解析汽车音响开关电源原理

牛师傅 · 发表于 2007-9-11 09:47:22

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解析汽车音响开关电源原理

　　汽车已开始进入我国家庭，性能优越的大功率汽车音响越来越受到青睐。以往汽车音响用电是直接取用12V铅蓄电池，这样汽车点火产生的脉冲及其它干扰便直接成为音响噪音的主要。车载硬盘播放器，车载MP5音响系统之所以可以称为音响，最基本的条件就是--有回放声音的功能。音响系统中，至少要包含笔者提出的下列几点，才有资格称为音响，这一点任何音响系统皆然，汽车音响亦不例外。汽车音响主要包括主机、扬声器、功放三部分。主机是汽车音响中最重要的组成部分，就好像人的大脑，要发出什么样的声音，得由大脑来控制。

　　一个完整的音响系统，线材是不可或缺的组合部件，但线材却往往容易被忽视。其实线材的好与坏，会直接影响声音的品质，因为线材从材质、绞合结构，到直径、绝缘与阻抗值等设计与规格上的不同，都会影响讯号或电量的传送。而在线材的使用方面，会因不同的器材需要有不同设计取向的线材，如电源、接地、启动、讯号、喇叭、光纤与特殊系统所需的线材，都因各自要求不同而在设计上有所区别。例如对要求声音品质的喇叭线而言，其材质的纯度必定是越高越好，否则太多杂质会影响声音的完全发挥。此外线材与器材间的端子亦非常重要，接点牢固与否、接触面积的大小、接头设计与材质以及接地是否良好，也会对声音效果产生重大影响。

　　图1为汽车音响开关电源电路，该电路主要由两片集成电路TL494和KIA358、驱动管Q702和Q703、开关管M704~M709、变压器、输出整流器和滤波器等组成。内部方框图如图2所示，详细资料参考TL494脉宽调制控制电路。它主要由一个三角波振荡器、两个比较器CMP1和CMP2、两个误差放大器A1和A2、5V基准电压源、触发器及输出驱动器等组成。

　　三角波振荡频率由5、6脚外接Ct、Rt决定，振荡频率fosc=1.2/Rt×Ct,三角波振荡信号分别送到两比较器，即死区时间比较器和PWM比较器，两比较器输出到或门电路。这样，只有当振荡信号电平幅值同时高于死区时间控制电平和误差输入电平时，或门输出电平才产生翻转。

　　死区时间由4脚电压来设定，范围为0~3.3V之间。误差放大器A1作为输出电压取样误差放大，结果通过PWM比较器控制脉宽使输出电压稳定。误差放大器A2作为保护控制用，15脚接参考电压5V（由14脚提供），16脚为控制输入。在开机保护、过温或过流保护时，16脚为高电平，这时，误差放大器A2输出高电平，该电平高于振荡器三角波电平幅值，而使驱动器没有驱动脉冲输出，负载安全停电。

　　出现异常情况时向TL494的16脚提供高电平。KIA358为双运放电路（如图3）。

　　运放A1作为过流保护用，6脚由TL494的14脚提供5V参考电压。正常情况下，P/T端为高电平，5脚为低电平，所以7脚输出低电平，TL494的16脚也为低电平。当由于运放出现过流或其它原因而使P/T端检测到低电平时，5脚为高电平，且高于6脚参考电平，7脚便输出高电平，保护动作。运放A2作为开机保护和过热保护用，同相输入端3脚电压由控制电压12V经两电阻R707和R709分压获得。反相输入端电压由R710和热敏电阻R708分压获得。R708在常温下阻值为100kΩ左右，2脚电平高于3脚电平，1脚便输出低电平。当温度升高到近100℃时，热敏电阻阻值降为低于10kΩ。2脚电平低于3脚电平，输出翻转，保护动作，红色发光二极管亮。电容C712作为开机保护用，开机瞬间C712充电，而使2脚电平低于3脚电平，这时保护动作，红色发光二极管亮。

