CN111564958A - 一种利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其包括设置于功放主机板中心位置处的两块APFC控制板，每个PFC芯片驱动部分接入一个主动钳位驱动器，并且于两个主动钳位驱动器之间接入一电压输出单元，该电压输出单元采用一个变压器输出一个电压或两个电压；还包括两组电源散热器、平板散热器，每个平板散热器与相邻的电源散热器相接触并且一同将高频变压器包围，使高频变压器同时通过平板散热器与电源散热器散热。本发明有利于实现APFC即主动式功率因素校正功能，利于降低电源输出储能电容的容量需求，将电容纹波成倍减少，提升了电容寿命，即提升了电源使用寿命与可靠性，有利于克服功放过载问题；同时，提升了散热能力。

Description

一种利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统
技术领域
本发明涉及功放技术领域，尤其涉及一种利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统。
背景技术
功放系统作用在于将音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱放声，其主要将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放，由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。但无论是本领域技术人员、或是广泛的使用者均知晓，功放设备的优越性与其内部的功放电源系统性能密切相关。
本发明技术方案主要针对现有的一系列基于1U高度机箱的功放电源系统构造进行优化，在实际应用与测试中会发现，目前的大部分功放电源系统的使用寿命与可靠性仍然存在着较大的隐患，包括相互关联的内、外两个需要解决的技术问题，其中的内在因素表现于功放过载问题，其中的外在因素表现于电源及变压器散热问题，之所以这两个因素相关联，是由于无论仅单独解决哪一个问题，即仅依靠稳定的散热性能而采用传统电路模块不会对工作过程产生增益作用，或仅设置相适宜的电路模块而不对散热系统进行相匹配的设计，都无法彻底提升电源系统应用过程中的可靠性。
首先，本发明技术方案之研发人员所总结的功放过载因素，是通过与当前主流顶级功放原理进行对比分析得出的，可参考说明书附图3，即目前的主流顶级数字功放主电源方案设计案例，其采用APFC+LLC半桥式，虽然该方案成本低且效率高，但是有个致命缺陷，就是输出电压范围很小，例如，已经设计好输出±160V的电源，在不更换变压器的情况下，要实现±20％范围内调整极其困难，因为该方案的PFC单元一般输出400V到LLC半桥，LLC半桥一般是开环不稳压，要想不更换变压器实现变压器输出电压可调，只能调整PFC的稳压值， 220V电网输入经过整流之后，电压为300V左右，所以PFC升压电压必须大于 300V，也就是PFC的输出电压范围向下只能到310，只能向上调整，比如升压到600V，再高就不容易找功率管，并且给LLC半桥式变压器的设计带来很大的麻烦。正是出于这个原因，采用该方案的开关电源不适合需要电源输出电压在百分之几百范围内变化的需求。显然，以往采用信号压限的设计方案确实无法彻底解决功放输出功率过载的问题，仅仅是限制功放放大倍数而不对功放电源电压进行控制，随着功放负载阻抗的降低，CLASS D功放需要用更小的PWM占空比来输出更大的功率，这会导致功放的功率管峰值电流剧增，而功率管的热损耗是与流过功率管的峰值电流平方的积分成正比的，所以功放管会功耗剧增，导致功放接低阻抗时的效率大幅度降低，因此，就对功放提出了更严格的散热要求，同时降低了功放的使用寿命和可靠性。
其次，既然需要对功放提出更严格的散热要求，则必须对以往电源部分的散热结构进行优化，包括电源散热器件、高频变压器相应的散热器件、以及功放散热器，特别是高频变压器散热结构的设计优劣直接影响到整体的功放电源系统散热的性能。当然，本发明技术方案之研发人员在分析出以上重要的因素之后，进行了有关功放电源系统相应方案的设计，在设计阶段中，通过将每一个功放电源系统所采取的中间方案进行多次性能测试，最终可得到如本发明趋于最佳优化布局的技术方案。
