摘  要： 介紹了一種低功耗的音響保護(hù)系統(tǒng),。通過(guò)單片機(jī)控制晶閘管的導(dǎo)通角完成功率放大器的軟啟動(dòng),。采用三端雙向可控硅光耦合器實(shí)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)聲器的短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù),、零點(diǎn)漂移保護(hù),、過(guò)熱保護(hù)等。檢測(cè)電路和控制電路光電隔離,，避免了控制電路對(duì)放大器的干擾,，使揚(yáng)聲器可直接與放大器相連，以獲得更好的頻率響應(yīng),。
關(guān)鍵詞： 軟啟動(dòng),；沖擊電流；光耦合器,；繼電器

　音響主要由音源,、功率放大器和音箱組成。這些設(shè)備往往都比較昂貴,，因此在設(shè)計(jì)高品質(zhì)音響設(shè)備時(shí),，其保護(hù)電路的優(yōu)良是不容忽視的。根據(jù)設(shè)備的不同,，其保護(hù)措施也略有不同,，如錄音設(shè)備保護(hù)多采用限幅方式[1]，音箱常見(jiàn)保護(hù)措施有延時(shí)閉合和輸出直流保護(hù)，而功率放大器的保護(hù)相對(duì)較少,，很少帶有軟啟動(dòng)功能,。這些保護(hù)電路基本上是采用電阻、電容,、三極管,、RC延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)，因此,，自身電路損耗大,、電路復(fù)雜、保護(hù)功能不全面,、不可靠,。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于光耦合器和單片機(jī)的智能保護(hù)系統(tǒng),，具有保護(hù)功能全面可靠,、電路功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且可直接嵌入到功放電路中使用,。
1 系統(tǒng)組成
　系統(tǒng)由控制電路,、檢測(cè)電路、軟啟動(dòng)電路,、揚(yáng)聲器保護(hù)電路組成,。控制電路包含人機(jī)接口電路(液晶LCD工作于串行模式),、欠壓(過(guò)壓)電路,、溫度采樣電路、電源電路和串行接口電路,。單片機(jī)選用STC-12C5410AD,，具有低功耗、寬電壓,、高速度,、帶8通道10 bit A/D等優(yōu)點(diǎn)，其接口如圖1所示,。
2 檢測(cè)電路
　溫度采樣原理是根據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)溫度特性與電壓電流之間關(guān)系設(shè)計(jì)的：

　式中,，Is為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數(shù),，T為熱力學(xué)溫度,，q為電子電量，u為正向電壓,。當(dāng)正向電流i一定時(shí),，PN結(jié)的電壓隨溫度升高而下降,，但不是線性關(guān)系，在25℃附近,，每升高1℃,，其正向壓降減小2 mV～2.5 mV，再通過(guò)10 bit A/D采樣,，精度可達(dá)1℃,，完全可滿足要求。圖1中,，Q4,、R20構(gòu)成恒流源電路，以降低傳感器導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響,。為使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,，傳感器采用串聯(lián)方式，通過(guò)差值計(jì)算,，識(shí)別各傳感器溫度,。過(guò)壓、欠壓電路是直接采樣控制電路電源整流后的直流電壓,，其電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到，如圖1所示,。

　圖1中,，AC220-N、A2C20-L為市電輸入端口,，AC220與圖2中AC220同一節(jié)點(diǎn),；各引腳標(biāo)號(hào)與圖2、圖3中標(biāo)號(hào)相同的為同一節(jié)點(diǎn),，如圖1中的兩個(gè)“Over-Voltage”標(biāo)號(hào)表示同一個(gè)節(jié)點(diǎn),，可用導(dǎo)線直接連接起來(lái)；Bridge2為整流橋,；ASM1117為3.3 V穩(wěn)壓芯片,；LCD1~LCD3為顯示接口；KEY1~KEY3鍵盤接口,，應(yīng)用者可自行定義功能,。
3 軟啟動(dòng)電路
　軟啟動(dòng)即慢啟動(dòng)，其目的是對(duì)電源濾波電容緩慢充電,，避免開(kāi)機(jī)瞬間沖擊電流損壞功放電路,。本文設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路的出發(fā)點(diǎn)是：只有在電容充滿后音箱才能接入功率放正常工作，而在功率放大器發(fā)生故障時(shí)又能夠及時(shí)關(guān)閉電源,。設(shè)計(jì)思路：不采用常見(jiàn)的RC延時(shí)啟動(dòng)電路[2-3],，借鑒調(diào)光燈原理,，采用晶閘管調(diào)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。由于音頻電源實(shí)時(shí)調(diào)壓要求不高,，只要按電壓分階段啟動(dòng)即可,，線性升壓要求高時(shí)可采用晶閘管同步調(diào)角技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。因此,，可以并聯(lián)多個(gè)雙向可控硅光耦合器[5]實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的角度控制,，同時(shí)也便于數(shù)字控制，而且電路既簡(jiǎn)單,、控制又靈活,。本設(shè)計(jì)以兩個(gè)并聯(lián)為例，芯片采用MOC3063,。軟啟動(dòng)電路如圖2所示,。

