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Strymon效果器電源供應器 – 技術白皮書

 

當我們著手設計效果器電供時,心中只有一個總體目標:確保你再也不用擔心電源問題。

Zuma和Ojai都是技術最先進,馬力最大的效果器電源。每軌單獨隔離,超低噪聲輸出電流提供了驚人的 500mA 電流。兩段式拓撲結構,前級穩壓輸出,光學隔離反饋和先進的多重濾波,確保效果器達到最高的動態範圍。

註  :拓撲學 topology或譯為位相幾何學,是一門研究拓撲空間的學科,主要研究空間內,在連續變化(如拉伸或彎曲,但不包括撕開或黏合)下維持不變的性質。在拓撲學裡
重要的拓撲性質包括連通性緊緻性

我們的電源設計團隊Gregg Stock和 Josh Forbes具有多年電力系統的設計經驗,從發展航空關鍵電源系統,到最暢銷的功率擴大機,錄音室監聽喇叭,吉他擴大機等,最佳一流的電力供應系統。我們使用這些龐大的經驗,提供乾淨可靠的電力到所有效果器系統。

那麼這一切將如何實現?我們如何設計一個交換式電源,要比線性電源更安靜?怎麼管控我們的元件,以便節能?怎麼可能讓每軌都可以輸出 500mA 的電流?Strymon 工程實驗室類比電路工程師 Josh Forbes 會告訴我們這是如何實現的。

效果器電供 - 白皮書

設計效果器電供歷來都是噪聲性能和能源效率之間的權衡。笨重低效的線性電源被用於噪聲敏感的系統,吵雜的交換式電源(Switched-Mode Power Supplies, SMPS)被用作為輕巧且高效節能的設計。本文探討了這兩種電源技術,以及我們如何設計了一個兼具線性電源的低噪聲性能和SMPS的高效率特點。

為什麼電源噪聲和效率很重要?

電吉他產生的電子訊號非常微弱。吉他放大器及吉他效果器,諸如 :失真效果,Fuzz 和壓縮器,是用增益來塑造該訊號並將其轉換成可聽見的聲音。

Figure 1

這些增益放大同時也放大不必要的電噪聲。這種噪聲會限制動態範圍 ,因為它掩蓋了比放大器噪聲更安靜的預期訊號。為了防止電源引起的噪聲,吉他效果器過往常搭配低噪聲線性電源或電池供電。許多現代吉他效果器仍依靠比較安靜的低噪聲電源。


線性電源和效率

線性調整器採用主動式電路作為輸入和輸出之間的一個可調電阻。該元件的電阻會因維持穩定的輸出電壓而調整。

Figure 2

在過程中,元件消耗功率等同於電流乘以電壓(P = I * V)。此耗散嚴重限制線性電源的效率。考慮到線性穩壓器的其它功率損失(例如在變壓器的損耗,整流器等),整體效率通常為50%以下。

使用電源其效率小於50%意味著 : 交付給你的吉他效果器每一瓦電力,在線性電源中也消耗了一瓦。由於這種低效率,世界上許多地區都禁止出售外部線性電源, 且偏好高效的交換式電源(SMPS)。

線性電源和散熱

低效電源浪費能量會轉換為熱能。例如,如果50%的高效率的電源提供20W電力到一個效果器盤,但也將在電源因熱能耗散功率20W。每秒每瓦功率耗散的熱貢獻1焦耳,這將需要找到路徑導引到周圍環境。如果不妥善處理,這種熱能會導致各種問題。過高的溫度可能會損害元件,電供過熱將迫使它暫時關閉。

為了防止溫度相關的問題,線性電源需要笨重的散熱片或風扇將熱量傳遞到周圍環境。如果在一個封閉的空間操作時,會增加周圍環境的溫度,這些減緩技術會變得無效。此外,風扇會隨著使用時間越長產生越來越大的噪音。

線性電源和巡演

維持調整和避免過度的內部功耗之間的平衡,是指線性電源將只運行在有限的輸入電壓範圍,使它們只能在特定的地區使用。

這些區域包括:

120VAC,60Hz的美國
100VAC,50Hz或60Hz的日本
110VAC,60Hz的台灣
230VAC,50Hz的歐洲和澳洲

美國的電供電壓不能低於標示的15%(15%是電源的餘裕,以最少功耗確保穩定)。如果在日本操作此電供,這將在100VAC的電壓下使用(低於120V AC 15%以上)。結果是,電供無法穩壓和輸入端電壓如漣漪般的高低起伏紋波將傳送到輸出的穩壓器。這種噪聲可能會找到自己的方式進入由其供電的效果器音頻路徑,造成嗡嗡的噪音。

