自己動手做電源，讓SF801聲音更好 (文/李孟育)
CatKing (貓貓站長)
2015/05/23 20:51 #1
自己動手做電源，讓SF801聲音更好 (文/李孟育) 本文經原作者李孟育先生授權刊載，轉貼請註明出處，謝謝。
記得我曾經拿著自己打造的耳機,帶去給Hollywood 的一位電影錄音/配樂大師評論(他曾經幫許多電影配樂/錄音/混音，例如ID4)…結論是Sound quality is good,but headroom is not enough！…headroom 是什麼?就是動態範圍的意思。聊了一段時間才知道，他心中Headroom 足夠的耳機是Beyerdynamic T1及 HD800。
很多耳機或喇叭都有同樣的問題,就是小功率到大功率的線性度不佳！這是什麼意思呢?
好的電源可以提升動態
假設一個喇叭在輸入1W的時候在距離1米處可以量到87dB的音壓,那麼輸入2W時就應該有90dB的音壓,即功率每加倍,音壓就多3dB,依此類推，當輸入1024W時應該能夠輸出117dB的音壓,如果不能維持這個線性比例，就代表動態範圍遭到壓縮,這樣的情形通常發生在功率很大的時候，音圈的活塞運動偏離了磁鐡的線性區…詳細情形將來講喇叭設計時再講。
耳機也是一様,通常流行音樂的錄音,大約有30dB的動態(意思是平均音量和最大音量間會有30dB的差距)，而好的交響樂錄音則可以達到50dB以上的動態範圍！如果您的耳機或者耳擴,只能夠達到110dB的線性音壓,那麼代表欣賞音樂時的音量將受到很大的限制(低音量只能有60dB，不能轉太大聲否則大音量時會破音或動態被壓縮)…聽過現場演唱會或音樂會都知道，現場的動態比這個還大。當然,大動態的耳機或耳擴都很難設計。
言歸正傳，Audiophile 都了解電源對聲音的影響有多大！話雖如此,我並不認為什麼樣的電源就一定有好聲,什麼様的電源就一定是衰聲,毎一種電源所造成擴大機的失真特性都不同,因而造就了不同器材的特色。這些電源形成的失真是量得出來的…之前的耳擴試聽報告,是採用SwitchingPower adaptor ,其實現代的擴大機也有很多是採用Switching power 供電,高價的Emmeline II “The Raptor”耳擴便是。現今Switching Power的技術已經非常成熟,不僅效率高,雜訊低,很多ultra low noise switching power其雜訊甚至可以低於1mV,也符合很多安全規範。
SwitchingPower的低交流聲的特性甚至可以被拿來用於MC/MM唱頭的放大器!我的一台德國製的AQVOX Phono 2Ci 就是採用switching power。
話雖如此,對於真空管電源配上耳擴能夠達到何種程度的聲音依舊很期待,記得Counter Point SA-5 的前級嗎？電源部分比主放大線路還要複雜N倍!主放大部只有一支6DJ8的單端放大(就像是SF801),這樣的線路PSRR很低(通常只有十幾dB),電源的性能影響聲音很重,不可否認的是真空管那令人着迷的音色,始終吸引著我,再加上可以藉著真空管整流的緩起動的特性一併解決SF801開機時的衝擊聲。
真空管電源音質好、效率差
無論是管整流或管穏壓，因為內阻很高的原故,所以會＂吃掉＂很多的電壓,因此整流管本身就會消耗很高的功率！
除此之外,真空管或半導體電源的聲音好壞的爭論，同樣是公說公有理的世紀之爭,然而,撇開效率的問題,我相信不論是何者,只要好好設計,至少在數據上都能達到一定的水準！(漣波,雜訊…)
本次的設計是為了提供真空管耳擴的電源,所以在設計規格上至少要能提供40V200mA的電壓及電流,雜訊要低(至於要多麼低,後面會提到)，電路要簡單,不想用並聯穩壓以降低設計及組裝的複雜度,同樣地,更換不同廠牌的管子可以體驗不同的聲音變化!
