【5.27更新]一个前所未有的挑战，超大电流hi-end级别的线性电源研发！

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1.为什么会有这种需求？
   一些很关心享声的同学可能得知，享声在研发一款前所未有的平台，将可能会用于下一代网播产品。
这个平台，目前PCB研发，调试均已完成，而且已经从立项到现在已经秘秘研发了两年多时间，可以说难度前所未有，算是音频界唯一一个敢吃螃蟹的公司。
但这里不谈这个难度，因为完成了，只需要根据产品需要结合外壳，重新设计PCB就可以了，这里跟这个主题无关，所以就不重点讲述了。   如果这个平台用于台式产品，它的电源需求是这样的：  1） 3.3V 10A左右 （根据外设多少） 2）5V 10A 左右，最低6A,根据外设多少。 3）12V 6~15A 根据外设情况。
其它还有一些电源，但都是2A级的小电流，难度没有，就重点不提了。
  三个电压，都是10A左右，而且作为HIFI产品，线性化输出是必需的，因为线性化输出意味着没有中高频噪声，开关电源最大的问题就是噪声太大，关键是全频噪声，对声音影响巨大。

大家看到这个需求，如果是行业同行，肯定会说这不可能吧，10A纯线性，发热量得多大，200W实际功率啊，线电效率在40~50%左右，那得300W浪费在散热上啊，如果是烧友，给个脑补，相当于一个300W纯甲类功放一直在工作。

但是我再说更高的点的要求，电压调整率必需在1% (空载与负载的电压必需在1%内调整），波纹负载在3mw左右，低负载在1mv左右，而且整个过程要静音，简单的来说，不能依靠风扇持续转动来散热。这个波纹水平跟高端HIFI台机 1A的水平一致。

说完这个需求，包括工程师，以及我们认为不可能，包括我们的硬件工程师也认为，无法商业化，不可能实现。

2.已经实现了一款方案，达到上述要求。

  从去年年底到2月份，我们已经拿出了第一款线性化输出方案，并进行了验收，效率在 68%~83% 之间（不同的电压效率不同），而且完全可以商业化， 这坚定了我们的信心，因为效率高发热量其实也不大，跟一个200~300W AB类功放差不多。因为涉及保密，暂不细节展开，相信这款电源产品在合适的机会会面试的。
  下面要说的是另一个方向的开发，如果这个方向成功，理论上，电源品质可以更好一些，哪怕在成熟方案的经验上（已经实现了超低调整率，超大电流，超低波纹，超低压差的线性化稳压的自主解决方案）再进行研发，但是这几个月仍然碰到了前所未有的困难。这这就是写这个文章的原因之一。

3.先来说说HIFI线性电源的供电原理是什么？

第一个需要一个变压器，把高压变成HIFI用电器件所需的低压电压，这里面就需要变压器。



以环形变压器为例，一边为110/220V输入，一边为低压交流输出，因为变压器只是把电压进行了变换，这里指高压变成了低压，所以它的频率还是一致的，即50/60hz.
这里要说一下变压器常电的指标了：

1.就是电压调整率：就是在额定功率的情况下相对于空载情况下，电压输出的变化，电压调整越小，说明变压器功率越充足或者品质越好。
2.漏电电流：同等情况下（功率电压）漏电电流越低的变压器，说明品质越好，效率越高。
3.其它一些指标：如发热，噪声，辐射等，当然是越好就品质越好。

第二个需要的就是交流变直流的过程，即整流桥，一般来说就是四个二极管形成的整流桥（部分小集成模块集成了四个二极管),四个二极管形成的桥式整流电路如下：


就是常见的交流变成直流的过程。

第三个工作就是对整流后的直流进行滤波，为何需要滤波，因为整流后，因为我们电源频率只有50/60hz (不同的国家频率有所不同）,用了桥式后，变成了100/120hz,相当于1/120 s，对电源供一次电，其它时间是不供电的，为此，如果没有电容存能的话，那就变成了下图右边那样（左边为50hz/60hz的市电频率，整流后只有下半波的低电压频率），其实这时候看起来并不是我们想象的直流电源，而是一种有着两倍市电频率的波形。


如果我们要把图2中的波形变成一条真正意义上的直流电压，那就需要上面加上电容存能，即当没有进行充电时，用电容电量，从而让整个波形更加的平滑，接近一条理想电流的直线，这就是整流后为何要加电容的原因。而且要提醒一下，如果供电的功率越大，使得波纹更小，需要的电容的容量越大，因为消耗的太快。

第四个就是稳压，因为整流后的电压是不稳定的，一个原因是因为市电不稳定，所以用变压器转换后的电压也随之变换，也是随市电波动的（因为他们的电压比例是确定的），同时输出电压随变压器的输出功率有所调整（所谓变压器的电压调整率），加上桥式整流的消耗电压跟电流有明显关系，电流越大，压降越大，所以整流后的波形幅度也是变化的。还有电容容量是固定的，存能也是随着用电的功率增大而越来越大，电压中的波纹也越来越大，也是一种电压不稳定的表现。 正常一个芯片关键供电电压是有严格要求的，要求较松着电压波动不能超过5%,严格的甚致要求1%,否则就会导致无法正常工作。

