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[其他] 高品质音响设备保护方案发

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张俊哲 发表于 2009-5-4 22:24:45

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音响主要由音源、功率放大器和音箱组成。这些设备往往都比较昂贵,因此在设计高品质音响设备时,其保护电路的优良是不容忽视的。根据设备的不同,其保护措施也略有不同,如录音设备保护多采用限幅方式[1],音箱常见保护措施有延时闭合和输出直流保护,而功率放大器的保护相对较少,很少带有软启动功能。音响技术这些保护电路基本上是采用电阻、电容、三极管、RC延时电路实现,因此,自身电路损耗大、电路复杂、保护功能不全面、不可靠。针对这些问题,本文设计了一种基于光耦合器和单片机的智能保护系统,具有保护功能全面可靠、电路功耗低等优点,并且可直接嵌入到功放电路中使用。
! [7 \) O6 T& H# s, ~3 P
# m3 X* r' ^( M5 E4 U- w; [* r1软启动电路
9 z) U8 |# z& O; @软启动即慢启动,其目的是对电源滤波电容缓慢充电,避免开机瞬间冲击电流损坏功放电路。本文设计软启动电路的出发点是:只有在电容充满后音箱才能接入功率放正常工作,而在功率放大器发生故障时又能够及时关闭电源。设计思路:不采用常见的RC延时启动电路[2-3],借鉴调光灯原理,采用晶闸管调压技术实现软启动。音响技术由于音频电源实时调压要求不高,只要按电压分阶段启动即可,线性升压要求高时可采用晶闸管同步调角技术[4]实现软启动。因此,可以并联多个双向可控硅光耦合器[5]实现对晶闸管的角度控制,同时也便于数字控制,而且电路既简单、控制又灵活。本设计以两个并联为例,芯片采用MOC3063。软启动电路如图2所示。
$ `- u. G3 C( w; u3 P, @. i; F1 ?. D7 O! i; D6 R
注:文中各图中的“RUN2、TEST、ERR”均表示同一个电路节点(相连)。如图1、图2、图3的标号ERR中(P2.7)三点相连。
8 V8 Y6 q4 J' N3 E: w( x" k2 检测电路3 s! A7 \' i/ @4 O2 T
温度采样原理是根据半导体PN结温度特性与电压电流之间关系设计的:+ N5 I& Q& Q7 L% m5 ?0 a' i0 v( C6 V
2 j0 L6 W9 C% v$ Z  o0 {: H
式中,Is为反向饱和电流,k为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,q为电子电量,u为正向电压。当正向电流i一定时,PN结的电压随温度升高而下降,但不是线性关系,在25℃附近,每升高1℃,其正向压降减小2 mV~2.5 mV,再通过10 bit A/D采样,精度可达1℃,完全可满足要求。图1中,Q4、R20构成恒流源电路,以降低传感器导线电阻对温度测量的影响。为使电路结构简易,传感器采用串联方式,通过差值计算,识别各传感器温度。过压、欠压电路是直接采样控制电路电源整流后的直流电压,其电压经A/D转换得到,如图1所示。9 u- M4 @1 I3 U. \
5 d1 ~( a5 }9 Q4 b6 A5 o
* G/ R6 n( v+ j0 ]8 K2 v8 Z# \; r
3系统组成/ b, o: t% X: U" h# o1 v! @# P
系统由控制电路、检测电路、软启动电路、扬声器保护电路组成。控制电路包含人机接口电路(液晶LCD工作于串行模式)、欠压(过压)电路、温度采样电路、电源电路和串行接口电路。单片机选用STC-12C5410AD,具有低功耗、宽电压、高速度、带8通道10 bit A/D等优点,其接口如图1所示。音响技术