接下來的篇幅,我會解釋整個設計的細節,(天使也在細節裡)。
整流管的選擇
Fig1.繪出了不同真空管(整流管)的特性,愈往右邊的曲線代表壓降愈低,整流的效率愈好,然而整體的電源利用率必須連同燈絲一併考慮！
Fig1
舉例來說：6CA4(中間綠色線)比起5AR4(最右黑色線)在相同流過200mA時有更高的電壓降,也就是必須給6CA4更高的電壓才能得到我們要的額定輸出!但是5AR4的燈絲卻要5V/2A的電壓電流,相當於10W的功率,而6CA4卻只要6V/1A,相當於6W的功率,比5AR4小了很多,而且6CA4的管身較小,小九腳的管座即可(可與耳擴共用料件),因此一開始我就選了6CA4,整體線路如Fig2所示
Fig2
簡單的真空管全波整流加上CLCLC的濾波,其中最後一個0.22uF是要再並聯一枚3300uF的電容,但這枚電容已經在耳擴板子上了,因此電源板上就不裝了,採用了兩個電感的原因是為了進一步降低漣波,一般的CLC電路無法降至我要的漣波水準,從simulation 看來,如果只用一個電感的CLC電路,其電感值要超過1000H,這樣會非常不實際！
漣波究竟要到什麼程度才能符合要求呢?
以HD800的靈敏度來估算,HD800是在1mW時100dB的輸出音壓,假設最壞的程度是真空管耳擴的PSRR非常差到0dB,換句話說就是電源的任何雜訊都會很忠實的反應到輸出，如果希望雜音音壓低於40dB的程度,那麼代表輸出至耳機的功率必須小於0.001uW,(按音壓每小3dB,功率便減半計算)，就是千分之一微瓦！！換算雜訊電壓要低於0.7mV,( 按V=√(P*R)，計算時R要代入HD800在120Hz時的阻抗,大約是600 Ohm)。這樣，相信再＂過敏＂的耳朵應該也聽不到雜音！
穩壓IC的問題
Fig6是電路模擬,47uF下面串聯的2 Ohm電阻代表47uF的ESR,結果是輸出雜訊大約是20uV，符合我們的要求。
Fig6
一般設計師總是加個穩壓IC以解決雜訊及電壓穩定度的問題,很不幸的,穩壓IC的輸出雜訊水平無法達到我們的要求,一般穩壓IC的雜訊輸出為0.003%，以輸出40V計算，雜訊為1.2mV！太高了。而且其雜訊頻譜非常寬(千萬別忽視這個問題)…我並非說穩壓IC不好,只是不適合在這裡!
當然,模擬歸模擬,實際組裝時要做到那麽低的noise並不容易!尤其是60Hz及120Hz的交流感應,往往很難以濾除。
真空管整流和二極體整流不同的是真空管幾乎沒有所謂的切入電壓,是比較線性的元件,二極體都有大約0.5V的cut in voltage,在此電壓附近會產生一些非線性失真及雜訊,於是有採用高速二極體或在二極體兩端並聯小電容加上電阻以降低此一雜訊的作法…但是高速二極體會產生更高頻的雜音…講不完！
初次模擬如Fig4,R2,R3及C4可以不必理會,I1的180mA代表負載耳擴會消耗的電流,結果可看出輸入69V時可以得到45v的輸出電壓(180mA負載時),但是實際實驗畤發現變壓器的次級必須要超過70V的變壓器繞組才能得到37V/180mA的電力！
Fig4
這樣有個問題是當輸出為空載時,電壓會上升到接近100V,(如果家中的AC電壓偏高的話,那將會超過100V,如此,會需要採用耐壓超過100V的電容器,而100V級距以上的大容量電解電容非常的貴(當然是品質好的)…
雖然也可以加裝並聯穩壓或SuperZener以箝住輸出電壓…但是都會增加電路的複雜度和必須解決散熱,因此看來6CA4並不是理想的選擇,於是改用5AR4,如Fig3,所示
Fig3
simulation在輸入60Vrms的情況下可以得到45V左右的輸出,實際上去繞製變壓器後測試,大約要63-0-63的電壓才能得到40V的輸出。主要的原因應該是變壓器加載後電壓下降所致。47uF的電容器是在5AR4規格書推薦的最大值(60uF)之內,而0.5H的電感是採用EI-28鐵芯在電感與內阻相互要求下最佳化的數值,現成品電感都太過於體積巨大,所以定做,EI-28的鐵芯是我能容忍的最大體積限度,我希望整個Tube Power 模組看起來精巧,因此不論是電源變壓器或者是電感都是採用Z11的鐵芯,體積能夠儘量小。
電容器對性能影響至鉅
Fig5 繪出了C1(紅色線),C2(綠色線),C3(黃色缐),的電流圖形,可以看出C1的電流最為劇烈,幾乎是+-400mA的變化(峯對峯值),透過電腦模擬,就能很淸楚知道每個電容的漣波情形！上網去狂搜了一陣,發現幾乎沒有合乎C1理想的電解電容！!