在歐洲(230VAC)使用120VAC電源將可能是災難性的。變壓器在輸入端燒斷內部保險絲,輸入至線性穩壓階段的電壓將增加近一倍,有可能使電源過熱和毀壞。

線性電源會提供不同電壓區域的配置。但是,因為其配置不是自動的,用戶可能無意中插錯電。例如,電供配置為120VAC,但插入230VAC使用,用戶會遇到上述的災難性場景,是在巡迴演出中容易發生的問題。

線性電源和噪音

線性電源供應器裡的變壓器可能會洩漏磁通量在音頻波段頻率。吉他和效果器可能轉換這個磁流成為音頻噪聲。雖然線性電源的輸出通常是安靜的,但它們的變壓器(即使是環形變壓器)輻射交流Hum聲可誘發噪音到敏感的效果器(例如哇哇效果器)。

​交換模式電供 Switched-Mode Power Supplies

以上提到的線性電源問題來看(大小,效率低,熱等),它們基本上都被替換為交換模式電供(SMPS)。 SMPS通常比線性電源小得多,更高效。而不是使用耗散元件來調整輸出電壓,交換式電源使用高電壓晶體管開關,一個理想的SMPS是持續地在非耗散狀態之間做切換。當開關打開時,電流通過開關但其兩端沒有電壓。當開關斷開時,電壓有穿過開關,但電流沒有通過。

交換式電源高頻變壓器比線性電源使用的低頻變壓器更有效地運作。這將允許更小的體積和更大的功率處理能力。這些增加的效率是有代價的。對比線性電源,交換式電源設計更複雜,尤其是對於超低噪聲的應用,如高動態範圍的音頻處理器,因為它們有產生顯著噪聲的潛力。

設計一個低噪聲SMPS

交換式電源通過仔細辨別噪音源,並通過大量的測試和重新設計,我們能夠設計出一個SMPS族群,可以和線性電源一樣安靜,或甚至更安靜。要做到這一點,有些噪音的種類與來源需要加以處理。

接地環路和環境噪聲

當多條訊號路徑形成迴路將使接地環路存在。例如:注意從同一電源供電給兩顆吉他效果器所產生的接地環路:

在過程中,元件消耗功率等同於電流乘以電壓(P = I * V)。此耗散嚴重限制線性電源的效率。考慮到線性穩壓器的其它功率損失(例如在變壓器的損耗,整流器等),整體效率通常為50%以下。

使用電源其效率小於50%意味著 : 交付給你的吉他效果器每一瓦電力,在線性電源中也消耗了一瓦。由於這種低效率,世界上許多地區都禁止出售外部線性電源, 且偏好高效的交換式電源(SMPS)。

線性電源和散熱

低效電源浪費能量會轉換為熱能。例如,如果50%的高效率的電源提供20W電力到一個效果器盤,但也將在電源因熱能耗散功率20W。每秒每瓦功率耗散的熱貢獻1焦耳,這將需要找到路徑導引到周圍環境。如果不妥善處理,這種熱能會導致各種問題。過高的溫度可能會損害元件,電供過熱將迫使它暫時關閉。

為了防止溫度相關的問題,線性電源需要笨重的散熱片或風扇將熱量傳遞到周圍環境。如果在一個封閉的空間操作時,會增加周圍環境的溫度,這些減緩技術會變得無效。此外,風扇會隨著使用時間越長產生越來越大的噪音。

線性電源和巡演

維持調整和避免過度的內部功耗之間的平衡,是指線性電源將只運行在有限的輸入電壓範圍,使它們只能在特定的地區使用。

這些區域包括:

120VAC,60Hz的美國
100VAC,50Hz或60Hz的日本
110VAC,60Hz的台灣
230VAC,50Hz的歐洲和澳洲

美國的電供電壓不能低於標示的15%(15%是電源的餘裕,以最少功耗確保穩定)。如果在日本操作此電供,這將在100VAC的電壓下使用(低於120V AC 15%以上)。結果是,電供無法穩壓和輸入端電壓如漣漪般的高低起伏紋波將傳送到輸出的穩壓器。這種噪聲可能會找到自己的方式進入由其供電的效果器音頻路徑,造成嗡嗡的噪音。