　　当C712充电完毕，2脚电平高于3脚电平，1脚翻转为低电平，红色发光二极管熄灭，保护撤消，工作正常，只有绿色发光二极管亮。TL494的14脚参考电压由12脚提供，12脚经二极管D712连接汽车电源锁，只有当汽车打开电源锁后，12脚才有工作电压，电源工作才正常。TL494的9脚和10脚输出由Q703和Q702缓冲后推动场效应管工作，再由变压器升压，并经整流和滤波后以稳定的正负电源形式向音响供电。作为开关管作用的Q702和Q703接法为无直流偏置。当TL494的9脚和10脚输出驱动信号为高电平时，信号分别经二极管D711和D710加到FET栅极，这时Q703和Q702反偏截止。当驱动信号为低电平时，Q703和Q702导通，蓄积在FET栅极电容中的电荷快速放电，使FET关断。

　　TL494于1980年代初由德州仪器（Texas Instruments）公司设计并推出，推出后立刻得到市场的广泛接受，尤其是在PC机的ATX半桥电源上。直至今日，仍有相当比例的PC机电源基于 TL494芯片。多年来，作为最廉价的双端PWM芯片，TL494在双端拓扑，如推挽和半桥中应用极多。由于其较低的工作频率以及单端的输出端口特性，它常配合功率双极性晶体管（BJT）使用，如用于配合功率MOSFET则需外加电路。

　　开关功率管选用金属氧化物场效应管，相对双极晶体管，功率FET有很多优点：

　　1.驱动功率较小，驱动电路简单，能使电路结构紧凑和小型化；

　　2.截止频率高，并且不需要加反向偏置；

　　3.可实行简单并联；

　　4.不会产生二次击穿；

　　5.不存在存储时间；

　　6.不会有热击穿。

　　由于蓄电池供电电压只是12V,故主要考虑导通所能承受的电流值，功率较大时开关管应采用多管并联形式。MOSFET在Vgs超过导通门限电压后，漏极电流和栅极电压的比值呈线性增长，漏极电流对栅极电压的变化率即跨导Gfs在漏极电流较大时实际上是一个常数，从图4跨导Gfs与漏极电流关系图可看出，跨导的上升使MOSFET管的增益正比例提高，因此，增设推动级使得有足够电流对输入电容充电，减小上升和下降时间，提高MOSFET的开关速度。

　　推动级又有足够低的输出阻抗避免电路正反馈振荡。另外，MOSFET在高频工作时容易产生振荡，所以，在电路板设计时应尽可能减小与MOSFET管脚连接线的长度，特别是栅极引线的长度。否则须用一个小电阻与MOSFET管脚串接，并使小电阻尽量靠近管子栅极。本电路采用100Ω电阻与栅极串接，另加两组RC回路R728、C707和R727、C708来改变MOSFET管的负载曲线，并吸收多余关断MOSFET的能量，作为MOSFET管的开关保护电路。

　　变压器的制作方面，首先必须根据输出功率确定磁芯及其横截面积S,它主要决定开关电源的效率。应保证变压器在磁化曲线线性区工作。并确定最大磁通密度Bmax,最佳的起点是Bmax=Bsat/2.然后再根据所需功率选择导线，再由N=V×104/4f×Bmax×S确定初级线圈圈数，其中f为工作频率，V为工作电压。

　　不同音响所需电压高低不同，可适当改变初、次级线圈圈数，及取样电阻R717和R718阻值来获取所需合适电压。功率整流器不能采用普通整流二极管，由于开关电源工作于高频状态，故整流器应采用高效快速恢复二极管、超快速恢复二极管或肖特基势垒整流二极管等。

　　输出滤波电容要求其ESRmax值越小越好，ESRmax值大小对输出波纹电压有直接影响。ESRmax=△Iout/△Vout,其中Iout=0.25Ii.△Vout为允许输出波纹电压的峰-峰值。最小输出电容可由Cout=△Iout/8f△Vout得出。

　　汽车音响开关电源把单12V电压进行升压，输出正负电源，其工作环境为低电压、大电流和高频率。制作过程主要考虑大电流、高频率这两方面问题。印刷板设计必须注意大电流接地部分不设阻焊层，以便制作时上锡加厚，并注意接地面积大校工作于大电流的变压器引脚应注意焊接工艺，防止发热，各发热器件须有良好的散热。在汽车音响开关电源的设计上，只有注意元器件的选择和印刷板布线及制作工艺，防止不必要的热损耗和自激振荡，才能制作出适合于特定要求的高品质开关电源。

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