0 S! [6 w7 D- ~ 图1中,AC220-N、A2C20-L为市电输入端口,AC220与图2中AC220同一节点;各引脚标号与图2、图3中标号相同的为同一节点,如图1中的两个“Over-Voltage”标号表示同一个节点,可用导线直接连接起来;Bridge2为整流桥;ASM1117为3.3 V稳压芯片;LCD1~LCD3为显示接口;KEY1~KEY3键盘接口,应用者可自行定义功能。' P8 Z/ e/ e- G; _* H: G- u

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+ [) G3 a; K. P6 g" q, ` ; C3 \8 Z* @; G- _
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  ^/ G( }6 R5 V( d电路工作原理:利用图1中单片机检测(TEST)点电压值控制RUN1、RUN2、ERR端电位,实现对双向晶闸管TR导通角的控制[1,4],完成软启动。启动过程:当ERR为低电平时,对TEST点电压检测;当检测电压接近0 V时,先选择光耦合器U2使R4接通控制极。由于R4阻值较大,晶闸管TR的导通角小、输出电压低、对电网干扰相对较小,则RUN2端可以按照一定的占空比且频率低于50 Hz的脉冲电平控制晶闸管导通角,达到降压的目的。T1次级电压经桥式整流滤波后由R6、RW1、D2、C5构成直流电压采样电路,处理器的A/D转换器直接采样TEST点电位,再控制U2工作导通状态,完成低压启动。R3阻值小,晶闸管导通角变为最大,完成高压启动。为了防止对电网干扰,需要将ERR设置为低电平,以保持U1闭合状态。因为C4、C5已升到3/4容量,而当ERR为高电平时,Q1截止,导致U1、U2均断开,说明已经完成启动。C1、R1用于吸收变压器反向感应电压,以保护TR晶闸管。( b* B- C9 @' m9 G
- k5 |$ F$ o. B, ~7 F( C3 H
1 H" q" c4 \3 J" z
4 扬声器保护电路和功放保护电路4 u  `3 l; A  V( F' y% D
扬声器保护电路和功放保护电路是本设计的核心电路。该电路实现短路保护、过载保护、零点漂移保护、过热保护等功能[2-3]。若采用晶体三极管取样电路,由于基极-发射极和基极-集电极PN结电容、结电阻的存在必然会引入一定的干扰,甚至是直流电位,而且有的电路结构复杂,给后期维护带来不便。因此,本文采用光电隔离控制方式,以避免上述问题的产生。若采用晶体管输出型光耦合器(如4N25),需要两个光耦合器采样正负半周期,否则会存在抖动或者增加采样保持电路,这样,不但电路结构复杂、成本增加。而三端双向可控硅光耦合器(如MOC-3063)因其数字控制很方便,非常合适用来实现保护功能。晶闸管特性之一就是一旦导通,门极则失去作用,这就为优化电路奠定了基础。因此,只要采样半个周期信号即可完成电流采样。但付出的代价是降低了响应速度,所以应让两个声道各负责半个周期。不过由于左右负载是基本上是平衡的,相对地抵消了损失的响应速度,可以满足过载短路保护的要求。对于短路保护,其目标是保护功率放大器,因此响应时间上要求低。以超低频20 Hz计算,半个周期(0.1 s)内功放瞬时短路,一般不会造成损坏,频率再低时,则可启动直流保护。扬声器和功率保护电路如图3所示。6 G7 \( f# C; p# [3 B/ m  v3 ]
图3中,R_IN接音频功放右通道输出端,ROUT接右声道扬声器;L_IN接音频功放左通道输出端,LOUT接左声道扬声器;ERR、OFF、ON应与图1、图2中相同标号连接起来,构成完整系统电路图。键盘显示电路引线接出即可。音响技术
 楼主| 张俊哲 发表于 2009-5-4 22:49:43
扬声器和功率保护电路工作原理:当输出端过载或短路时,在R8、R9两端产生的压降经R11、R12限流后,正半周期信号使U6导通,负半周期信号使U5导通,驱动继电器闭合,切断音箱电路。当功率放大器中心电位漂移时,正电位门槛电压由稳压管D6确定,负电位门槛电压由稳压管D5确定,R10或R13采样的信号经过C3、L1、C2构成的低通滤波器后,检测出的直流成份再由D限幅和R14限流,正电压驱动U4控制J1吸合,负电压驱动U3导通后,U3的晶闸管会维持导通状态,使得正电源经R17迫使R14获得正电压驱动U4导通,间接驱动J1,目的是饶过避免单片机无法识别负电位问题。Q3、Q2构成复合管,OFF点作为控制点,当接收到低电平时,Q2、Q3才截止,起到关闭晶闸管作用。正常工作时,OFF点必须保持高电平。0 i: n  [: v$ J0 O