这里稳压就出现了，常见的稳压有两种方式，一种基于开关电源的 DC-DC 方案，就是首先把输入的直流电，进行PWM（高频），然后再转换为指定的输出直流电压，内部是一个PWM作为中间功率的变换过程，通常工作在数MHZ或几十MHZ，效率极高，达到90%以上，常用于各类家用电器与电子电压转换的地方。高端的仪表级或者医疗级的电压调整率为 1%, 一般的为5%左右，这种稳压缺点就是噪声极大，而且是全频段的噪声，如果没有投入重大成本进行噪声波除与隔离，其实是不适合HIFI的。所以HIFI用线性电源的比例非常高的原因也是如此。另一种就是我们HIFI常用的LDO，就是线性稳压方案，通常有芯片，也有稳压电路,一般用稳压电路，更多的是实现一些特殊的要求，如超大电流（超过5A),或者是一些电源响应特定（比如更快的电压调整反应速度）等。

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4.问题......

   然后从需求中我们得知，纯线性方案，一个方面是需要超大电流（10A左右），另一个又需要极低的波纹与噪声，第三希望热效率高，使得发热减少，使得纯散热不用吹风静音方案得以实现。

   然而随着大电流的线性稳压应用面越来越小，现在基本上超过5A，高压输入的线性稳压芯片均已停产，代表性的产品就是lt1083cp,一个原因是市场太小，第二个是发热量巨大，一片相当于功放的散热要求。所以一般采用了自主的电路来实现超大电流的线性稳压，末级采用功率管进行大电流输出。但是大电流的稳压方案，目前看来起的方案来说，主要存在发热量巨大，效率巨差，而且成本性价比极低的问题，基本不利于商业。

   通过上面的原理，这里重点讲一下，变压器+线性稳压的几个具体问题：

  1）变压器的调整率：这个非常关键，一般的顶级超A芯的变压器在额定负载与空载的调整率是5%，这已经是非常优秀的指标，也是目前同功率最贵的变压器。如果需要提高热效率，并且给出余量，那调整率希望更低，比如3%以下，那成本会进一步增加。 还有，为了适应市电的10%的调整范围，变压器至少要满足市电10%的调整范围下，输出电压仍然足够满足系统的稳定的工作，所以一般电压余量都在10%以上，这会至少损耗了10%的效率。
  2）整流桥非常关键：一是需要超大电流，需要10A左右，而且要极低压降，通过好的二极管空载是0.4V左右的压降，但是当10A左右时，压降可以达2V之多，如果10A，如果稳压后仅需3.3V，可想而知效率多低，发热多高。 这一步如何提高效率是至关重要的。
  3）整流后的滤波： 滤波的效果与电流有直接的关系，电流越大，希望波纹越低，容量越大，比如，在5A电流情况下，400mv左右的波纹，就需要7~10万uf的电容（一般的大水塘电容才2万uf左右），虽说最后的稳压噪声与输入的波纹没有绝对关系，但是更小的波纹实质上也提升了有效电压，同时对稳压的要求更低。
  4）稳压：这一块目前像LT1083cp, 5A以上的噪声已经比较大，都几十mv,而且压差要求1.5V以上，如果用电路实现，要达到较好的输出波纹，则压差最好在3V左右，如果输出是3.3V，这么大的压差，效率得多低，发热得多大？ 而且噪声达几十mv,哪怕后面滤波再强，毕竟是超大电流的情况下，期望滤波电容储能已经不太现实，所以波纹又大，这其实已经无法与高端HIFI电源相比了。

算一下3.3V电压情况：

             3.3V 10A情况下，二极管压降是2V,稳压芯片压差要求3V (才达到一个合理的噪声），加上线电需要10%的调整空间，加上机级线电5%电压调整率，则真正的电压输入为：(3.3V+3V+2V)*1.15=9.545V.那就是说，电源的效率是 3.3/9.545=34.6%, 其它全转化为热能消耗了。就一3.3V 10A，光处理过程中的发热量就相当于一台60多W的纯甲类功放发热。
            这还只是一路，如果加上 5V,12V呢，光一电源那得相当于要一台200W左右的纯甲类功放的功放的发热，这可以想象吗？
这时发现，一台实际需要200W的用电器件，如果用现在的线性电源方案供电，变压器功率（调整率为5%以内的顶级变压器），则需要400W以上。

400W以上的顶级变压器，有多大，多重呢，先看一张我们试验阶段的定制变压器（这个变压器功率仅有400多W的一半大）。



高度跟梨差不多，这台变压器功率为210W，调整率5%以内，重量预估在5kg（没称），单手几个手指是拿不动的。 如果是450W同品质的呢？ 加上安装件呢？

自行想象一下2倍多的变化。

所以按照传统的HIFI解决方案，做到能够工作,不计成本的情况下，在3.3V,5V,12V下整个的电源效率，将在45%左右，如果电压余量考虑到出口全球电压，实质热效率更低！！


这种热效率，在大功率情况下，已经无法通过自然风冷达到散热目的，否则可能热失控！！

以下是一些实验照片。

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所以如果以传统的HIFI供电方案来看，成本难以想象，电容要达几十万uf,散热要一台200W纯甲类功放，变压器相当于一台500W功放水平，光变压器估计得 10kg，光电源部分得 30kg左右，体积与一台AB类1000W功放体积只大不小(因为散热）。