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开关电源功放技术的优势

音频技术人员一直都在期盼一种重量轻，热量低，低电流低功耗的功率放大器。本文将介绍开关电源供电和开关电源功率放大器，这可能就是他们所追求的答案。
与常规的功放电源相比，开关电源具有体积小，重量轻的优势。而相比于常规的模拟功放，开关电源功放的效率高，发热低，功耗低；此外，由于使用紧凑的电路和更小的散热器，开关电源功放的质量更轻，体积更小。
开关电源通过晶体管开关和其它元件将交流电转化成直流电。开关电源功放通过高频率地通断晶体管开关实现音频信号的放大。
人们通常把开关电源供电的传统功放称为“开关电源功放”或“数字功放”。而通过开关电源实现音频放大的功率放大器同样被称为“开关电源功放”或”“数字功放”. 所以很难讲你所买到的功放是前者还是后者，只有查看产品说明书才能加以辨别。

为了归纳二者之间的区别，我们要了解一下各自的工作原理。

开关电源供电
经验告诉我们，大功率功放一般都很沉重，其中很重要的一个原因要归咎于功放内部的电源变压器的铁芯，而变压器则是供电电源的必备器件。为了避免交流电的低频率（50Hz或60Hz）引起的铁芯饱和，变压器就要做得很大很重。这种特点又导致在低频产生细微的感抗。假如民用交流电的频率为数百KHz, 那么更小更轻的变压器就足以实现变压，并且不会产生铁芯饱和。这样功放的重量就得以减轻。开关电源就是首先把电源频率从50/60Hz转化到100 kHz, 这样就可以采用小型变压器，还可以采用更小的滤波电容器。

见图一，电流方向为从左至右：
1、 将60Hz的交流电源接入开关电源；
2、 开关电源对输入电源进行整流和滤波，并将交流电转化为直流电（这与所有的交流转直流电源的原理一样）。
3、 从直流输出接入晶体管开关，两个晶体管开关以极高的频率交替通断，从而把直流电压转换为脉冲电压，这样就可以有效地产生高频率的电流。也就是说，晶体管开关将直流电转化成高频的交流方波。
4、 晶体管开关后是一个轻型的隔离变压器。方波电流（脉冲电流）通过变压器并产生电磁感应。
5、 最后，再通过另一个AC/DC转换电路对脉冲电流进行整流和滤波，并未功放电路提供直流电。

Figure 1: Block diagram of a typical switching power supply. Click to enlarge

一个控制电路（图中未显示）监测变压器的输出电压，并可对开关电路进行实时调整从而控制最终的直流输出电压。
不难看出，采用开关电源供电要比传统的电源供电更加复杂。而这种供电方式的好处就在于它具有极高的效率。就是说，只有很少的能量以热能形式浪费掉，大部分的交流输入功率都被转换为功放的输出功率。这是如何实现的呢？有欧姆定律，我们知道 U*I=P. 如果一个设备的电压或电流为零，其功率也为零。开关晶体管处于断开状态时，电路中的电流为零；处于通路状态时，产生的电压为零，因此产生的热量很小，电源的供电效率很高。

开关功放，而非线性功放

我们已经了解了功放的开关电源供电。现在我们来看看开关式功放是如何处理信号的。仅仅在前些年，所有的演出用的功放都是线性功放而不是开关功放。我们可以把线性功放叫做“模拟功放”，把开关功放叫做“数字功放”，尽管这种说法不准确。
模拟功放的输出**好比一个可变电阻，通过输入音频信号将交流电源调制成强电流以推动扬声器发声。而在开关功放中，输入信号通过一个脉冲带宽调制（PWM）的过程，对输出设备产生的高频矩形波的带宽进行调制。用一个低通电路将模拟矩形波中的高频部分切除，得到一个经放大的模拟信号驱动扬声器。
在此方法中（见图2），采用一个高速比较仪将高频三角波和输入音频信号进行对比。输出一系列的脉冲信号，脉冲信号的带宽随输入信号的振幅和频率变化。信号从比较仪流入一个开关控制器，并驱动一个大功率开关，对比较仪的PWM信号进行放大。经放大的脉冲信号通过一个低通滤波器，得到一个平滑的大功率信号来驱动负载扬声器。

Figure 2: Block diagram of a typical switching power amplifier. Click to enlarge

脉冲带宽调制（PWM）可以改变开关的占空比。与此不同的是，模数转换器采用脉冲编码调制（PCM），每秒数千次的频率生成一串由“1”和“0”组成的代码。两种方法在系统输出信号时，都将“数字”信号转换成模拟信号。我们前面已经提到输出晶体管所产生的矩形波将经由输入信号的调制。这些矩形波是由输出晶体管以一个极高的频率不停通断所产生的。
数对晶体管以推挽模式不停开关---双开关中的一个晶体管闭合，则另外一个断开，反之亦然。这就是丁类功放的工作方式，而甲类、乙类和丙类功放采用更复杂的开关来产生矩形波。丁类功放的设计的诞生已经约有50年了，但是直到近几年才得到普及，因为功率处理能力的提高和现代输出晶体管在速度和效率上的改进。
如前所述，当晶体管开关闭合或断开时，其电流或电压为零。此时，电流乘以电压，即功率的理论值为零，因此以热能浪费的的能量也为零。就是说开关功放的效率在理论上接近100%。线性功放则完全是另外一回事。大多数情况下，晶体管两端施以电压才会有电流通过，结果电能转化为热能浪费掉，这部分能量并不能转化为信号来驱动扬声器。 一个典型的线性功放的效率可能只有30%。为了防止攻防过热，必须使用散热器和风扇来散热。而开关功放不需要散热，效率可高达80-90%。功放的效率是不可能达到100%的，因为总有一部分电能在输入阶段被消耗，并不是从电源插座输出的所有交流电源都被用来驱动所连接的负载扬声器。即便如此，开关功放还是可以被认为是“绿色功放”，因为要达到同样的输出功率，器消耗的能量要比传统功放少。还有其它的方式也可以提高功放效率，比如根据输入信号的变化进行“追踪”供电。

理想与现实
对于开关电源功放，“数字”这个词只是口号而远非现实。开关电源功放产生的脉冲带宽调制信号事实上是一种可以被过滤的模拟波形。称其位“数字”不过是因为其两种电压状态。并不着音乐信号被转换成数字信号。
很多用户被这些术语所迷惑。“数字”功放并不能像CD机那样产生数字信号源，而只是在其供电电源或输出**中使用开关晶体管。

目前的此类产品

部分使用开关电源的功放有 QSC CX, DCA, OLX2, Powerlight 3 系列； Crown CDi, DSi, XTi, CTs, and I-Tech 系列, 以及Lab.gruppen C， FP+ 系列和 Yamaha P 系列II. 部分开关功放产品有Crown I-Tech HD 系列.
有了开关电源功放和开关功放，我们不必再费九牛二虎之力去推功放机柜，节省了力气又节省了能源！