設計現代音響電源系統 - Ferrum HYPSOS
HYPSOS 的簡史
在許多音響設備中，電源及其品質往往被視為理所當然。然而不可忽略的是，電源其實是所有電子設備中不可或缺且極為關鍵的核心組件，不僅僅是用於聲音重播的設備亦然。無論是耳機擴大機、DAC，甚至是串流播放器，其電源設計都會直接影響整個系統最終的聲音表現。
發揮完整潛能
在 HiFi 音響系統中，一套良好的電源系統是釋放器材完整實力的必要條件。舉例來說，當耳機擴大機的輸出級將訊號推送至某一電壓時，電源必須能夠即時提供足夠的電流，並維持所需的輸出電壓。
然而，耳機擴大機所汲取的電流會對電源軌造成電壓擾動，而這些擾動可能會進一步出現在擴大機輸出端，導致訊號失真。因此，在設計上必須盡可能將因電流變化所引起的電壓波動降到最低。
降低電源擾動
乍看之下，音響電源的設計似乎相對簡單，因為即使是 Hi-Res 音訊，電流變化的頻寬也大約只到 200 kHz。然而，現代音樂主要以數位形式儲存，因此系統中必然存在將數位資料轉換為類比訊號的電路。
這些設備內部的數位電路會從電源中汲取瞬態電流，其頻寬遠高於 200 kHz。雖然類比與數位電路通常各自擁有獨立的電源，但它們最終仍由同一個主電源供應。在此情況下，數位電路所造成的電壓漣波，可能會傳遞至類比電源的輸入端，並沿著類比電源軌擴散。
因此，電源必須具備快速回應瞬態電流的能力，並將這類電壓擾動降至最低。
正確的電源線材
在設計 HYPSOS 時，我們希望它能對這類「數位瞬態電流」有極佳的反應能力。然而，外接式電源不可避免地需要透過線材將能量傳送至負載，這便引入了新的問題。
電源線材並非理想元件，它本身具有寄生電阻、電感與電容，這些參數會形成諧振電路。雖然線材的寄生參數數值看似很小，但在許多音響設備的電源輸入端，往往配置了容量極大的電容陣列。如此一來，線材的電阻與電感驅動這些龐大電容時，實際上會形成一個低通濾波器。
電容越大，截止頻率就越低。這部分稍後會再詳述，首先先來談線材電阻本身所造成的影響。
4T 遠端感測（Remote Sensing）
若要讓電源在寬廣的電流範圍內仍能維持穩定輸出電壓，就必須使用負回授。此回授機制會量測電源輸出端的電壓，並調整控制輸出級的電壓，以維持穩定。
問題在於，多數電源只量測自身輸出端的電壓，也就是線材之前的電壓，而非負載端實際接收到的電壓。如果線材本身存在電阻，則線材另一端的電壓便無法被精準調節。
假設線材電阻為 50 mΩ，電流在 0.5 A 與 1 A 間變化（這在多數 DAC 中相當常見），單一導線上的壓降會從 25 mV 變為 50 mV。但實際電流回路包含來回兩條導線，因此總壓降變化為 50 mV 至 100 mV，這是一個不可忽視的差異，且會直接出現在負載端。
因此，HYPSOS 採用了**遠端感測（Kelvin 連接）**設計，使用四條導線：兩條供電，另外兩條專門量測負載端的實際電壓。如此一來，電源能直接穩定負載端電壓，自動補償線材電阻所造成的壓降。
在此架構下，負載端的電壓變化主要取決於電源誤差放大器的增益。若增益足夠，即使電流由 0.5 A 變為 1 A，電壓變化也可低於 10 mV。
線材寄生效應的破壞性影響
再回到線材的其他寄生參數。線材的電容通常可忽略，因為電源輸出端與負載輸入端的電容遠大於線材本身的電容。但線材的電感則完全不同。
電感會阻礙電流變化，電感越大，對瞬態電流的阻礙越明顯。當負載試圖汲取突波電流時，這將造成嚴重問題。即便使用遠端感測，誤差放大器仍因頻寬有限，無法即時補償線材電感所引起的電流延遲。
此外，線材電感與負載輸入端的大容量電容會形成低通濾波器，並在回授迴路中引入相位偏移，可能導致電源輸出振盪。若振盪落在音頻範圍內，將對聲音造成嚴重劣化；即使不在音頻範圍，也可能損壞設備或電源本身。
值得注意的是，大容量電容並非一無是處。對於電壓穩壓器而言，增加輸出電容可改善瞬態反應（前提是 ESR 合理）。當突波電流發生時，靠近負載的電容能在電源尚未即時供電前，暫時提供所需電流，降低電壓下陷。
