音响用电源供应器
Nelson Pass
编按：这是Pass Labs设计者Nelson Pass先生于1997年发表的一篇文章，原名为「Power Supplies：A Commentary for Consumers」，内容旨在说明扩大机电源供应器的最基础理论，以及教导消费者如何判定优秀的电源供应器设计。Nelson Pass先生从早年的Threshold时代起，就是名满音响界的扩大机设计专家，在这篇文章中却是以最浅显的角度与轻松口吻，为技术门外汉逐一解释电源供应器的组成与好坏关键，当然更值得音响迷们作为参考。
本文已获得Nelson Pass先生授权翻译刊登。
入门介绍 ─ 电力与水力系统
很多人不懂电力方面的学问，但是他们可以从以下这种道理极为近似的水力原理中进行了解。导线就像是水管；水压可以比喻成电压；水流当然就是电流；湖泊与水库好比电容器；二极管则是单通路活门；至于真空管与晶体管，作用就像是水龙头一样。
整个扩大机的电子线路，可以被视为一组水利系统。太阳控制着气象循环，水分就分布在大地，以湖泊上游的水库进行储存，提供我们日常生活的用水所需。在冬天，雨水就储存在湖泊中，水压就随着储水量上升；在夏天的时候，水平面会降低，水压也会跟着降低。当民生用水需求量大时，储水量就会降得更低，而且通常得要花一个季节以上的时间才会回复正常的储水量。
对扩大机而言，室内的电力配线、电源线、变压器与一些外围零件，就是提供「雨水」最主要的关键，而滤波电容则为储水槽。电源供应部份的电容器每1/120秒就会充电一次，并且每隔60Hz周波就会反射二次电流脉冲。
这些脉冲的持续时间相对较短，而且必须仰赖滤波电容在脉冲之间的6微秒（ms）充电效能。我们希望能够让电源供应器维持固定的工作电压（水量），而且这通常得靠巨大的电容量来储存能量，以及巨大的变压器提供充电所需来完成。现在，你应该已经有一些概念了。
我们在这里并不是在讨论扩大机的设计，而是试图澄清市面上充斥的天花乱坠不实宣传，所以我想来谈一谈厂商们常用的手法。无论我们的要求有多高，基本上都是需要稳定不变的电压供给，同时具备低杂音特点的电源供应器。此时，愈大、愈重就显得愈好，因为较重的变压器能够提供较充裕的电源，较粗重的导线能够承受较大的电流，而较大的电容量就能够储存较多的能量。
问题是，会不会有太大的问题？当然，数据规格和实际表现不会成正比，相对于变压器提供1瓦功率给前级扩大机线路比较起来，上千瓦或是数万瓦的功率并不见得会好到哪里去；虽然这种想法对于大多数音响迷来说，并起不了什么觉醒作用。
<图>充足的电源供应部分(包括变压器滤波电容等主要组件)，至少得占据后及扩大机一半以上的重量才算数。
电源变压器
最好的电源变压器，就是使用甜甜圈造型磁铁的环型变压器。以同尺寸的变压器来说，环型变压器可以提供最大的电源供应，同时噪音的问题也最小。不过，由于电源要在极短的脉冲时间里传送给电容器，因此环型变压器必须在额定瓦数输出状况下进行多次分级筛选。
一般而言，一部持续输出功率200瓦的AB类后级扩大机，就必须有能力提供700瓦的能量；换句话说，它的变压器理当有2,000瓦的功率。其中若有任何数字低于此，便不足以支撑持续工作状态。当然，对于不需要持续工作在最大输出功率的AB类扩大机来说，这些要求就可以省下来。
如果是一部持续输出200瓦的纯A类扩大机，它就会随时需要1,000瓦左右的能量；换句话说，电源变压器「至少」就得具备3,000瓦以上的功率。一般的环型变压器，大约每30瓦容量就等于一磅的重量，所以3,000瓦功率的环型变压器重量约为100磅。后级扩大机其它的部分大约也是等重，所以一部纯A类200瓦输出的后级，总重量至少在200磅以上。
对于纯A类扩大机来说，每1磅重量换算为2瓦输出，可以视为一种不错的判定标准。低于这种重量标准的扩大机，很可能就不是纯A类设计，或是厂家利用取巧的线路来达成A类的特性。
