摘  要： 介紹了一種低功耗的音響保護系統。通過單片機控制晶閘管的導通角完成功率放大器的軟啟動。采用三端雙向可控硅光耦合器實現對揚聲器的短路保護、過載保護、零點漂移保護、過熱保護等。檢測電路和控制電路光電隔離，避免了控制電路對放大器的干擾，使揚聲器可直接與放大器相連，以獲得更好的頻率響應。
關鍵詞： 軟啟動；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。這些設備往往都比較昂貴，因此在設計高品質音響設備時，其保護電路的優良是不容忽視的。根據設備的不同，其保護措施也略有不同，如錄音設備保護多采用限幅方式[1]，音箱常見保護措施有延時閉合和輸出直流保護，而功率放大器的保護相對較少，很少帶有軟啟動功能。這些保護電路基本上是采用電阻、電容、三極管、RC延時電路實現，因此，自身電路損耗大、電路復雜、保護功能不全面、不可靠。針對這些問題，本文設計了一種基于光耦合器和單片機的智能保護系統，具有保護功能全面可靠、電路功耗低等優點，并且可直接嵌入到功放電路中使用。
1 系統組成
　系統由控制電路、檢測電路、軟啟動電路、揚聲器保護電路組成。控制電路包含人機接口電路(液晶LCD工作于串行模式)、欠壓(過壓)電路、溫度采樣電路、電源電路和串行接口電路。單片機選用STC-12C5410AD，具有低功耗、寬電壓、高速度、帶8通道10 bit A/D等優點，其接口如圖1所示。
2 檢測電路
　溫度采樣原理是根據半導體PN結溫度特性與電壓電流之間關系設計的：

　式中，Is為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度，q為電子電量，u為正向電壓。當正向電流i一定時，PN結的電壓隨溫度升高而下降，但不是線性關系，在25℃附近，每升高1℃，其正向壓降減小2 mV～2.5 mV，再通過10 bit A/D采樣，精度可達1℃，完全可滿足要求。圖1中，Q4、R20構成恒流源電路，以降低傳感器導線電阻對溫度測量的影響。為使電路結構簡易，傳感器采用串聯方式，通過差值計算，識別各傳感器溫度。過壓、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A/D轉換得到，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同一節點；各引腳標號與圖2、圖3中標號相同的為同一節點，如圖1中的兩個“Over-Voltage”標號表示同一個節點，可用導線直接連接起來；Bridge2為整流橋；ASM1117為3.3 V穩壓芯片；LCD1~LCD3為顯示接口；KEY1~KEY3鍵盤接口，應用者可自行定義功能。
3 軟啟動電路
　軟啟動即慢啟動，其目的是對電源濾波電容緩慢充電，避免開機瞬間沖擊電流損壞功放電路。本文設計軟啟動電路的出發點是：只有在電容充滿后音箱才能接入功率放正常工作，而在功率放大器發生故障時又能夠及時關閉電源。設計思路：不采用常見的RC延時啟動電路[2-3]，借鑒調光燈原理，采用晶閘管調壓技術實現軟啟動。由于音頻電源實時調壓要求不高，只要按電壓分階段啟動即可，線性升壓要求高時可采用晶閘管同步調角技術[4]實現軟啟動。因此，可以并聯多個雙向可控硅光耦合器[5]實現對晶閘管的角度控制，同時也便于數字控制，而且電路既簡單、控制又靈活。本設計以兩個并聯為例，芯片采用MOC3063。軟啟動電路如圖2所示。