Fig5
這個電容由於必須承受很高的漣波,本身就會發熱外,其PCB上的地理位置又很靠近5AR4,因此會熱上加熱。基於這些條件去篩選,幾乎就只有薄膜電容或Aluminum Polymer 能夠符合要求,問了一下WIMA 45uF/600V的價錢,不僅貴得驚人,體積也太大,…怎麼辧?
考慮了很久,最後採用2顆22uF 250V的高漣波長壽命耐高溫電容來並聯以解決。這個capacitor 的漣波達到785mA@100kHz,在120Hz時減為275mA(RMS),所以採用2個並聯,耐高溫,在105度C可以有8000小時以上的壽命,非常的耐!至於為什麼需要250V的耐壓?不是100V就夠了嗎？理由是同樣容量規格下通常是耐壓愈高者漣波能力愈好。
電容器的規格書要仔細看,有些47uF/100V的電容都宣稱有600mA的漣波,其實那是在100kHz下的規格,當用於120Hz時,漣波能力只剩下一半!甚至不到。除外,Aluminum polymer (俗稱的OS-CON)也是不錯的選擇,18uF就有2A的漣波能力,只是價錢非常不親民!
這裡千萬不要自作聰明改換什麼 for audio 的電容,通常這種電容,漣波低,壽命短,耐溫也不高。不是一味的換高價品就一定好!
坦白説,我很懷疑許多高價格的電容…,ESR,損失角,漣波…都不敢寫,只有價格很敢寫。
我並不反對換裝金屬化薄膜電容(Metallized film capacitor),雖然我覺得其高頻低阻抗的特性已經被兩個串聯的電感所抵消許多！然而對聲音究竟有多少影響,有興趣者不妨試試。如果您是超級金耳朵,對於換一條線都很敏感的人,不管怎麼說,這是整片板子漣波電流最大的電容,簡單的說,在音響系統中,只要是電流量變化大的元件,其對聲音的影響都不容小覷！WIMA 33uF/100V MKS4應該都放得下這個位置。我在PCB上也預留了這個腳距的孔洞。
C2這枚電容的位置由於更靠近耳擴,對聲音的影響也變得比較重,然而對於漣波的要求並不高,因此選擇了音響等級的電容,這枚nichicon KW 等級 3300uF/100V的電容,長得極度有份量,當然也價格不斐。
輸出端的C3電容,其實已經裝在耳擴板上了,所以電源板的輸出就只裝了0.22uF的薄膜等級以降低高頻阻抗即可。
組裝
組裝前需要有心理建設：這是高電壓的産品,每一步驟都要非常嚴謹。上電前一定要很小心。
先量一下家裡的AC市電,應該要介於110~120之間。低於110V的話可以將兩枚10 Ohm的電阻各自短路,若高於120V的話,可以換成22 Ohm。這兩枚電阻會發熱，組裝時可以不要緊貼着PCB,約離開5mm即可。
按部就班依序組裝
零件由於實在不多,只是有些大型的零件需要用螺絲固定,拜託照着我的建議順序準沒錯，一樣從低矮的零件,先裝電阻,0.22uF,及Fuse,LED(千萬拜託極性不要裝錯,長腳是+),再裝22uF,然後焊上管座及電感,AC座(記得要鎖上螺絲)，變壓器記得先用螺絲鎖緊在PCB上,再焊線，然後裝焊3300uF的電容,我在套件裏附一個小甜甜圈的雙面膠,先撕下一面油性紙,小心黏貼在3300uF的電容上,再撕下另一面油性紙,於安裝此電容畤可以黏貼在PCB上…！
為什麼要裝這個甜甜圈?因為這是一種專門減振用的泡棉,(當然是我定做的)希望能夠減小一些PCB傳來的振動。我很龜毛,可以嗎！
當然,變壓器底部也可以加一塊減振材以減低其振動傳至PCB,這部分就留給您自行DIY了,由於變壓器在長期工作下會有50多度的溫度,不要用一般白色的廉價雙面泡棉膠帶,3M有一些高耐候性的可以選擇。
我覺得這是DIY的樂趣,只要知道原則,自己裝自己改,打造屬於自己的個人化産品。
最後,焊上輸出的DC端子(含線)。正負極性不要裝錯了。(白+,黑-)
全部裝好後先不急著插上真空管,可以插上電源線,打開開關,以三用電表的ACV檔量一下管座4,6腳(屏極)之間的電壓是否為126V左右,而且2,8腳(燈絲)之間的電壓則為5V左右。