低電感線材
問題的核心在於線材電感，它在瞬態情況下將電源與負載隔離。唯一的解法就是降低線材電感，讓電源回應更快速，並在高電容負載下仍保持穩定。
因此，HYPSOS 採用寬幅 Canare 線材，以實現極低電感特性。
線性電源 vs 切換式電源
HYPSOS 的另一個設計目標是「通用輸出」，也就是支援極寬的輸出電壓範圍。多數音響設備使用 5V 至 30V 的直流電源，因此這成為我們的設計範圍。
若要達到最低噪訊，最直觀的選擇是線性穩壓器。但在如此寬廣的電壓範圍下，當輸出低電壓時，必須提供極大的電流，導致穩壓器承受巨大功率耗散，散熱需求幾乎不切實際。
因此，我們必須採用切換式電源來降低熱耗散。然而，低噪訊的切換電源設計極具挑戰性，對拓撲結構與 PCB 佈局要求極高，而寄生電感往往是噪訊的主要來源。
「安靜」的切換控制器
HYPSOS 採用具備內建開關與獨立接地平面的控制器，使切換電流路徑極短，並內建輸入電容以應付最快速的電流突波，降低 EMI。
我們選擇降壓（Step-down）拓撲，因其輸出端使用電感而非二極體，相較其他架構具有更低的輸出漣波。此外，HYPSOS 於輸入、輸出與 IEC 端均配置 EMI 濾波，並在輸出端額外加入 LC 濾波器，以抑制 MHz 級切換噪訊。
為了同時兼顧穩定性與瞬態反應，我們最終採用了混合式電源架構。
混合式架構的優勢（HYPSOS）
HYPSOS 採用切換式電源後接線性穩壓器（LDO）的架構。我們自行設計了 NMOS 低壓差穩壓器，在 6A 輸出時壓差僅 300 mV，使 LDO 的熱耗散降至最低。
此設計同時具備低噪訊、高穩定性與極佳的負載調節能力，並透過 LDO 的差動誤差放大器實現遠端感測。此外，雙重調節也使整流後的漣波幾乎完全被抑制。
SST（Sweet Spot Tuning）
雖然聽起來反直覺，但改變供電電壓確實可能影響器材的聲音走向。例如，提高切換電源的輸入電壓可降低汲取電流，進而降低電源線上的調變噪訊；而提高線性穩壓器的輸入電壓，通常也能提升其抑制噪訊的能力。
因此，HYPSOS 提供 SST 功能，允許使用者在原廠規範範圍內以 0.1V 為單位微調輸出電壓；若原廠未標示允許範圍，則限制在標稱電壓 ±5%，以避免誤設導致設備損壞。
ATVA（自動變壓器電壓調整）
歐規 / 美規版本的 HYPSOS 具備自動變壓器電壓切換功能。開機時預設為歐規設定，系統會量測變壓器輸出電壓，若判定為美規市電，便自動切換設定。此設計避免了錯誤切換市電導致保險絲燒毀的風險。
EOVPS（電子輸出極性切換）
部分設備使用反向極性供電。HYPSOS 允許在手動模式下直接切換輸出極性，無需額外轉接線。但若極性設定錯誤，且設備本身無保護，仍可能造成損壞。
SSM（展頻模式）
HYPSOS 的切換電源支援展頻模式，啟用後切換頻率會在 ±20% 範圍內調變，使 EMI 能量分散於更寬頻譜中，降低尖峰干擾。在某些高靈敏設備中，可能對整體表現產生明顯影響。
過電流保護
HYPSOS 具備完整的過電流保護機制：
瞬時電流：最高 9A（30V 時可達 270W）
連續功率：最大 80W
低於 13.3V：最大連續電流 6A
超過限制 3 秒：自動關閉輸出
所有電壓、電流與功率皆由微處理器即時監控。
過電壓保護
HYPSOS 會直接量測負載端電壓。若感測線短路導致錯誤回饋，系統可能誤判輸出為 0V 並試圖拉高電壓。為避免此情況造成設備過壓損壞，HYPSOS 會在偵測到異常狀態時立即切斷輸出。
如想了解更多 HiFi 音響資訊或預約試音，歡迎透過以下方式聯絡我們：
📞 (852) 2324 9968
📱 WhatsApp: (852) 9380 2928
加入雅詠音響會員・立即尊享多重禮遇
加入會員即可獲得：
💰 $1,000 迎新購物金（適用於指定品牌）
🪙 全店 5% 點數回贈
🎁 多重獨家優惠 & 生日驚喜
📚 產品資訊、教學分享、用家心得定期推送
立即註冊 ➤ aria-audio.com/users/sign_in
