内容提要    本文讨论一种供电电源电压跟随输出功率变化的声频放大方案，其效率远高于传统的乙类放大器，可实现的效率至少在80％以上，理论上可接近100％。

    关键词     放大电路   管耗   效率

     随着音响技术的发展，人们对放大器输出功率的需求也越来越大，从以前的几十瓦到现在的几百瓦几千瓦，甚至上万瓦。于是，对放大器的效率也提出了更高的要求。提高放大器的效率即等于降低了功率管的管耗，从而可减少功率管的开销，并降低对放大器的供电系统、散热系统等的要求。

根据传统的摸拟放大概念，为了获得不失真输出，理论上声频功率放大器的最高效率为78.5％(乙类满功率状态)^【1】。影响效率的最主要因素是管耗。乙类互补功放一侧输出管的管耗为

 

式中E_c为供电电源电压，V_om为输出电压幅值，R_c为等效负载电阻。

由式(1)可见，如果令E_c完全跟随着输出电压变化，即令E_c的瞬时值

E_c=V_omsinωt            （2）

    则式(1)中的被积函数即为零。也就是说，这时没有管耗，因而效率将达到100％，但式2是不可能实现的，实际上大功率管至少需要2V左右的管压降。再说，如果能使E_c完全跟随V_omsinωt，则供电电源本身就可以直接驱动负载，功放的效率问题就变成电源的效率问题。但是，令E_c分级逼近V_omsinωt则完全是可行的，并且不会额外地引进电源的效率问题。

图1为令E_c分两级逼近V_omsinωt的情形。其中(a)为电原理图，(b)为满功率工作波形图。

 

由图1，在忽略基极电流和交越真的条件下有

另外，由图1得知满功率时输出功率为  

效率为     

图2给出E_e²分2级逼近满功率输出的实际电路。该电路由A、B两组互补功率管组成，A组管为T_A1和T_A2，使用l／2V_cc供电；B组管T_Bl，和T_B2，使用V_cc供电。V_il＼与V_i2交流等电位即等于V_i2。在静态或输出电压V₀不是很大时，开关管K₁和K₂导通，B组管的基极对发射极信号短路因而处于截止状态，只有A组管工作：当输出电压V₀达到一定值，(接近+1／2_Vcc)，R_a1，与R_a2上的分压使开关管K₁与K₂截止；B组管开始工作，保持输出电压V₀继续上升。直至输出电压值大于十1／2V_cc时，A组管的集电极与发射极之间的电压反向（所以用了二极管D₁、D₂，防止V₀向+1／2V_cc倒流），电路完全切换到B组管工作。根据式(5)(6)(8)(9)，令n＝2．可算出图2的效率为习η2＝84.2％

图2 n=2的电路图

    在图2中为了使e_c，分2级逼近输出电压，使用了两组常规电源(因而没有额外的电源效率问题)，但此法不是唯一的。例如，还可以用输出电压的采样值，在供电电源的交流侧控制可控硅的导通角，实现e_c的分级逼近。

根据式(5)、(6)、(8)、(9)，可以算出e_c用n级等距阶梯波逼近满功率输出时的效率(如表1)。根据式(5)、(6)、(8)、(9)，可算出e_c用n级等角阶梯波逼近的效率(如表2)。

表1 n级等距逼近

表2 n级等角逼近

 

由表1、表2可见，当n＝4时，效率已相当可观。当然，随着电源级数n的增加，电路将变得复杂，但如果能开发出相应的控制模块，则仍有其实用价值。

顺便指出，使用Ec完全跟随声频输出直接驱动负载也是可行的，例如图3。这里把声频信号作为开关电源的等效电压，于是开关电源的输出即可直接驱动声频负载。系统的效率就是开关电源的效率(可达到90％左右)。由于开关电源通常按PWM方式工作，因此这实际上就是PWM声频功率放大器。

图3   PWM 功放