低杂音的特性也很重要。环型变压器通常会包装在金属隔磁罩内，而且为了降低磁力辐射的影响，这些隔磁罩通常（但不是一定）采用铁制品。这是很好的现象，但是在过去至少有一家以上的扩大机厂家，曾经将小型的变压器装置在大型的隔磁罩里，消费者也就不明不白地被骗了。
电容器
由于高电容量对后级扩大机的需求，电源供应器所使用的滤波电容几乎都是采用电解液构成。你在后级扩大机内部所看到的电容器，都是以专有单位加以标示，如微法拉（μF）、电压与电容量等。最常见的大功率后级使用滤波电容规格为25,000μF，或是称为0.025法拉。1法拉是很大的单位，这种巨大的电容量在传送1安培/1秒钟的过程中，会造成1伏特的压降。以纯A类200瓦的立体声后级为例，它的偏压会达到8安培，也就是说电源供应器的涟波将有0.06V/RMS。一般而言，你会希望这种扩大机配置100,000μF的滤波电容，所以涟波大约就是0.6V左右。这是挺好的状况，约为电源供应器总电压的1％。小功率的后级扩大机需求较小，而大功率后级相对之下需求就比较大。
大容量电解电容会有轻微的电感量，这是起因于电容内部螺旋状卷绕的薄膜。要想降低电感量的影响，薄膜电容通常是不错的选择，在高频的电流能够传导得稍微顺畅一些。
一些数字上的实验可以提供我们更多的内部讯息。通常大型电解电容器的电感值在大约10KHz时会造成阻抗的升高，100KHz时更可能达到1奥姆的高阻抗。此时，若是我们并联上一个薄膜电容，就会使得阻抗值维持在0.1奥姆左右。
不过，在这种超高频率范围时，音响真有相对的能量吗？其实不然。音响的能量在5KHz频率以上时，每八度音程就会有12dB的滚降，而且音乐回放时回转率为1瓦/微秒，意思是说在100KHz时谈论能量是没有必要的。
无论如何，高频阻抗对于扩大机的稳定度是很重要的，特别在复杂的电路而言更是如此，因为电源供应器可以视为阻抗来源，在百万Hz附近开始产生回授现象。特别有趣的是，有些设计者却依赖电源供应器的这种阻抗特性，作为特定频率的稳定之用；因此，当电解电容并联上另一个薄膜电容时，对于扩大机电流的稳定性反而会造成伤害。无论如何，若是以消费者的立场来看，在电源供应器上使用薄膜电容确实是好事。
电感器
当我们试着要消除电容器与线材所产生的电感值时，由线圈构成的电感器却能提升变压器的表现。举个例子来说，如果我们在交流电源路径加上电感与电容组合，它们就可以当成一个滤网，降低电流进出所产生之高频噪音。如果以大型电感器、变压器这种顺序加以串联，这样的组合会让电源供应器中的电容充电脉冲时间拉长，藉此降低噪音的生成。如果以大型电感器与多个电源供应器的滤波电容结合，就可以形成一个π型滤波器，降低电流供应源之噪音。
虽然电感器非常有用，但是相对的它也要价不赀。当它们一但被用在功率扩大机时，就表示了这家制造商是为了达到最高音响成就，而进行不计血本的投资。
线材
音响迷向来热爱线材。或许是线材对于音响迷来说较易亲近，而且比较容易被了解。一般来讲，我喜爱使用粗短的线材，而材质则为高纯度且柔软的金属如铜或银等，最好是线材末端尽可能地处理牢固并加以焊锡处理。
整流器
没错，整流器当然是很重要的，因为交流电到最后都必须转换成直流电，但是我并不喜爱某些音响迷所醉心的「快速恢复型」（Fast Recovery Types）整流器。「快速恢复」意味着这些整流器能够在十亿分之一秒中，能够承受大量的电流与电压，但是有时候我们不会在旧型的60Hz交流电源上看到这种现象。虽然它们是电源供应转换中相当重要的一环，但是对于一般「线性」电源供应器来说，我还是比较偏好速度较为「缓慢」的二极管。我们的做法是使用小型电容回路与二极管并联，藉以大幅降低辐射噪讯。
稳压器
主动式线性稳压是一种稳定电压非常好的方法。很可惜的是，它的成功率并不是很高。在过去有些使用主动线性稳压的扩大机，常被评论为动态感缺乏，因此这样的技术在过去并没有得到它应该有的评价。