注：文中各圖中的“RUN2、TEST,、ERR”均表示同一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)(相連),。如圖1、圖2,、圖3的標(biāo)號(hào)ERR中(P2.7)三點(diǎn)相連,。

　電路工作原理：利用圖1中單片機(jī)檢測(cè)(TEST)點(diǎn)電壓值控制RUN1、RUN2,、ERR端電位,，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向晶閘管TR導(dǎo)通角的控制[1，4],，完成軟啟動(dòng),。啟動(dòng)過(guò)程：當(dāng)ERR為低電平時(shí)，對(duì)TEST點(diǎn)電壓檢測(cè),；當(dāng)檢測(cè)電壓接近0 V時(shí),，先選擇光耦合器U2使R4接通控制極。由于R4阻值較大,，晶閘管TR的導(dǎo)通角小,、輸出電壓低、對(duì)電網(wǎng)干擾相對(duì)較小,，則RUN2端可以按照一定的占空比且頻率低于50 Hz的脈沖電平控制晶閘管導(dǎo)通角,，達(dá)到降壓的目的。T1次級(jí)電壓經(jīng)橋式整流濾波后由R6,、RW1,、D2、C5構(gòu)成直流電壓采樣電路,，處理器的A/D轉(zhuǎn)換器直接采樣TEST點(diǎn)電位,，再控制U2工作導(dǎo)通狀態(tài),，完成低壓?jiǎn)?dòng)。R3阻值小,，晶閘管導(dǎo)通角變?yōu)樽畲?，完成高壓?jiǎn)?dòng)。為了防止對(duì)電網(wǎng)干擾,，需要將ERR設(shè)置為低電平,，以保持U1閉合狀態(tài)。因?yàn)镃4,、C5已升到3/4容量,，而當(dāng)ERR為高電平時(shí)，Q1截止,，導(dǎo)致U1,、U2均斷開(kāi)，說(shuō)明已經(jīng)完成啟動(dòng),。C1,、R1用于吸收變壓器反向感應(yīng)電壓，以保護(hù)TR晶閘管,。
4 揚(yáng)聲器保護(hù)電路和功放保護(hù)電路
　揚(yáng)聲器保護(hù)電路和功放保護(hù)電路是本設(shè)計(jì)的核心電路,。該電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù),、零點(diǎn)漂移保護(hù),、過(guò)熱保護(hù)等功能[2-3]。若采用晶體三極管取樣電路,，由于基極-發(fā)射極和基極-集電極PN結(jié)電容、結(jié)電阻的存在必然會(huì)引入一定的干擾,，甚至是直流電位,，而且有的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給后期維護(hù)帶來(lái)不便,。因此,，本文采用光電隔離控制方式，以避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生,。若采用晶體管輸出型光耦合器(如4N25),，需要兩個(gè)光耦合器采樣正負(fù)半周期，否則會(huì)存在抖動(dòng)或者增加采樣保持電路,，這樣,，不但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加,。而三端雙向可控硅光耦合器(如MOC-3063)因其數(shù)字控制很方便,，非常合適用來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,。晶閘管特性之一就是一旦導(dǎo)通，門極則失去作用,，這就為優(yōu)化電路奠定了基礎(chǔ),。因此，只要采樣半個(gè)周期信號(hào)即可完成電流采樣,。但付出的代價(jià)是降低了響應(yīng)速度,，所以應(yīng)讓兩個(gè)聲道各負(fù)責(zé)半個(gè)周期。不過(guò)由于左右負(fù)載是基本上是平衡的,，相對(duì)地抵消了損失的響應(yīng)速度,，可以滿足過(guò)載短路保護(hù)的要求。對(duì)于短路保護(hù),，其目標(biāo)是保護(hù)功率放大器,，因此響應(yīng)時(shí)間上要求低。以超低頻20 Hz計(jì)算,，半個(gè)周期(0.1 s)內(nèi)功放瞬時(shí)短路,，一般不會(huì)造成損壞，頻率再低時(shí),，則可啟動(dòng)直流保護(hù),。揚(yáng)聲器和功率保護(hù)電路如圖3所示。
　圖3中,，R_IN接音頻功放右通道輸出端,，ROUT接右聲道揚(yáng)聲器；L_IN接音頻功放左通道輸出端,，LOUT接左聲道揚(yáng)聲器,；ERR、OFF,、ON應(yīng)與圖1,、圖2中相同標(biāo)號(hào)連接起來(lái)，構(gòu)成完整系統(tǒng)電路圖,。鍵盤顯示電路引線接出即可,。
　揚(yáng)聲器和功率保護(hù)電路工作原理：當(dāng)輸出端過(guò)載或短路時(shí)，在R8,、R9兩端產(chǎn)生的壓降經(jīng)R11,、R12限流后，　正半周期信號(hào)使U6導(dǎo)通,，負(fù)半周期信號(hào)使U5導(dǎo)通,，驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，切斷音箱電路,。當(dāng)功率放大器中心電位漂移時(shí),，正電位門檻電壓由穩(wěn)壓管D6確定,，負(fù)電位門檻電壓由穩(wěn)壓管D5確定，R10或R13采樣的信號(hào)經(jīng)過(guò)C3,、L1,、C2構(gòu)成的低通濾波器后，檢測(cè)出的直流成份再由D限幅和R14限流,，正電壓驅(qū)動(dòng)U4控制J1吸合,，負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)U3導(dǎo)通后，U3的晶閘管會(huì)維持導(dǎo)通狀態(tài),，使得正電源經(jīng)R17迫使R14獲得正電壓驅(qū)動(dòng)U4導(dǎo)通,，間接驅(qū)動(dòng)J1，目的是饒過(guò)避免單片機(jī)無(wú)法識(shí)別負(fù)電位問(wèn)題,。Q3,、Q2構(gòu)成復(fù)合管，OFF點(diǎn)作為控制點(diǎn),，當(dāng)接收到低電平時(shí),，Q2、Q3才截止,，起到關(guān)閉晶閘管作用,。正常工作時(shí)，OFF點(diǎn)必須保持高電平,。
5 軟件設(shè)計(jì)
　軟件設(shè)計(jì)是讓喇叭保護(hù)繼電器J1工作在常閉狀態(tài),，即通電吸合時(shí)音箱與功放是斷開(kāi)的，達(dá)到節(jié)能的目的,。功放啟動(dòng)前,，先自檢測(cè)電壓情況和繼電器J1狀態(tài)，然后在啟動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)確保安全,。完成啟動(dòng)后進(jìn)入擴(kuò)展功能和監(jiān)視狀態(tài),。由于電路需要采樣數(shù)據(jù)和設(shè)置各I/O口狀態(tài)，本程序“讀TEST電位”和過(guò)壓欠壓監(jiān)視,、溫度監(jiān)視均需要啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換功能，其流程圖如圖4所示,。圖中各分支名即電路原理圖中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào),。
在進(jìn)入“禁止啟動(dòng)”程序時(shí)會(huì)將故障信息保存在靜態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)，可通過(guò)鍵盤查看和清除,，系統(tǒng)正常關(guān)機(jī)處理也會(huì)自動(dòng)清除靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù),。

