就电子设计文章的发布渠道而言,可分为类和个人爱好类这两个基本类别,大体上可以确定哪些内容是可以发表的,哪些内容是不能发表的。个人爱好类曾经有Popular

Electronics和Electronics

World等杂志,这些杂志在超市就可以买到,它们的主要目标读者是个人爱好者;EDN和Electronic Design

(ED)则是类杂志的代表。

总的来说,几乎任何电路设计都可以安全地在EDN和ED上发表,因为读者通常能理解任何明显的危险,而且作者一般会对大多数危险电路做出详细解释。但供爱好者阅读的杂志本应该(我说本应该,是因为他们经常忽略这个要求)坚持一定的标准,避免发布危险的电路设计。虽然社会和法制对危险性发布的要求越来越严格,但在这些个人爱好者类杂志停刊前的几年里,危险电路设计仍在持续被发表。

撇开危险性不说,电路设计还有好坏之分,一个电路可能是好的设计,也可能是垃圾。无论还是爱好者类杂志,都存在一定数量的劣质电路设计。也许你认为出版行业的人员应该在某种程度上扮演质量把控的角色,以确保只有高质量的电路设计才能发表。然而问题在于,很多真正的工程师都在公司里忙于设计,这跟其它诸多行业一样。

涉足危险区

让我们来看一个令人难忘的电子工程设计灾难。令我震惊的是,它竟然于1996年发布在的电子爱好者杂志上,发表这个电路设计是不负责任的。除此之外,还有一些不那么严重但仍很重要的问题。

这个电路用于D类开关音频功率放大器,这一技术不仅早在1975年就已经被详细地介绍过了(就在这些非常流行的电子爱好者杂志上),而且索尼在这一时期制造出了个商用开关音频功率放大器。当时,索尼研发出了因垂直J-FET型结构而得名的V-FET器件。作为FET,这些器件轻松地实现了与高质量音频相匹配的250kHz开关频率的高速需求(这意味着采样速率比理想的上限频率高一个数量级)。广义D类放大器的基本拓扑类似于Sigma-Delta调制器:


图1:一个正确设计的D类开关音频功率放大器的基本拓扑结构。

需要注意的是,这个广义拓扑的设计都是正确的。调制器包含在一个封闭的反馈环路内,以确保忠实还原输入信号。输出滤波器在反馈回路外部,极大地简化了稳定性问题,实际上还可以支持更大的带宽。这个基本拓扑图省略了很多细节。比如,功率器件的门极驱动(包括索尼的原始V-FET)带来了一些需要级联跟随器等电路的挑战。

D类开关设计所独有的一个难点在于,它们依赖于输出级中未使用能量的再循环来实现其效率。当从单个输出级为负载提供直流电压驱动时,就会产生问题。我们可以利用图2中的基本电路来解释。图2所示电路基于一个假设,那就是我们试图生成一个负输出电压。它还包括一些实际电路中不会出现的器件,像D3和D4。增加这两个二极管的目的是为了强调一个事实,即多数供电电源具有很好的拉电流特性,但灌电流却很糟糕。




图2:这一电路显示单端D类只能用于没有直流分量的交流信号。

上面图2所示电路描述下面的MOSFET Q2导通,向负载提供必要的电流以产生负输出。任何一个中间输出电压就决定了小于100%(或大于0%)的占空比,因此如底部的示意图所示,终Q2关断,Q1导通。在这些条件下,受输出滤波器内电感作用的影响,电流持续流向同一个方向,其通道是从Q2源极,通过D1反激式二极管,到Q2漏极,然后进入正电源。这样的电流方向会引起正电源电压每个周期都上升一点,直到高到足以损害电路器件。

这个电路不可能暴露在直流输入端,也不能形成一个可以作为静态直流输出出现的偏移 。在这种情况下,输出滤波器的再生能量将会提高轨道上与负载供电相反的电源电压(例如,负载端正直流电平将会对负电源轨起到推动作用)。索尼通过交流耦合输入来处理这个问题,内置一个能够关闭放大器的“电压升高检测器”。一个更巧妙的解决办法是将开关放大器设置成全桥,以便可以回收能量。

一个严重的工程设计灾难

现在我们已经大致描述了一个设计合理的D类放大器的基本原理,接下来就让我们通过两张原理图(图3中的放大器和图4中的电源设计)来看看所谓的“工程设计灾难”。显而易见,这一业余级的D类放大器设计中既没有负反馈,也没有输出滤波。这是一个开关频率为50kHz的开环架构。是的,它是可行的,但达不到高保真级别。




图3:这是脉宽调制器简单的实现方式。它是一个开环回路,而且没有输出滤波器,这是一个很粗糙的设计。

放大器没有输出滤波也能工作,毕竟扬声器不能对50kHz做出响应。滤波可改善这一电路可能产生的严重失真问题。更糟糕的后果是来自较长的扬声器引线的RFI(射频干扰)问题,扬声器引线会携带具有大量强大谐波的50kHz开关波形。这很有可能会打扰到你的邻居。

脉宽调制器由基本的比较器组成,其中一侧输入端为三角波形,另一侧输入端为所需的模拟信号。鉴于50kHz的低开关频率,将比较器输出耦合到功率器件的电路只能尽可能的简单。

对于输出器件,更是没有任何电流限制或其它保护。扬声器引线短路肯定会导致灾难性的后果。更不用说可能引起的其它风险了,比如输出器件的短路和高电流有可能引起火灾。

如果这还不算是糟糕透顶的、几乎不值得花费金钱或时间去设计的电路,那么这项工程设计的灾难非电源设计莫属。请注意,这位作者是从老式管类设备入手的,例如5管无变压器式无线电设计,其内部电路是直接连接到交流电端的。然而,那个时候,制造商在这方面也非常老道,你不会看见任何类型的外部连接器孔,而且任何客户可能触碰到或抓住的也都经过细致的绝缘处理。因此,我对于直连交流电源的设备操作并不陌生,它可以处理得很好,但很容易被忽视。