在歐洲(230VAC)使用120VAC電源將可能是災難性的。變壓器在輸入端燒斷內部保險絲,輸入至線性穩壓階段的電壓將增加近一倍,有可能使電源過熱和毀壞。

線性電源會提供不同電壓區域的配置。但是,因為其配置不是自動的,用戶可能無意中插錯電。例如,電供配置為120VAC,但插入230VAC使用,用戶會遇到上述的災難性場景,是在巡迴演出中容易發生的問題。

線性電源和噪音

線性電源供應器裡的變壓器可能會洩漏磁通量在音頻波段頻率。吉他和效果器可能轉換這個磁流成為音頻噪聲。雖然線性電源的輸出通常是安靜的,但它們的變壓器(即使是環形變壓器)輻射交流Hum聲可誘發噪音到敏感的效果器(例如哇哇效果器)。

​交換模式電供 Switched-Mode Power Supplies

以上提到的線性電源問題來看(大小,效率低,熱等),它們基本上都被替換為交換模式電供(SMPS)。 SMPS通常比線性電源小得多,更高效。而不是使用耗散元件來調整輸出電壓,交換式電源使用高電壓晶體管開關,一個理想的SMPS是持續地在非耗散狀態之間做切換。當開關打開時,電流通過開關但其兩端沒有電壓。當開關斷開時,電壓有穿過開關,但電流沒有通過。

交換式電源高頻變壓器比線性電源使用的低頻變壓器更有效地運作。這將允許更小的體積和更大的功率處理能力。這些增加的效率是有代價的。對比線性電源,交換式電源設計更複雜,尤其是對於超低噪聲的應用,如高動態範圍的音頻處理器,因為它們有產生顯著噪聲的潛力。

設計一個低噪聲SMPS

交換式電源通過仔細辨別噪音源,並通過大量的測試和重新設計,我們能夠設計出一個SMPS族群,可以和線性電源一樣安靜,或甚至更安靜。要做到這一點,有些噪音的種類與來源需要加以處理。

接地環路和環境噪聲

當多條訊號路徑形成迴路將使接地環路存在。例如:注意從同一電源供電給兩顆吉他效果器所產生的接地環路:

Figure 3

暴露於隨時間變化的磁場誘發電流進入導電迴路。普遍存在的磁場(從50/60 Hz的變壓器來的雜散磁流,照明燈具等)接地環路需要避免。敏感的音頻電路會被接地環路感應, 將電流變成噪音,通常是哼聲,啪聲或嗡聲的形式。

使用耗電的數位效果器時,接地環路也是一個大問題。由於處理器動態電流的需求,數位效果器往往要求電流經常因音頻頻率而變化。對於設計良好,正確接地的效果器,這個噪音電流可被電源線隔離,以遠離音頻電路和訊號接地。然而,一旦發生接地迴路時,會有多個接地路徑通往電供。在這種情況下,某些噪聲電流將從訊號路徑返回到電源,注入噪聲到音頻路徑,這被稱作共阻抗耦合 Common Impedance Coupling。

Figure 4

我們的隔離設計

為避免上述缺陷,Zuma 和 Ojai 為每軌輸出採用定製的返馳式變壓器。這些變壓器隔離個別輸出,防止接地環路。光隔離器從變壓器次級傳送反饋訊號到初級控制電路。這將得到良好的穩壓效果,且不會影響隔離。在下圖中,電源的隔離輸出防止前面提到的感應噪聲和共阻抗耦合:

Figure 5

除了由輸出變壓器提供的電隔離,在輸出之間最大化高頻隔離。這是在各個輸出使用定製的共模RFI抑制器,和最小化通道之間的電容耦合來實現。

差模噪聲 Differential Noise

差模噪聲相對於訊號接地,是交換式電源必會產生的不好訊號。除非努力找出原因,它會出現在電源輸出。

我們採取幾種措施來抑制差模噪聲。作為第一道防線,我們使用的切換頻率遠高於聲音頻帶。因為有很多機制,使用超音波頻率會產生可聞噪聲(如頻譜混疊效應,非線性混合等),我們必須確保這種高頻紋波(有高低誤差)不出現在我們電源供應的輸出。要做到這一點,我們都盡量減少在源頭上的紋波電壓(有高低誤差),並使用額外的濾波清除剩下的。