综上分析，本发明正是在现有公知技术的基础上，结合实际应用，对同一技术领域内的功放电源系统的内部源模块与系统散热结构提出进一步设计，克服功放过载因素与散热因素，解决以往1U机箱功放电源系统的使用寿命以及可靠性较低的问题。因而，所提出的技术方案能够缓解、部分解决或能够完全解决现有技术存在的问题，同时，所提出的技术方案也是为了满足需要解决功放系统设计者与使用者的需求。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题，本发明提供一种利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，通过对功放电源系统的内部模块与系统散热结构提出进一步设计，克服功放过载因素与散热因素，解决以往 1U机箱功放电源系统的使用寿命以及可靠性较低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其设置于1U高度CLASS D功放机箱内部，该机箱内部水平设置功放主机板，该功放电源系统包括：
设置于功放主机板中心位置处的两块APFC控制板，并且形成至少两个PFC 芯片驱动部分，每个PFC芯片驱动部分接入一个主动钳位驱动器，并且于两个主动钳位驱动器之间接入一电压输出单元，该电压输出单元采用一个变压器输出一个电压或两个电压；
两组电源散热器，分别设置于APFC控制板的左、右两侧，每一组电源散热器两端分别设置一风扇；
平板散热器，其设置于电源散热器的外侧且其表面与电源散热器相接触，每个平板散热器与相邻的电源散热器一同将高频变压器包围，使高频变压器同时通过平板散热器与电源散热器散热；
其中的高频变压器与平板散热器之间、以及平板散热器与电源散热器之间均设置高导热层，以便于充分将高频变压器热量传递到电源散热器。
结合以上技术方案，在同一个构思的前提下，技术人员采用不同的技术手段还可形成不同的技术方案，所采用的技术手段包括：
两个APFC控制板设置为独立两通道隔离交错式的APFC控制板，以便于进行主动式功率因素校正；
其中的平板散热器采用铜或铝散热组件；
还包括功放散热器，其设置于所述平板散热器的外侧。
其中的功放电源系统采用主动钳位反激电源设计，以便于获得范围较广的电压调整范围。
技术人员还可根据不同需求实施相应的技术手段，构建不同的技术方案，这些技术手段包括：
其中，平板散热器外围设置分布若干功率管；
其中，在具体布置时，平板散热器于APFC控制板两侧呈左右对称设置；
其中，电源散热器内部可适当设置若干散热通道。
其中，功放电源系统优选采用交错式APFC技术，以便于降低电源输出储能电容的容量需求，将电容纹波成倍减少。
其中的高频变压器可利用双重散热方式。
本发明采用主动式钳位反激电源设计方案，有利于实现APFC即主动式功率因素校正功能，利于降低电源输出储能电容的容量需求，将电容纹波成倍减少，提升了电容寿命，即提升了电源使用寿命与可靠性，有利于克服功放过载问题；同时，利用高频变压器、平板散热器以及电源散热器的结构设计与位置关系，提升了散热能力，确保了应用其的功放设备的使用性能。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其功放电源模块设计方案示意图一；
图2是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其功放电源模块设计方案示意图二；
图3是所列举的与本发明有关的目前普遍采用的功放电源系统，其功放电源模块示意图；
图4是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，可应用其的功放设备工作原理图一；
图5是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，可应用其的功放设备工作原理图二；
图6是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其散热结构设计示意图；
图7是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其高频变压器散热结构示意图；
图8是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其采用的平板散热器结构示意图；
图9是本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其采用的带风扇的散热器结构示意图；
图10是图9的A-A方向剖面示意图。
1、功放主机板；
2、电源单元；
3、电源散热器；
4、风扇；
5、高频变压器；
6、平板散热器；
7、功率管；
8、功放散热器；
9、APFC控制板；
10、散热通道；
101、PFC驱动器一；
102、PFC驱动器二；
103、主动钳位驱动器一；
104、主动钳位驱动器二；
105、电压输出单元一；
106、电压输出单元二。
具体实施方式