主动式线性稳压必须能够超越扩大机的额定需求，这样的稳压器应该承受扩大机每声道持续输出时的十倍电流量。稳压器则必须置于大型电容器前方，并且需要相关数值数据以便于与无稳压回路相比较。而且，变压器的容量也必须与无调整回路上所使用者大小相当。
能够达到如此要求者，就是属于优秀的主动式线性稳压。不过，也可以用较低的成本来达到同样的目标，那就是经由控制或隔离扩大机的低功率前端放大部分，让输出级单独使用一组电源供应。要达到这种目标，你可以使用完全独立的电源供应器，可以利用主动式稳压，或者是只用二个电阻与二个电容器就完成。
另一个稳压的方法是尽量利用稳定的电源，因为这样不但能使电路持续稳定电流，同时也让电压不至于受到震荡。稳定的电源可以大幅地改善低前端放大电路的电流稳定度，并且藉由与稳压器的结合，达到低成本、高素质的杰出表现。
你也可以将输出端调整赋予稳定的高电流偏压，以构成一个单端纯A类扩大机。是真的，我并没有在开玩笑。
交换式电源
交换式电源的优点不外乎是重量轻、用料少，在无额外开销下有效控制的能力。不过，噪音是交换式电源的潜在问题，但还是能够借着物理性的隔离与滤除加来避免。换句话说，就是要再花钱了。
交换式电源可以是一个深奥的主题。这么说好了，我相信有些理论认为交换式电源只是一种线性稳压器。再一次，交换式电源应该被定位在「扩大机电路理论上对电流的需求」，特别是我接触过的交换式电源，绝大部分都的真正实力都被低估了。另外，滤波电容在交换式电源中的使用状况也是非常重要。但这些都不是问题所在，大多数设计者用到交换式电源的真正原因，只是为了节省成本罢了。
有些老手像是Bob Carver，对于交换式电源的使用会比我来得专精许多，保证你可以从他那里得到更清晰、更深入的解释。
单声道操作
我们都知道「单声道」的意义就是一个声道的扩大机。既然是一个声道，那就不必分享电源供应，在一个既定大小的机箱中，单声道扩大机可以安装加倍的变压器与滤波电容器，所以它的另一层意义就是「升级」。另外，单声道的目的是利用物理和电子特性，将各自的功率放大声道彻底分离，而二者只有在交流电源处有关联；或是根本不会发生。这样的工作方式，无论哪一个声道发生了状况，都不会去干扰到另外的声道。
单声道工作模式是Hi-End系统中最好的使用方式，但是在价格上相对昂贵。如果要考虑成本上的问题，一个妥协的解决方案就是使用「双单声道」（Dual Mono）的工作模式，也就是说二个声道共享一个机箱与电源线，但是在变压器和滤波电容的使用上则是彻底独立的。这样的处理方式，不但达成了单声道系统的许多好处，同时也大幅降低了制造成本。
电池工作原理
可以说是完全的隔离，近乎零噪音，但是高成本花费。
结论
那么，我们在这里学到了什么？简单一句话：要做出真正好的扩大机电源供应器，就得花上大把的钞票。
有些研究认为，我们以上所讨论的结果，只不过是最低程度上的改善，但是，这些改善的确是可以测量得到的，所以我们不必因为致力于电源供应设计上的期待，而卷入无意义的主客观不同观点争论中。这个课题，只是你想要花多少学费后，再重回原点罢了。
工程技术总是一种妥协的科学，所有的制造商都会划出自己的投资/获利曲线图。据我的经验，大部分的厂商对于这方面是相当有良心的。由复杂程度高低与电源供应器重量，可以看出一部器材价格的脉络，而你个人对于这部器材的期待也可以在心中有个底了。
身为一个消费者，理所当然的想要得到最好的声音，所以你可藉由严格的试听来达到您的目的。次要的目标是，我们想要获得高价值比的商品，我们自然也想知道制造商的确将金钱投资在商品上，而不是单单以赚取超高利润为目的。如果你可以阅读器材设计数据，或是看到器材内部的零件与设计，那么占器材价格比例最高的电源供应部分，将可以视为一件器材制作是否认真的一个重要指标。因为，它理论上应是整部扩大机上最大且最重的一部份。
如果你不想惹这些麻烦，但仍然想要将钱花在刀口上该怎么办？那么，每当付出美金一千块，请记得至少回收15镑以上的扩大机重量。■
