定压(Constant-Voltage)放大器用于远距离音频功率分配,通过提高输出电压、降低电流来减少线缆 损耗。Class-D拓扑在定压应用中具有显著优势:效率对供电轨电压的敏感度远低于Class-AB,可实现无变压器的直接驱动(Direct Drive)。主要标准为美国70.7V和欧洲100V。
18.1 定压放大器的定义与命名
“定压”并非指输出电压恒定,而是指峰值输出电压符合标准值:
| 标准 | RMS电压 | 峰值电压 | 100W时电流 | 额定负载阻抗 |
|---|---|---|---|---|
| 70V(美国) | 70.7V | ±100V | 1.414A RMS | 49.98Ω |
| 100V(欧洲) | 100V | ±141.4V | 1.00A RMS | 100Ω |
- Lo-Z(低阻抗):驱动4~8Ω扬声器
- Hi-Z(高阻抗):驱动定压分配网络
18.2 定压系统的由来与原理
定压系统本质是音频功率分配系统,与电力公司高压输电原理相同:
对于100W功率分配:
- 100V × 1A → 低 损耗
- 10V × 10A → 高 损耗
- 1V × 100A → 极高损耗
典型应用场景:大型会议室天花板扬声器、酒店走廊、体育场馆分布式音响。
18.3 负载阻抗的宽范围特性
定压放大器面对的负载阻抗变化极大:
- 满载(250W):
- 单只10W扬声器:
- 空载:
设计要求:Class-D定压放大器必须在从额定负载到空载的全阻抗范围内保持稳定,并满足音频性能指标(频率响应平坦度等)。这与Lo-Z放大器不同——Lo-Z放大器仅在设计的低阻抗范围内测试性能。
18.4 输出升压变压器方案
18.4.1 工作原理
Lo-Z放大器通过输出升压变压器将低电压升至70V/100V,再由远端扬声器侧的降压变压器还原。
18.4.2 变压器劣势
| 劣势 | 说明 |
|---|---|
| 插入损耗 | 升压+降压两端均有 和铁芯损耗 |
| 体积/重量 | 需支持 积而不饱和 |
| 成本 | 大铁芯+多匝绕组 |
| 负载调整率 | 空载至满载输出电压变化可达25~30% |
| 频率响应 | 低频滚降(磁化电流)+ 高频滚降(绕组电容) |
18.4.3 变压器 积与磁化电流
为保持磁化电流远小于反射负载电流:
- 增大初级电感量 → 增大铁芯尺寸和匝数 → 体积重量增加
- 缩短施加电压时间 → 受限于低频响应需求
实用折中:使用2阶高通滤波器(12dB/octave),截止频率60~80Hz,限制低频响应以大幅减小变压器尺寸。
18.4.4 变压器的优势
提供电气隔离(galvanic isolation),某些国家和安装场景中为强制要求。
18.5 直接驱动方案(Direct Drive)
18.5.1 Class-D的优势
Class-AB效率高度依赖供电轨电压与输出电压之差:。Class-D效率对供电轨电压的敏感度低得多,可直接产生Hi-Z输出电压。
直接驱动Hi-Z/Lo-Z兼容输出是商用放大器最流行的方案,提供极大安装灵活性。
18.5.2 半桥功率级电压要求
| Hi-Z标准 | 峰值输出电压 | 供电轨电压(95%最大占空比) | 功率管峰值电压 | 最低额定电压 |
|---|---|---|---|---|
| 70.7V | ±100V | ±111.1V | 222.1V | 300V |
| 100V | ±141.4V | ±157.1V | 314.2V | 400V |
经验法则:最大工作电压不超过功率管额定电压的80%。需考虑振铃和过冲产生的 。
半桥劣势:需极高电压功率管,且存在供电轨泵浦问题。
18.5.3 全桥功率级电压要求
| Hi-Z标准 | 峰值输出电压 | 双电源轨电压(95%占空比) | 功率管峰值电压 | 最低额定电压 |
|---|---|---|---|---|
| 70.7V | ±100V | ±55.55V | 111.1V | 150V |
| 100V | ±141.4V | ±78.55V | 157.1V | 200V |
全桥优势:
- 功率管电压额定值大幅降低 → 更低 → 更低导通损耗
- LC滤波和EMI抑制元件电压额定值降低(如100V额定即可)
- 消除供电轨泵浦
18.5.4 单电源全桥(BTL)
- 简化电源设计(仅需单路DC)
- 无供电轨泵浦
- 静态时输出端有 直流偏置 → 需审查安全标准
- 反馈路径需电平转换
18.5.5 双电源全桥
- 静态输出0V → 音频信号全程地参考
- 无供电轨泵浦
- 电源设计复杂度增加
18.6 Hi-Z/Lo-Z兼容输出的过流保护
问题:同一放大器驱动Hi-Z和Lo-Z负载时,过流阈值差异巨大:
- 100V/100W Hi-Z:仅需1A RMS(±1.414A peak)
- 4Ω Lo-Z:需5A RMS(±7.07A peak)
若OCP阈值设为>7.07A,在Hi-Z模式下可产生 的严重过功率。
解决方案:
| 方案 | 实现方式 |
|---|---|
| 可选OCP | 用户选择或自动检测负载阻抗 |
| 输出功率限制 | 自动监测负载阻抗并限制 |
| 电源轨电流检测 | 固定DC电压下,轨电流与输出功率对应 |
两种自动方案均需同时监测输出电压和电流。
18.7 可选/可变供电轨电压
Class-D效率虽对供电轨不敏感,但降低轨电压仍可减少开关损耗。
实践方案:
- 多路供电轨切换
- Lo-Z模式 → 低压轨
- Hi-Z模式 → 高压轨
- 可按通道独立切换或全通道同步切换
参考文献
- Bohn, D. (1997). Constant-voltage/constant-current power distribution.
- Crown Engineering Staff. (2005). Constant voltage audio distribution.
- Giddings, P. (1990). Audio systems design and installation.
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