本发明拟实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，所实施的技术手段要达到的目的在于，通过对功放电源系统的内部模块与系统散热结构同时进行优化设计，来克服功放过载因素与散热因素，解决以往1U机箱功放电源系统的使用寿命以及可靠性较低的问题。
本发明所实施之技术方案，主要通过优化电源模块、布置系统散热器件的位置关系来构建整体的功放电源系统，由于功放电源系统应用的环境与条件不同，所涉及的范围之广，对于不在本发明技术方案范围之内的常规技术手段，本实施例无必要将每一个系统环节的器件型号、安装尺寸、装配方式、安装手段等细化出来，例如，电子元器件之间的通电显然采用供电线路，散热器显然采用利于散热功能的组件，不仅限于此，但对于庞大的系统构造来说，若要全部列举出来是不现实的。因而，所实施的技术方案实际上是一种能够让本领域技术人员结合常规技术手段参照及实施的功放电源系统框架，技术人员根据不同的应用条件以及环境，按照本申请形成的功放电源系统框架进行实际装配与调试，使其能够适用于1U机箱二通道或四通道的CLASS D功放设备，并且在所构建成的功放电源系统内实际获得其带来的一系列优势，这些优势将会在以下对系统结构的解析中逐步体现出来。
在对本发明技术方案进行解析之前，本发明技术方案之设计人员需要指出，本功放电源系统主要是通过各个电源功能模块的优化及散热器件的设置来体现出其优越性的，除此之外，若单独分析其它电路组件以及电路之间的连接，技术人员采用目前常规技术手段即可实现，并且，无论是何种级别的技术人员均能凭借其基本技能或通过相应的操作指引来实施功放电源系统相关电路的连接，因而，所采用的其他功能模块的电路自身仍然保持不变，并没有进行过任何的改变，在实施本发明技术方案的过程中，凡是涉及到其它功能模块电路组件的型号、电路组件的连接等技术手段完全采用常规技术手段，这些常规技术手段不包含在本发明技术方案之内，对此，以下不再进行赘述。
如图3所示为所列举的目前的主流顶级数字功放主电源方案设计案例，其采用APFC+LLC半桥式，虽然该方案成本低且效率高，但是有个致命缺陷，就是输出电压范围很小，例如，已经设计好输出±160V的电源，在不更换变压器的情况下，要实现±20％范围内调整极其困难，因为该方案的PFC单元一般输出 400V到LLC半桥，LLC半桥一般是开环不稳压，要想不更换变压器实现变压器输出电压可调，只能调整PFC的稳压值，220V电网输入经过整流之后，电压为 300V左右，所以PFC升压电压必须大于300V，也就是PFC的输出电压范围向下只能到310，只能向上调整，比如升压到600V，再高就不容易找功率管，并且给LLC半桥式变压器的设计带来很大的麻烦。正是出于这个原因，采用该方案的开关电源不适合需要电源输出电压在百分之几百范围内变化的需求。然而，何种情况需要功放电源提供百分之几百的变化范围呢？举例说明：假如一台额定负载8欧姆2500瓦的功放，如果接上4欧姆的负载，理论上需要功放输出功率是5000瓦；如果负载变成2欧姆，则需要功放输出10000瓦，由于技术和成本原因，绝大多数功放无法做到负载阻抗变小，功放功率以2倍情况往上翻，于是，功放采用信号压限来控制功放的放大倍数，达到限制功放的输出功率。
但是，以往采用信号压限的设计方案确实无法彻底解决功放输出功率过载的问题，仅仅是限制功放放大倍数而不对功放电源电压进行控制，随着功放负载阻抗的降低，CLASS D功放需要用更小的PWM占空比来输出更大的功率，这会导致功放的功率管峰值电流剧增，而功率管的热损耗是与流过功率管的峰值电流平方的积分成正比的，所以功放管会功耗剧增，导致功放接低阻抗时的效率大幅度降低，因此，就对功放提出了更严格的散热要求，同时降低了功放的使用寿命和可靠性。
技术人员试图采用一种技术手段让功放自动识别负载阻抗，根据负载自动调整功放主电源电压，让电源电压可在很大范围内变化，例如，接8欧姆负载时，功放电源输出±250V，接4欧姆负载时，功放电源输出±150V或者其它一个想要的值比如±120V，接2欧姆负载时，功放电源输出±90V或者其它一个想要的值比如±60V，采用如此技术手段的优点是电源电压降低了，功放要输出更大功率会提升PWM占空比，功放功率管峰值电流变小，有效值电流增加，相对峰值电流增大这种情况，功率管损耗大大缩小。
如图1-2所示，本发明拟实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，为了实现输出电压很大范围变化的电源，优选采用主动钳位反激电源方案，反激电源的优势为容易实现输出电压在百分之几百的范围内变化，但是传统反激电源效率很难突破90％，若主动钳位技术则有利于解决该问题，主动钳位技术易于实现电源上的开关管都工作在ZVS模式下，也就是开关管导通是在0电压开通，0电压关闭，有利于彻底解决开关管开通与关闭损耗，并且降低了开关管的应力，降低了电源的EMI电磁辐射，大大提高了电源寿命和可靠性。