6 電路仿真與測(cè)試
　圖5是軟啟動(dòng)過(guò)程的C5兩端電壓上升曲線，曲線1是無(wú)軟啟動(dòng)電路的電容充電曲線,，曲線2是帶軟啟動(dòng)過(guò)程電容充電曲線,?？梢钥闯觯谇?4 ms內(nèi)是低壓?jiǎn)?dòng),，沒(méi)有沖擊電流,；在34 ms后完成高壓充電，出現(xiàn)短時(shí)的沖擊現(xiàn)象,。但只要再分一階段啟動(dòng)基本上可以避免沖擊現(xiàn)象,，這說(shuō)明本電路的設(shè)計(jì)是可行的。晶閘管TR導(dǎo)通時(shí)存在0.75 V左右的結(jié)電壓,，在200 W以上的功放上使用不如繼電器節(jié)能,。在這種情況下，只用TR來(lái)完成軟啟動(dòng)過(guò)程即可,。要注意在制作PCB板時(shí),，C3、R10,、R13應(yīng)盡可能靠近,，或增加一個(gè)濾波電容，以防止聲道之間的音源串?dāng)_,。數(shù)字地應(yīng)與模擬地隔離,。本設(shè)計(jì)在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)單片機(jī)不需要監(jiān)視ERR點(diǎn)電位，電路仍然有保護(hù)作用,。因?yàn)榘l(fā)生故障時(shí),，除了啟動(dòng)過(guò)程外，ERR必然為高電平,，但由于Q1此時(shí)已截止,，必然導(dǎo)致U1、U2控制端截止而關(guān)閉電源,，提高了系統(tǒng)保護(hù)的可靠性,。

　本文設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)已嵌入功放電路中使用，經(jīng)過(guò)測(cè)試,，能夠完成預(yù)定的保護(hù)功能,，并且實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。取樣電阻R8,、R9比一般三極管取樣電路阻值小一倍,，音頻損耗小，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔,，實(shí)現(xiàn)了普通繼電器在節(jié)能狀態(tài)下工作,。
　整個(gè)系統(tǒng)為單電源供電，音箱保護(hù)電路可單獨(dú)工作，易擴(kuò)展多聲道保護(hù),，嵌入功放方便,。這對(duì)于目前5.1聲道系統(tǒng)、7.1聲道系統(tǒng),、校園廣播系統(tǒng)以及舞臺(tái)音樂(lè)多聲道系統(tǒng)的保護(hù)具有一定的實(shí)用價(jià)值,。
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