注：文中各圖中的“RUN2、TEST、ERR”均表示同一個電路節點(相連)。如圖1、圖2、圖3的標號ERR中(P2.7)三點相連。

　電路工作原理：利用圖1中單片機檢測(TEST)點電壓值控制RUN1、RUN2、ERR端電位，實現對雙向晶閘管TR導通角的控制[1，4]，完成軟啟動。啟動過程：當ERR為低電平時，對TEST點電壓檢測；當檢測電壓接近0 V時，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的導通角小、輸出電壓低、對電網干擾相對較小，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通角，達到降壓的目的。T1次級電壓經橋式整流濾波后由R6、RW1、D2、C5構成直流電壓采樣電路，處理器的A/D轉換器直接采樣TEST點電位，再控制U2工作導通狀態，完成低壓啟動。R3阻值小，晶閘管導通角變為最大，完成高壓啟動。為了防止對電網干擾，需要將ERR設置為低電平，以保持U1閉合狀態。因為C4、C5已升到3/4容量，而當ERR為高電平時，Q1截止，導致U1、U2均斷開，說明已經完成啟動。C1、R1用于吸收變壓器反向感應電壓，以保護TR晶閘管。
4 揚聲器保護電路和功放保護電路
　揚聲器保護電路和功放保護電路是本設計的核心電路。該電路實現短路保護、過載保護、零點漂移保護、過熱保護等功能[2-3]。若采用晶體三極管取樣電路，由于基極-發射極和基極-集電極PN結電容、結電阻的存在必然會引入一定的干擾，甚至是直流電位，而且有的電路結構復雜，給后期維護帶來不便。因此，本文采用光電隔離控制方式，以避免上述問題的產生。若采用晶體管輸出型光耦合器(如4N25)，需要兩個光耦合器采樣正負半周期，否則會存在抖動或者增加采樣保持電路，這樣，不但電路結構復雜、成本增加。而三端雙向可控硅光耦合器(如MOC-3063)因其數字控制很方便，非常合適用來實現保護功能。晶閘管特性之一就是一旦導通，門極則失去作用，這就為優化電路奠定了基礎。因此，只要采樣半個周期信號即可完成電流采樣。但付出的代價是降低了響應速度，所以應讓兩個聲道各負責半個周期。不過由于左右負載是基本上是平衡的，相對地抵消了損失的響應速度，可以滿足過載短路保護的要求。對于短路保護，其目標是保護功率放大器，因此響應時間上要求低。以超低頻20 Hz計算，半個周期(0.1 s)內功放瞬時短路，一般不會造成損壞，頻率再低時，則可啟動直流保護。揚聲器和功率保護電路如圖3所示。
　圖3中，R_IN接音頻功放右通道輸出端，ROUT接右聲道揚聲器；L_IN接音頻功放左通道輸出端，LOUT接左聲道揚聲器；ERR、OFF、ON應與圖1、圖2中相同標號連接起來，構成完整系統電路圖。鍵盤顯示電路引線接出即可。
　揚聲器和功率保護電路工作原理：當輸出端過載或短路時，在R8、R9兩端產生的壓降經R11、R12限流后，　正半周期信號使U6導通，負半周期信號使U5導通，驅動繼電器閉合，切斷音箱電路。當功率放大器中心電位漂移時，正電位門檻電壓由穩壓管D6確定，負電位門檻電壓由穩壓管D5確定，R10或R13采樣的信號經過C3、L1、C2構成的低通濾波器后，檢測出的直流成份再由D限幅和R14限流，正電壓驅動U4控制J1吸合，負電壓驅動U3導通后，U3的晶閘管會維持導通狀態，使得正電源經R17迫使R14獲得正電壓驅動U4導通，間接驅動J1，目的是饒過避免單片機無法識別負電位問題。Q3、Q2構成復合管，OFF點作為控制點，當接收到低電平時，Q2、Q3才截止，起到關閉晶閘管作用。正常工作時，OFF點必須保持高電平。
5 軟件設計
　軟件設計是讓喇叭保護繼電器J1工作在常閉狀態，即通電吸合時音箱與功放是斷開的，達到節能的目的。功放啟動前，先自檢測電壓情況和繼電器J1狀態，然后在啟動過程中實時檢測系統狀態確保安全。完成啟動后進入擴展功能和監視狀態。由于電路需要采樣數據和設置各I/O口狀態，本程序“讀TEST電位”和過壓欠壓監視、溫度監視均需要啟動A/D轉換功能，其流程圖如圖4所示。圖中各分支名即電路原理圖中的節點標號。
在進入“禁止啟動”程序時會將故障信息保存在靜態存儲器內，可通過鍵盤查看和清除，系統正常關機處理也會自動清除靜態存儲區數據。

6 電路仿真與測試
　圖5是軟啟動過程的C5兩端電壓上升曲線，曲線1是無軟啟動電路的電容充電曲線，曲線2是帶軟啟動過程電容充電曲線。可以看出，在前34 ms內是低壓啟動，沒有沖擊電流；在34 ms后完成高壓充電，出現短時的沖擊現象。但只要再分一階段啟動基本上可以避免沖擊現象，這說明本電路的設計是可行的。晶閘管TR導通時存在0.75 V左右的結電壓，在200 W以上的功放上使用不如繼電器節能。在這種情況下，只用TR來完成軟啟動過程即可。要注意在制作PCB板時，C3、R10、R13應盡可能靠近，或增加一個濾波電容，以防止聲道之間的音源串擾。數字地應與模擬地隔離。本設計在測試時發現單片機不需要監視ERR點電位，電路仍然有保護作用。因為發生故障時，除了啟動過程外，ERR必然為高電平，但由于Q1此時已截止，必然導致U1、U2控制端截止而關閉電源，提高了系統保護的可靠性。

　本文設計的保護系統已嵌入功放電路中使用，經過測試，能夠完成預定的保護功能，并且實現節能控制。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，結構更簡潔，實現了普通繼電器在節能狀態下工作。
　整個系統為單電源供電，音箱保護電路可單獨工作，易擴展多聲道保護，嵌入功放方便。這對于目前5.1聲道系統、7.1聲道系統、校園廣播系統以及舞臺音樂多聲道系統的保護具有一定的實用價值。
參考文獻
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