进一步地，按照以上分析的技术手段，应用时，功放主机板1设置两个APFC 控制板9，即采用至少两个PFC芯片驱动，即PFC驱动器一101、PFC驱动器二 102，并且两个驱动器分别接入一个主动钳位驱动，即依次为主动钳位驱动器一 103、主动钳位驱动器二104，技术人员既可以在两个主动钳位驱动器之间的电路中接入利用一个变压器输出一个电压的电压输出单元一105，也可以接入利用一个变压器输出两个电压的电压输出单元二106。
另外，对于本发明所实施的功放电源系统，通过在应用其的功放设备的功放主机板1中心位置处设置独立两通道隔离交错式的APFC控制板9，有利于实现系统的主动式功率因素校正功能，使用交错式APFC技术，利于降低电源输出储能电容的容量需求，将电容纹波成倍减少，提升电容寿命，而开关电源中寿命最短的就是电解电容，这也等于提升了电源使用寿命与可靠性。
经过测试可知，通过采用交错式主动钳位反激电源方案，有利于实现96％的电源效率。
如图4-5所示，本发明拟实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，对于应用功放电源系统的功放设备，在应用时，通过对功放的输出电流和输出电压进行采样，把采样结果送到系统控制电路，对输出电流和电压进行乘法运算即可得到功放输出视在功率，这是不考虑输出电压和电流相位的计算；用功放输出电压除以输出电流就能得知功放的输出负载阻抗，这个阻抗同样不需要考虑电流与电压相位，算出来的一个复数阻抗；将该阻抗与一个标准进行比对，即可得知功放所接负载的阻抗高与低，当检测到功放输出阻抗很低时，控制电路输出控制信号将功放电源下调到一个我们事先想要的值，并且同时控制电路输出控制信号到功放压控变阻器电路，改变功放放大倍数，让功放在最大输出功率时始终可以最大化利用功放的PWM占空比。
如图6-10所示，本发明拟实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，对于功放电源系统散热部分，是以设置于1U高度CLASS D功放机箱内部的功放主机板1为位置基础，可参考图6所示为机箱内部由上至下俯视角度的局部示意图，于APFC控制板9外围布置若干功率管7，该APFC控制板10外侧设置电源单元2，所实施的APFC控制板9外部左、右两侧分别设置一电源散热器 3，每一电源散热器3两端分别设置一风扇4，电源散热器3内部可根据不同设计需求设置若干散热通道10；由于APFC控制板9外围布置的若干功率管7在位置上与电源散热器3相邻，因而，这些功率管7也可通过相邻的电源散热器 3进行散热。
进一步地，每个电源散热器3外侧固定设置一平板散热器6，该平板散热器6的形状具体参考图7与图8，从位置关系上分析，每个平板散热器6的位置处于与之相接的电源散热器3的中间段，每个平板散热器6内部设置高频变压器5并且与电源散热器3一同将所设置的高频变压器5包围于其内部，从而使高频变压器5外围均可散热，既可通过平板散热器6散热，又可通过电源散热器3散热，同时，由于平板散热器6板面与电源散热器3相接，因而，平板散热器6也能够将热量传导到有带有风扇4的电源散热器3，从而利用该带有风扇4的电源散热器3将平板散热器6的热量带走，由此可见，能够使高频变压器5获得平板散热器6与电源散热器3双重散热的效果，并且平板散热器6 无需另外设置风扇4，仅利用对应的电源散热器3即可实现热量排出。
进一步地，每个平板散热器6外侧设置功放散热器8并且使若干功率管7 环绕设置于该功放散热器8的外围以便于均衡散热。
本发明所实施的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，利用适当位置处的几个主要散热器散热，可确保与高频变压器5紧密接触而将热量传走，所实施的高频变压器5和平板散热器6之间、以及平板散热器6与电源散热器 3之间可设置有高导热层，以便于充分将高频变压器5热量传递到电源散热器3；其中的平板散热器6可采用铜或铝。
当然，若采用主动钳位反激式电源在功放中进行应用，并不限于是否采具备APFC功能，并不限于是否采用交错式PFC技术，并不限于是否采用硬件或者软件实现功放阻抗检测，并不限于将功放放大倍数与功放电源电压实行联动控制或不联动控制，也并不限于用软件或者硬件实现功放放大倍数和电源电压控制。
在本说明书的描述中，若出现术语“实施例一”、“本实施例”、“具体实施”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明或发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以恰当的方式结合。
