陶瓷扬声器与动圈式扬声器的效率 - 小巧、轻薄设计才能推动便携小型陶瓷扬声器发展

　　5. 陶瓷扬声器与动圈式扬声器的效率

　　传统动圈式扬声器的效率很容易计算。音频线圈绕组可以近似为固定电阻与一个大电感串联。如果已知扬声器电阻，可用欧姆定律计算负载功率（P）： P = I2R，或 P=V×I。扬声器的大部分功率被转变成线圈的热量。

　　由于陶瓷扬声器具有电容特性，因此消耗功率时产生的热量不高。陶瓷扬声器消耗的是“无功”功率。无功功率非常小，与陶瓷器件的损耗因子有关。无功功率产生的热量很少。计算无功功率时不应直接采用公式 P = V×I；应采用以下公式计算：

　　

　　其中：

　　C - 扬声器的容值；

　　V - RMS驱动电压；

　　f - 驱动电压频率；

　　cosφ - 扬声器电流与电压间的相角函数；

　　DF - 扬声器损耗因子。DF 值很低，取决于信号频率及扬声器的 ESR。

　　由于理想的电容器电压和电流之间的相角为 90°，并且陶瓷扬声器基本呈容性，cosφ 等于零，因此，陶瓷扬声器模型中的电容部分不会产生任何功耗。陶瓷材料和电介质的自身缺点造成扬声器电压落后于扬声器电流一个相位角，该相位角并非精确等于 90°。理想相移（90°）与实际相移之间的微小差别定义为损耗因子（DF）。

　　陶瓷扬声器的 DF 可以等效为一个小的等效串联电阻（ESR）与理想电容器串联。不要将串联电阻与放大器和扬声器之间的隔离电阻混淆。DF 是所需频率下 ESR 和容抗的比值：

　　

　　举例来说，电容为 1.6μF，ESR 为 1Ω 的陶瓷扬声器，由 5VRMS、5kHz 信号驱动时，无功功率为：

　　

　　6. 有功功率

　　与动圈式扬声器不同的是，虽然陶瓷扬声器本身不消耗有功功率，但是，在驱动放大器输出级以及功放和扬声器之间的外部电阻RL（图 4）上会产生热量。外部电阻值越大，为放大器分担的耗散功率越大，它以牺牲低频响应特性为代价。

　　驱动 10Ω 串联电阻的陶瓷扬声器时，总负载功率中无功功率占的比重并不大。大部分功率耗散在外部电阻上，图 5 为放大器功率与频率的关系曲线。

　　为了获得较好的低频响应，应选择小的外部电阻，但会要求放大器输出级耗散更大的功率。放大器的效率决定了放大器输出级功率。为获得大功率放大器，需要采用高效解决方案，如 D 类和 G 类放大器。负载端串联一个电阻，可以使功率消耗在负载网络，而不是扬声器。即使放大器效率为 100%，功率也会消耗在串联电阻上，而非扬声器上。

　　以图 5 为例，5kHz 时，提供给负载的总功率为 629mW。效率为 53% 的放大器功耗为 558mW。放大器功耗决定了实际器件的封装尺寸，如果必须用高频正弦波驱动陶瓷扬声器，则会消耗大量功率。

　　

　　图5. 驱动陶瓷扬声器时所需功率与频率的关系

　　7. 结论

　　便携式设备的小巧、轻薄设计是推动小型陶瓷扬声器应用需求的主要动力。陶瓷扬声器不同于传统动圈式扬声器，应考虑采用新的设计方案。陶瓷扬声器的电容特性要求放大器具有高输出电压和大输出电流，从而在工作频率范围内保持高压驱动。选择驱动陶瓷扬声器的放大器时，必须能够为复杂负载提供无功功率和有功功率。为了支持小尺寸、低成本方案。要求放大器具有较高的工作效率。为满足以上要求，需要采用与传统 AB 类放大器不同的拓扑结构。更有效的解决方案，如 G 类或 D 类放大器，成为极具吸引力的方案，综合考虑成本、元件数量等指标，G 类放大器是能够获得最佳折衷的解决方案。