摘 要： 介绍了一种低功耗的音响保护系统。通过单片机控制晶闸管的导通角完成功率放大器的软启动。采用三端双向可控硅光耦合器实现对扬声器的短路保护、过载保护、零点漂移保护、过热保护等。检测电路和控制电路光电隔离，避免了控制电路对放大器的干扰，使扬声器可直接与放大器相连，以获得更好的频率响应。
关键词： 软启动；冲击电流；光耦合器；继电器
音响主要由音源、功率放大器和音箱组成。这些设备往往都比较昂贵，因此在设计高品质音响设备时，其保护电路的优良是不容忽视的。根据设备的不同，其保护措施也略有不同，如录音设备保护多采用限幅方式[1]，音箱常见保护措施有延时闭合和输出直流保护，而功率放大器的保护相对较少，很少带有软启动功能。这些保护电路基本上是采用电阻、电容、三极管、RC延时电路实现，因此，自身电路损耗大、电路复杂、保护功能不全面、不可靠。针对这些问题，本文设计了一种基于光耦合器和单片机的智能保护系统，具有保护功能全面可靠、电路功耗低等优点，并且可直接嵌入到功放电路中使用。
1 系统组成
系统由控制电路、检测电路、软启动电路、扬声器保护电路组成。控制电路包含人机接口电路(液晶LCD工作于串行模式)、欠压(过压)电路、温度采样电路、电源电路和串行接口电路。单片机选用STC-12C5410AD，具有低功耗、宽电压、高速度、带8通道10 bit A/D等优点，其接口如图1所示。
2 检测电路
温度采样原理是根据半导体PN结温度特性与电压电流之间关系设计的：
式中，Is为反向饱和电流，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量，u为正向电压。当正向电流i一定时，PN结的电压随温度升高而下降，但不是线性关系，在25℃附近，每升高1℃，其正向压降减小2 mV～2.5 mV，再通过10 bit A/D采样，精度可达1℃，完全可满足要求。图1中，Q4、R20构成恒流源电路，以降低传感器导线电阻对温度测量的影响。为使电路结构简易，传感器采用串联方式，通过差值计算，识别各传感器温度。过压、欠压电路是直接采样控制电路电源整流后的直流电压，其电压经A/D转换得到，如图1所示。
图1中，AC220-N、A2C20-L为市电输入端口，AC220与图2中AC220同一节点；各引脚标号与图2、图3中标号相同的为同一节点，如图1中的两个“Over-Voltage”标号表示同一个节点，可用导线直接连接起来；Bridge2为整流桥；ASM1117为3.3 V稳压芯片；LCD1~LCD3为显示接口；KEY1~KEY3键盘接口，应用者可自行定义功能。
3 软启动电路
软启动即慢启动，其目的是对电源滤波电容缓慢充电，避免开机瞬间冲击电流损坏功放电路。本文设计软启动电路的出发点是：只有在电容充满后音箱才能接入功率放正常工作，而在功率放大器发生故障时又能够及时关闭电源。设计思路：不采用常见的RC延时启动电路[2-3]，借鉴调光灯原理，采用晶闸管调压技术实现软启动。由于音频电源实时调压要求不高，只要按电压分阶段启动即可，线性升压要求高时可采用晶闸管同步调角技术[4]实现软启动。因此，可以并联多个双向可控硅光耦合器[5]实现对晶闸管的角度控制，同时也便于数字控制，而且电路既简单、控制又灵活。本设计以两个并联为例，芯片采用MOC3063。软启动电路如图2所示。
注：文中各图中的“RUN2、TEST、ERR”均表示同一个电路节点(相连)。如图1、图2、图3的标号ERR中(P2.7)三点相连。
电路工作原理：利用图1中单片机检测(TEST)点电压值控制RUN1、RUN2、ERR端电位，实现对双向晶闸管TR导通角的控制[1，4]，完成软启动。启动过程：当ERR为低电平时，对TEST点电压检测；当检测电压接近0 V时，先选择光耦合器U2使R4接通控制极。由于R4阻值较大，晶闸管TR的导通角小、输出电压低、对电网干扰相对较小，则RUN2端可以按照一定的占空比且频率低于50 Hz的脉冲电平控制晶闸管导通角，达到降压的目的。T1次级电压经桥式整流滤波后由R6、RW1、D2、C5构成直流电压采样电路，处理器的A/D转换器直接采样TEST点电位，再控制U2工作导通状态，完成低压启动。R3阻值小，晶闸管导通角变为最大，完成高压启动。为了防止对电网干扰，需要将ERR设置为低电平，以保持U1闭合状态。因为C4、C5已升到3/4容量，而当ERR为高电平时，Q1截止，导致U1、U2均断开，说明已经完成启动。C1、R1用于吸收变压器反向感应电压，以保护TR晶闸管。
4 扬声器保护电路和功放保护电路