图4:请勿设计这样的供电电路。如果一定要这样做,必须通过隔离变压器将其连接至交流电源。

再次强调,这一放大器的电源直接连接到交流电只是一个基本问题。由于放大器电路本身输入和输出端外部连接的必要性,缺乏隔离措施可能引起更加危险的后果。当交流电源接通时,用户可能会接触到连接线。

一些读者可能会观察到示意图中交流电线两侧都没有明显的“直接”连接,例如输入插孔或扬声器连接。那么就让我对此来说明一下,当您使用交流电源线时,会面对以下两种场景之一:1)无绝缘;2)绝缘(使用某种类型的变压器完全隔离交流电线路)。在场景2中,绝不可能通过放大器上的任何连接,经由交流线路产生电流,进而确保操作人员的电气安全。这里描述的放大器并没有这种隔离。虽然可以通过整流器、滤波器帽、TRIAC和一些电阻器来建立交流线路的电流路径,但一旦接触到人,仍然极具风险。交流电源线是我们通常接触到的危险的电能源。当人们接触到交流电连接时,绝缘是有必要的,这是毋庸置疑的。

这会延伸到交流线路安全问题,包括交流电源线的极性,确保低端总是与地面位于同侧。然而所有这些问题在任何设计合理的电路中都是应该避免的,采取的措施就是使用电源变压器。前面讨论的这种放大器只需简单地包含一个常用的隔离变压器,至少能确保安全(但不一定很好)。

作为后话,值得一提的是,该杂志在后续期刊中发表了一些声明,指出这个电路设计欠缺隔离的问题。然而,对新手们来说,一开始便尝试这样的设计,着实是可怕的。

除了以上的问题,其实这个电源设计在某些方面还算巧妙,它使用TRIAC交流线路相位控制作为51V电源的一个高效“粗调”稳压器。但是,当你了解到相位控制调节会产生相当大的RFI,并且有悖于现代电源设计时,它就显得没那么巧妙了。现代电源设计侧重功率因数校正,引入了电流波形图的波形和相位,并尽可能地使其与电压波形图(参见相位控制调光器)保持一致。简而言之,电源中的电流会沿着交流电正弦波的电压波形图,在多处以短脉冲形式流动。光谱上会显得很凌乱。显然,这只是其中一个较小的问题。

不合格问题

上世纪80年代,一家的政府科研机构主办的杂志发表了一篇设计笔记,是关于如何通过运算放大器电路实现更高带宽的。其中只包含一个简单的、非常通用的原理图(图5)。




图5:该电路被视为增加运算放大器电路带宽的可行方法。实际上,这可能是运算放大器不稳定的结构之一。

对运算放大器和反馈理论有基本了解的人都会很容易意识到,假设运算放大器的开环增益显著高于反馈电阻的比率,则信号增益仅能按照反馈电阻的比率来进行设置。当开环增益下降到等于或小于基于反馈电阻设置的值时,此时的频率就决定了带宽。除非选择不同的运算放大器,否则无法改善开环增益中增益与频率的关系。

简单的检测表明,我们正在本是单极系统的反馈路径中放置一个极点,这种情况只会使系统更趋于不稳。

这种电容可能的影响是瞬态响应过冲加剧,并大幅提高高频噪声(可能作者注意到高频噪声的增加,并由此推断出更高的带宽)。在某些情况下,还会发生直接振荡。

伪科学

大约在1996年中期,某电子爱好者杂志上刊登了一篇关于魔术灯的文章,声称通过简单地应用普通的台灯调光器电路,可以大大提高白炽灯的效率。实际上,这种电路更加糟糕,因为它是半波。

作者声称,使用30V灯泡而不是100V灯泡,其电压和电流只是后者的三分之一,因此可以节省90%的电能。

马上就有人开始好奇,比如如何对光输出进行比较(使用光度计测量是显而易见的,但很容易出现测量误差),并指出30V灯泡并没有比110V灯泡的温度更低。但是,这里的关键性错误在于126o延迟半波相位控制中,平均值和有效值RMS之间存在3:1的巨大差异。

这种设计之所以会大行其道,是因为作者采用的是非常基本、便宜的仪器来测量电压和电流,而且测量的是非线性波形。更令人惊讶的是,该设计方法还被授予了(美国 5463307)。

为尝试了解这类电路的测量方法,该作者对全波TRIAC调光器电路进行了一些测量,如图6所示。该电路与魔术灯电路的不同之处在于,魔术灯为半波,而这一电路为全波,但它能够说明测量中的问题。




图6:TRIAC调光器电路。

随着调光器两端交流电压在每个周期的增加,电容器开始充电。当达到约30V时,DIAC会断掉并传导,将电压降到足够低来让电容器放电,从而触发TRIAC。由于这是交流半导体,因此每半个周期重复。

在图7中,我们能够看到一张照片,里边有用于测量台灯负载两端电压的示波器,并联一个普通的平均值交流电压表。示波器测量功能被设置为测量周期有效值电压。图7显示了电流测量的结果(通过一个2Ω电阻器)。如果用这一电表来计算功率,则可以得出结论:负载在32.7V时消耗33mA电流,功耗为1.08W。而实际上,它是在55V时消耗了56mA电流,功耗为3.08W。



图7:示波器设置为测量负载电压,并联一个传统的平均值交流电表。请注意,示波器测量功能可捕获的实际有效值为55V,而电表却显示为32V。


图8:图7中的设置是通过2Ω电阻器测量电流。同样,平均测量结果是不准确的,其读数偏低。