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

汽車已開始進入我國家庭，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低電壓單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)的進步，開關(guān)電源已完全能應用于汽車音響。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是一個脈寬調(diào)制型開關(guān)電源集成控制器，其最大驅(qū)動電流為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，詳細資料參考TL494脈寬調(diào)制控制電路。它主要由一個三角波振蕩器、兩個比較器CMP1和CMP2、兩個誤差放大器A1和A2、5V基準電壓源、觸發(fā)器及輸出驅(qū)動器等組成。

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，三角波振蕩信號分別送到兩比較器，即死區(qū)時間比較器和PWM比較器，兩比較器輸出到或門電路。這樣，只有當振蕩信號電平幅值同時高于死區(qū)時間控制電平和誤差輸入電平時，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)時間由4腳電壓來設定，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。在開機保護、過溫或過流保護時，16腳為高電平，這時，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)動器沒有驅(qū)動脈沖輸出，負載安全停電。

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

運放A1作為過流保護用，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。當由于運放出現(xiàn)過流或其它原因而使P/T端檢測到低電平時，5腳為高電平，且高于6腳參考電平，7腳便輸出高電平，保護動作。運放A2作為開機保護和過熱保護用，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。當溫度升高到近100℃時，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)，保護動作，紅色發(fā)光二極管亮。電容C712作為開機保護用，開機瞬間C712充電，而使2腳電平低于3腳電平，這時保護動作，紅色發(fā)光二極管亮。當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緩沖后推動場效應管工作，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TL494的9腳和10腳輸出驅(qū)動信號為高電平時，信號分別經(jīng)二極管D711和D710加到FET柵極，這時Q703和Q702反偏截止。當驅(qū)動信號為低電平時，Q703和Q702導通，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效應管，相對雙極晶體管，功率FET 有很多優(yōu)點:

1、驅(qū)動功率較小，驅(qū)動電路簡單，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、可實行簡單并聯(lián)；

4、不會產(chǎn)生二次擊穿；

5、不存在存儲時間；

6、不會有熱擊穿。

由于蓄電池供電電壓只是12V，故主要考慮導通所能承受的電流值，功率較大時開關(guān)管應采用多管并聯(lián)形式。MOSFET在Vgs超過導通門限電壓后，漏極電流和柵極電壓的比值呈線性增長，漏極電流對柵極電壓的變化率即跨導Gfs在漏極電流較大時實際上是一個常數(shù)，從圖4跨導Gfs與漏極電流關(guān)系圖可看出，跨導的上升使MOSFET管的增益正比例提高，即導致漏極電流的增大，而這種情況又增大了輸入電容，因此，增設推動級使得有足夠電流對輸入電容充電，減小上升和下降時間，提高MOSFET的開關(guān)速度。推動級又有足夠低的輸出阻抗避免電路正反饋振蕩。另外，MOSFET在高頻工作時容易產(chǎn)生振蕩，所以，在電路板設計時應盡可能減小與MOSFET管腳連接線的長度，特別是柵極引線的長度。否則須用一個小電阻與MOSFET管腳串接，并使小電阻盡量靠近管子柵極。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，最佳的起點是Bmax=Bsat /2。然后再根據(jù)所需功率選擇導線，再由N=V×104 / 4f×Bmax×S確定初級線圈圈數(shù)，其中f為工作頻率，V為工作電壓。并根據(jù)次級所需電壓確定次級線圈圈數(shù)。

不同音響所需電壓高低不同，可適當改變初、次級線圈圈數(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)，故整流器應采用高效快速恢復二極管、超快速恢復二極管或肖特基勢壘整流二極管等。

輸出濾波電容要求其ESRmax值越小越好，ESRmax值大小對輸出波紋電壓有直接影響。ESRmax= △Iout/△Vout，其中Iout=0.25Ii (Ii為設計輸出電流)。△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)。實際用容量應遠大于Cout，因為濾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電壓進行升壓，輸出正負電源，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。印刷板設計必須注意大電流接地部分不設阻焊層，以便制作時上錫加厚，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)電源的設計上，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。