行观察和测量。接于上述电源单侧时电流约220mA，功耗约10W，这个电流与不少功放双声道的总静态电流接近，可以很好地模拟功放静态时电源的工作状态。

　　负载接于单侧电源时测试对侧电源的电压和纹波可以从侧面反映正负电源端负载不平衡时电源的表现。负载跨接于正负电源两端时，电源的电流达到400mA，功耗达到约40W。可以模拟较重的平衡负载时电源的表现。

　　重载测试使用4只DALE的25W/20Ω两两串联后再并联，构成20Ω/100W的负载，接于单侧电源时电流达到2A以上，跨接于双侧时负载电流超过4A，可以模拟功放在满功率输出时电源的工作状态，见图8。

　　2.动态测试

　　系统测试是对已经集成好的软件系统进行彻底的测试，以验证软件系统的正确性和性能等满足其规约所指定的要求。系统测试应该按照测试计划进行，其输入、输出和其它动态运行行为应该与软件规约进行对比，同时测试软件的强壮性和易用性。如果软件规约（即软件的设计说明书、软件需求说明书等文档）不完备，系统测试更多的是依赖测试人员的工作经验和判断，这样的测试是不充分的。系统测试是黑盒测试。

　　使用的功放板有两种：第一种为刚为友人装好的夏文卡顿2代改进功放，见图9。这个功放板套件在网上颇受好评，具有相当好的素质，用来作这次测试平台的功放部分胜任愉快。线路采用的全对称场效应管（K170/J74）输入，与A970/C2240组成共源共基电路。第二级是夏文卡顿特有的电流传输方式；推动级采用了着名的东芝音响专用场效应对管2SK1529/2SJ200，末级由6对东芝音响专用大功率双极管2SA1943/2SC5200并联工作，采用了独具特色的动态甲类偏置，并使用了光电耦合器来稳定静态电流。实际试听该线路全频平衡，音色偏暖，动态庞大，解析力很高，能够轻易听出节目源中的细节。另一种功放板为同事所组装的M5电流功放板，见图10，此板线路简洁合理，分析力较高，但末级只有一对SA1942/SC5200，驱动力有限。推普通高灵敏度的家用音箱时表现不错，但驱动大食音箱时低频控制能力不足，低音动态压缩，比较软。由于该板正好也在安装调试，所以也客串测试了一下。

　　测试主要采用夏文卡顿2代功放板进行，对M5也进行了试听比较。音箱：惠威经典的杜希2.1。众所周知，此音箱的低音单元是着名的D6，其75mm的大音圈带来的超凡的动态感，口径只有6英寸的低音可以发出超越许多8英寸单元的澎湃低音，同时86dB的低灵敏度对功放的要求也很高，也是出了名的难推。选择这个推好颇有难度的音箱，也是为了拉开各电源表现之间的差距。夏文卡顿2代功放板的素质是有保证的，剩下的就看电源的表现了。

　　四 测试过程

　　１。静态测量实际连接时为了规范和方便，使用了２个优质的10位汇流排来进行连接，使用双踪示波器同时接在输出正负电源端，实时监测电源的纹波，同时使用数字万用表测量电源在不同负载状态下输出电压的有效值，见图11～13。测试结果见表4。

　　测试分析：从波形上看，工频电源的纹波是典型的整流滤波电路的充放电波形，为不对称圆角三角波，见图14，频率为100Hz；开环式开关电源输出纹波上有较明显的高频尖峰（80kHz），天龙开关稳压电源在高频谐波成分的过滤上做得明显好一些，纹波尖峰不明显（约200kHz），整体还是比较干净，而且超高频成分的幅度非常小，大概只有20mV，波形展开后与正弦波非常接近，见图15。

　　要说这么高频率和小幅度的纹波对音质有明显的可闻影响，笔者觉得还是心理因素吧。由于采用的是统一稳压的方式，在负载不对称时正负电源会出现微小的不对称现象，即电源的中点会出现一些波动，这是值得改进之处。