在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”、“设置”、“具有”等均做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接或在不影响部件关系与技术效果的基础上通过中间组件间接进行，也可以是一体连接或部分连接，如同此例的情形对于本领域普通技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，对于以下几种情形的修改，都应该在本案的保护范围内：①以本发明技术方案为基础并结合现有公知常识所实施的新的技术方案，并且该技术方案所产生的技术效果并没有超出本发明技术效果之外；②采用公知技术对本发明技术方案的部分特征的等效替换，例如，对散热器件的尺寸等进行等效替换，所产生的技术效果与本发明技术效果相同；③以本发明技术方案为基础进行拓展，拓展后的技术方案的实质内容没有超出本发明技术方案之外；④利用本发明文本记载内容所作的等效变换，将所得技术手段应用在其它相关技术领域的方案。

Claims (10)

1.一种利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其设置于1U高度CLASSD功放机箱内部，该机箱内部水平设置功放主机板，其特征在于，所述功放电源系统包括：
设置于所述功放主机板中心位置处的两块APFC控制板，并且形成至少两个PFC芯片驱动部分，每个PFC芯片驱动部分接入一个主动钳位驱动器，并且于两个主动钳位驱动器之间接入一电压输出单元，所述电压输出单元采用一个变压器输出一个电压或两个电压；
两组电源散热器，分别设置于所述APFC控制板的左、右两侧，每一组电源散热器两端分别设置一风扇；
平板散热器，其设置于所述电源散热器的外侧且其表面与所述电源散热器相接触，每个平板散热器与相邻的电源散热器一同将所述高频变压器包围，使所述高频变压器同时通过所述平板散热器与所述电源散热器散热；
所述高频变压器与所述平板散热器之间、以及所述平板散热器与所述电源散热器之间均设置高导热层，以便于充分将所述高频变压器热量传递到所述电源散热器。
2.根据权利要求1所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：两个APFC控制板设置为独立两通道隔离交错式的APFC控制板，以便于进行主动式功率因素校正。
3.根据权利要求1所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：所述平板散热器采用铜或铝散热组件。
4.根据权利要求1所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：还包括功放散热器，其设置于所述平板散热器的外侧。
5.根据权利要求1-4任一项所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：所述功放电源系统采用主动钳位反激电源设计，以便于获得范围较广的电压调整范围。
6.根据权利要求1所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：所述平板散热器外围设置分布若干功率管。
7.根据权利要求6所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：所述平板散热器于所述APFC控制板两侧呈左右对称设置。
8.根据权利要求1所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：所述电源散热器内部设置若干散热通道。
9.根据权利要求1所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：所述功放电源系统采用交错式APFC技术，以便于降低电源输出储能电容的容量需求，将电容纹波成倍减少。
10.根据权利要求1所述的利于提升使用寿命与可靠性的功放电源系统，其特征在于：所述高频变压器采用双重散热方式。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU2767315C1 (ru) * 2021-04-26 2022-03-17 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Система электропитания импульсного усилителя мощности

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