為了盡量減少電壓紋波(有高低誤差),我們把高電容,超低阻抗電容放在返馳式變壓器之後。高電容和低阻抗最小化來自週期電流流入/流出該電容器所產生的電壓紋波。同時,我們的隔離輸出穩壓器,使用低通濾波器將剩餘少量的紋波幾乎可以完全消除。

雙階穩壓 Two Stage Regulation

無效率的穩壓是 SMPS 差模噪聲的另一個來源。穩壓不足,存在於穩壓器輸入端的噪聲傳導到其輸出。為了抑制這種噪聲,我們串接兩個穩壓階段。第一階段的 AC 電源電壓(100VAC-240VAC)轉換為 24VDC。對於 Ojai,這一階段發生在外部適配器。對於 Zuma,這一階段與輸出穩壓器共享。第一階段在很大程度上消除了與初級電壓有關的 50/ 60Hz 的噪聲,並提供了一個乾淨的 24VDC 電源分配給各個輸出穩壓器。輸出穩壓器然後再轉換這一清潔的電力為超低噪音隔離輸出。

交換控制器 Switching Controller

Ojai 和 Zuma 使用先進脈衝寬度調變(PWM)集成電路來控制切換。在不連續導通模式操作允許我們的電流模式控制器瞬間補償負載和初級電壓的​​變化。使用具有高精度低噪音誤差放大器的同時,我們採取穩壓和頻率補償方案,該方案在所有負載條件下都非常安靜和穩定。為了達到最佳的穩壓,誤差放大器同時在最終過濾階段的前後測量電壓。

我們使用的控制器也提供了高功能的開關頻率控制。這對我們的噪聲性能是必要的。交換式電供通常在音頻頻帶內調製其開關頻率。調製頻率總是會找出到電源輸出的路徑。為了防止這種情況的噪音,我們採用固定開關頻率。此外,經過很細心的電路佈局,我們防止調製開關頻率的任何其它訊號。

共模噪聲 Common-Mode Noise

SMPS 的高速開關元件可產生共模輸出噪聲(在兩個相對於接地訊號導體和訊號接地噪聲)。許多吉他效果器轉換成可通過訊號鏈傳遞差模噪聲。Ojai 和 Zuna,我們同步最大限度地降低噪聲的來源和防止剩下的噪音從供應器輸出。

為了盡量減少噪音的產生,我們認真控制開關元件如何迅速打開和關閉。通過減緩電流和電壓的變化率,我們限制該開關元件產生的電磁場。細心的電路板佈局也最大限度地減少產生的噪聲量和耦合到其它電路的可能性。

為了防止任何噪聲到達電源的輸出,我們放置定製的環形共模 RFI 抑制器在每個輸出。這些 RFI 抑制器阻止共模噪聲,同時使差異訊號不受影響。

輻射噪聲 Radiated Noise

類似線性電源的 AC 降壓變壓器,返馳式變壓器同樣會產生輻射磁場。我們在低頻變壓器有兩個優勢。首先,我們的切換頻率遠高於音樂頻帶,所以任何超出聽覺範圍的噪聲將透過精心設計的音訊設備給過濾掉。第二,不像低頻輻射,導電屏蔽大大衰減高頻磁場。60Hz 的磁場可以穿過很薄的鋁質底盤,但相同的底盤可屏蔽相當可觀的高頻訊號。


結論 

Ojai 和 Zuma 是從最基礎開始設計。親手繞製自己的定製變壓器和 RFI 抑制器,我們開發了多階穩壓和濾波機制,可以自動的轉換電壓(100VAC-240VAC)。每個電源發貨給客戶之前,經過了一系列的音頻測試。事實上,我們的設備經歷了比大多數吉他效果器更嚴格的音頻測試。電供被暴露在各種測試條件下,每軌都會被監控噪聲和直流電壓,並使用測試我們的效果器相同音頻精密音頻來分析。

天生一絲不苟的設計和性能,Ojai 和 Zuma 結合超低噪聲性能和高效率。輕量且體積小,提供乾淨充沛的動力。精密但操作簡單,能自動適應 100VAC 和 240VAC 之間的任何電壓。最重要的是提供一塵不染的乾淨電力,所以你會聽到你的吉他,效果器,擴大器,而不是你的電源噪音。