扬声器保护电路和功放保护电路是本设计的核心电路。该电路实现短路保护、过载保护、零点漂移保护、过热保护等功能[2-3]。若采用晶体三极管取样电路，由于基极-发射极和基极-集电极PN结电容、结电阻的存在必然会引入一定的干扰，甚至是直流电位，而且有的电路结构复杂，给后期维护带来不便。因此，本文采用光电隔离控制方式，以避免上述问题的产生。若采用晶体管输出型光耦合器(如4N25)，需要两个光耦合器采样正负半周期，否则会存在抖动或者增加采样保持电路，这样，不但电路结构复杂、成本增加。而三端双向可控硅光耦合器(如MOC-3063)因其数字控制很方便，非常合适用来实现保护功能。晶闸管特性之一就是一旦导通，门极则失去作用，这就为优化电路奠定了基础。因此，只要采样半个周期信号即可完成电流采样。但付出的代价是降低了响应速度，所以应让两个声道各负责半个周期。不过由于左右负载是基本上是平衡的，相对地抵消了损失的响应速度，可以满足过载短路保护的要求。对于短路保护，其目标是保护功率放大器，因此响应时间上要求低。以超低频20 Hz计算，半个周期(0.1 s)内功放瞬时短路，一般不会造成损坏，频率再低时，则可启动直流保护。扬声器和功率保护电路如图3所示。
图3中，R_IN接音频功放右通道输出端，ROUT接右声道扬声器；L_IN接音频功放左通道输出端，LOUT接左声道扬声器；ERR、OFF、ON应与图1、图2中相同标号连接起来，构成完整系统电路图。键盘显示电路引线接出即可。
扬声器和功率保护电路工作原理：当输出端过载或短路时，在R8、R9两端产生的压降经R11、R12限流后， 正半周期信号使U6导通，负半周期信号使U5导通，驱动继电器闭合，切断音箱电路。当功率放大器中心电位漂移时，正电位门槛电压由稳压管D6确定，负电位门槛电压由稳压管D5确定，R10或R13采样的信号经过C3、L1、C2构成的低通滤波器后，检测出的直流成份再由D限幅和R14限流，正电压驱动U4控制J1吸合，负电压驱动U3导通后，U3的晶闸管会维持导通状态，使得正电源经R17迫使R14获得正电压驱动U4导通，间接驱动J1，目的是饶过避免单片机无法识别负电位问题。Q3、Q2构成复合管，OFF点作为控制点，当接收到低电平时，Q2、Q3才截止，起到关闭晶闸管作用。正常工作时，OFF点必须保持高电平。
5 软件设计
软件设计是让喇叭保护继电器J1工作在常闭状态，即通电吸合时音箱与功放是断开的，达到节能的目的。功放启动前，先自检测电压情况和继电器J1状态，然后在启动过程中实时检测系统状态确保安全。完成启动后进入扩展功能和监视状态。由于电路需要采样数据和设置各I/O口状态，本程序“读TEST电位”和过压欠压监视、温度监视均需要启动A/D转换功能，其流程图如图4所示。图中各分支名即电路原理图中的节点标号。
在进入“禁止启动”程序时会将故障信息保存在静态存储器内，可通过键盘查看和清除，系统正常关机处理也会自动清除静态存储区数据。
6 电路仿真与测试
图5是软启动过程的C5两端电压上升曲线，曲线1是无软启动电路的电容充电曲线，曲线2是带软启动过程电容充电曲线。可以看出，在前34 ms内是低压启动，没有冲击电流；在34 ms后完成高压充电，出现短时的冲击现象。但只要再分一阶段启动基本上可以避免冲击现象，这说明本电路的设计是可行的。晶闸管TR导通时存在0.75 V左右的结电压，在200 W以上的功放上使用不如继电器节能。在这种情况下，只用TR来完成软启动过程即可。要注意在制作PCB板时，C3、R10、R13应尽可能靠近，或增加一个滤波电容，以防止声道之间的音源串扰。数字地应与模拟地隔离。本设计在测试时发现单片机不需要监视ERR点电位，电路仍然有保护作用。因为发生故障时，除了启动过程外，ERR必然为高电平，但由于Q1此时已截止，必然导致U1、U2控制端截止而关闭电源，提高了系统保护的可靠性。
本文设计的保护系统已嵌入功放电路中使用，经过测试，能够完成预定的保护功能，并且实现节能控制。取样电阻R8、R9比一般三极管取样电路阻值小一倍，音频损耗小，结构更简洁，实现了普通继电器在节能状态下工作。
整个系统为单电源供电，音箱保护电路可单独工作，易扩展多声道保护，嵌入功放方便。这对于目前5.1声道系统、7.1声道系统、校园广播系统以及舞台音乐多声道系统的保护具有一定的实用价值。
参考文献
[1] 李征.音响系统中的动态保护神-动态处理[J].音响技术，2008(10)：24-26.
[2] 李友德.改进型扬声器保护电路[J].电子制作，2007(4).
[3] 李水飞.AV功放扬声器保护电路工作原理[J].电子世界，1999(7).
[4] 王晓军.基于单片机的晶闸管电子软启动器设计[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2010(3)：447-450.
[5] 张汉友.电子爱好者电子线路设计应用手册[M].福州：福建科学技术出版社，2000.