　　测试中发现，多个小电容并联的滤波方式与单个大电容相比有着明显的优势，最直接的表现是纹波电压明显要低一些，这应该是小电容并联的内阻明显较低，充放电的过程更为顺畅所造成的。

　　测试中还有一个有趣的现象：越是功率大的变压器，在重负载时电压下降越小，但相应的纹波却要大一些。这是因为大功率变压器的内阻较低，能够提供更大的充电电流，充电速度更快，锯齿波前沿较陡，波形幅度较大；小功率的变压器则刚好相反，充电速度较慢，锯齿波前沿较缓，波形幅度反而小一些。

　　20Ω的重载测试对于参测的小容量变压器来说，是非常重的负载，一方面说明传统工频电源具有短时过载能力强的优势，另一方面说明在要求较高的场合，双声道功放在±45V的供电条件下，使用250W以下的变压器统一供电是有些勉强的，会影响功放大动态的输出能力。

　　五 最后的结论

　　理想的电源应该是电压恒定不变，不论接何种负载时均保持稳定的电压输出，纹波为0，在不同频率、不同负载下的表现始终如一。物理测试一环则可以清晰地显示三种电源的基本特性，显然是工频电源最差，开环式开关电源稍好，天龙开关稳压电源最为理想。

　　在音质表现上，由于天龙开关稳压电源有大功率和稳压输出的优势，工作频率高达100kHz，在测试中明显占据优势，而工频电源虽然功率小，配置较低，也仍然保留了自己的尊严，虽然比天龙电源要差一些，但是相比开环式开关电源而言，仍要略胜一筹。

　　在系统成本上，最低的要数开环式开关电源，在提供多组直流电压输出的前提下，其500W的型号只要110元就可买到，1000W的型号也只要130元；其次是天龙开关稳压电源，在提供了稳压和全功能保护的前提下，价格也不到300元；传统的工频电源要想达到同样的功率和功能，价格就要高很多了。比如工频电源要达到开关稳压电源的测试表现，就要增加线性稳压单元，考虑到市电的波动、重载下整流滤波部分输出电压的下降及稳压单元自身的压降，稳压前后的压差要达到10V以上，这会带来很大的功率损耗，同时电源系统的体积、重量和造价也都会大大增加。

　　关于开关电源在音响器材中的应用，从来都是争论激烈，不少发烧友顾忌颇多：除了音质表现外，争论的焦点主要集中在高次谐波对音质的影响，电源尖峰对电网和周边设备的干扰以及电源的可靠性上。通过测试，开关电源的高频干扰并没有一般人想象的那么严重，在电磁屏蔽上下些功夫后完全可以放心使用。另外，笔者认为可靠性应结合整个系统综合进行衡量。如果此时接的是开环开关电源或者工频电源，只怕马上就可以看到烟花效果了。笔者用开关稳压电源以后还没有出现过烧管之类的恶性故障，相反以前用工频电源时，不仅烧过管子，而且还烧过一头环牛。可见可靠性的评估还是要依据整个系统的情况来进行判断。

　　关于音质表现，客观地说传统的工频电源并没有完全被开关电源击败，只能说各有千秋。如果搭配得好，传统的工频电源在音质表现上还是很有特色的，完全可以满足各种条件下的需要。它巨大的重量对于器材的避震有一定的帮助，对于电网和其他设备的干扰相对也要小些。但近年来随着开关电源技术的不断成熟和改进，效果不断改善，成本不断降低；加之D类功放的兴起，开关电源在音响中的应用也日益增多，从普及型的DVD到专业功放，甚至Hi-End级别的音响器材中，越来越多地出现开关电源的身影。虽然目前开关电源在使用中仍然暴露出了这样或那样的问题，参测的两台开关电源还比较简陋，在技术上还都有一定的缺陷，但在使用中都提供了不错的效果，可说是物有所值。声音的类别特点不同，音质要求也不一样。如，语音音质保真度主要体现在清晰、不失真、再现平面声象；乐音的保真度要求较高，营造空间声象主要体现在用多声道模拟立体环绕声，或虚拟双声道3D环绕声等方法，再现原来声源的一切声象。