5 电路仿真与测试! X# x8 P' G1 ~- ]4 z8 d) E
图5是软启动过程的C5两端电压上升曲线,曲线1是无软启动电路的电容充电曲线,曲线2是带软启动过程电容充电曲线。可以看出,在前34 ms内是低压启动,没有冲击电流;在34 ms后完成高压充电,出现短时的冲击现象。但只要再分一阶段启动基本上可以避免冲击现象,这说明本电路的设计是可行的。音响技术晶闸管TR导通时存在0.75 V左右的结电压,在200 W以上的功放上使用不如继电器节能。在这种情况下,只用TR来完成软启动过程即可。要注意在制作PCB板时,C3、R10、R13应尽可能靠近,或增加一个滤波电容,以防止声道之间的音源串扰。数字地应与模拟地隔离。本设计在测试时发现单片机不需要监视ERR点电位,电路仍然有保护作用。因为发生故障时,除了启动过程外,ERR必然为高电平,但由于Q1此时已截止,必然导致U1、U2控制端截止而关闭电源,提高了系统保护的可靠性。
3 o5 `3 A; `2 }( T, e# A8 }+ w. w; U. z  U! p
6 软件设计8 v3 @  X% [8 m$ H: J5 o
软件设计是让喇叭保护继电器J1工作在常闭状态,即通电吸合时音箱与功放是断开的,达到节能的目的。功放启动前,先自检测电压情况和继电器J1状态,然后在启动过程中实时检测系统状态确保安全。完成启动后进入扩展功能和监视状态。由于电路需要采样数据和设置各I/O口状态,本程序“读TEST电位”和过压欠压监视、温度监视均需要启动A/D转换功能,其流程图如图4所示。图中各分支名即电路原理图中的节点标号。
( |( k1 E' s/ X% S; H! L在进入“禁止启动”程序时会将故障信息保存在静态存储器内,可通过键盘查看和清除,系统正常关机处理也会自动清除静态存储区数据。; w, }) r+ T/ G6 \, B9 E
本文设计的保护系统已嵌入功放电路中使用,经过测试,能够完成预定的保护功能,并且实现节能控制。取样电阻R8、R9比一般三极管取样电路阻值小一倍,音频损耗小,结构更简洁,实现了普通继电器在节能状态下工作。% p  u, X2 l5 C0 F8 t  Y
整个系统为单电源供电,音箱保护电路可单独工作,易扩展多声道保护,嵌入功放方便。这对于目前5.1声道系统、7.1声道系统、校园广播系统以及舞台音乐多声道系统的保护具有一定的实用价值。
' N) |+ `: _9 l参考文献
$ b3 H' Q' p9 i2 \0 b' |( X, f$ x[1] 王晓军.基于单片机的晶闸管电子软启动器设计[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2010(3):447-450.
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[3] 李水飞.AV功放扬声器保护电路工作原理[J].电子世界,1999(7).7 l+ ?7 s5 g8 A: n
[4] 李征.音响系统中的动态保护神-动态处理[J].音响技术,2008(10):24-26.' \, H* ]* G6 v+ u7 H
[5] 李友德.改进型扬声器保护电路[J].电子制作,2007(4).
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zxy29 发表于 2009-5-17 12:30:44
欣赏了,谢谢楼主发布啊 ,我收藏了啊
305825797 发表于 2010-8-9 23:54:58
写的很好,学习了
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