如果一切OK,關掉電源,插上5AR4，禱告,再開啓電源,10秒鐘之後應該可以看到板子上的LED被慢慢點亮(這枚LED是我特別挑選超高亮度古典的琥珀色,很有Fu吧！)。此時用三用電表的DCV檔量一下輸出端子的電壓,內正外負,應該會慢慢昇到90V左右,真空管整流就是這樣,電壓是緩緩上昇的。
至此一切順利,就請關掉電源,等LED漸漸息滅後將輸出插到耳擴的電源輸入端,先打開耳擴端的電源開關,再開電源板的開關。此後耳擴板的電源開關就不要再更動,永遠維持ON的位置。
一定要先開耳擴端的電源開關,否則,空載時的高壓會毀掉耳擴板子上的電解電容。
以電表DCV檔測量電源板的DC電壓,應該慢慢上升至40V左右(35V~44V都算OK),除非貴府的市電偏離115V太多(低於110V或高於120V)。如果真的如此,可以修改那兩支10 Ohm的電阻,電壓偏高就加大到22 Ohm,電壓偏低就降低阻值或把它們各自短路。或者乾脆加台ON-LINE UPS！(而且要sine wave 的UPS)
如果一切順利,恭喜您,最後將壓克力及腳墊鎖上，套件內附一片壓克力轉接片，可以將SF801的腳墊拆掉,鎖上轉接片後直接架在SF901 上面，這樣是不是很有整體感！
而5AR4在工作時溫度約有110度,壓克力的熔點160度,足夠安全。接下來,可以好好開始享受音樂了。
試聽
該怎麼説呢?與其說是聽音樂,不如説是聽雜音先,我載上HD800，不插任何的輸入,靜靜享受這寧靜的畤刻!(我經常這樣載著耳機什麼音樂都不放,只聽電路傳來的雜音),為何是HD800,因為其靈敏度夠高,一點點雜訊都會被反應出來。
這個真空管電源真的寂靜無聲。當然有時候真的＂無聲＂並不容易！拿兩個空碗蓋著耳朵都會有嗡嗡聲…(十萬個為什麼?)
享受完了寧靜，這時可以接上音源放幾首熟悉的曲子,先放一首Jackie Evancho 演唱HBO大戲:＂冰與火＂主題曲 ：The Rains of Castamere ,在我寫文章之時(十月中),臺灣應該還未發行這張CD，如果您已經聽過…囹伯輸你！Jackie 的咬字發音非常清楚且完整，每個音符都唱到滿,尤其是英文字的尾音：d,t,s,…這些輕輕的氣音在HD800裏更是清晰,想學英文的小孩可以仔細聽聽,不要跟美國電影學那些亂七八糟的美語。其實歌手只要好好的唱,簡單的歌就很感人了…
就像這首歌詞一樣…音響界也是，每個人都認為自己的爪子比別人的長。唉,感觸良多！
(P．S．YouTube 上有這首歌很棒的MV,另類且不同於一般MV…型男美女蹦蹦跳跳那種…)
器材只是工具,音樂才是目的。每個人喜歡的音樂都不同,有人喜歡古典，有人則瘋狂搖滾！有非爵士不聽者,也有獨鍾情於秘雕的，…於是我們的世界才會如此多元多彩。
再聽一首Jackie 的 My heart will go on, 有別於Celine Dion 的詮釋方式，Jackie 富感情的嗓音，搭配貫穿全曲那盪氣迴腸的小提琴聲音,帶您重回當年的鐡達尼號現場,聽出來了嗎?小提琴手是大名鼎鼎的 Joshua Bell ，他手上的那把小提琴出自著名的Antonio Stradivari (歷史上最偉大的弦樂器製造師)之手,價值超過了1億台幣！…聽到這裡,如果沒有眼眶泛紅+淚流滿面，囡伯真正輸你!
買張CD吧,1億的小提琴聲音,總不是那麼容易聽到的！
很多人號稱聽古典音樂,卻分不出朗朗究竟是用YAMAHA, Bosendorfer(貝森朵夫), 還是Steinway? 你可知Bosendorfer的母公司其實是YAMAHA！!
放首流行曲＂Kasio＂,5~6種樂器幾乎是各彈各的調，隨著歌曲的段落一個接一個導入，配上主唱Taru的特殊嗓音+合聲,竟然可以Mix這麼好，不要小看這簡單的流行曲,編曲真的很厲害。音樂就是這麼神奇！如果是6個人各講各的話,你根本無法聽清楚到底在説什麼！這跟管弦樂所有的樂器都基於同樣的基調一起＂協奏＂的感覺不同。
耳機裏可以清楚的分解每一種樂器及聲部,最後的副歌加上變奏將歌曲帶入最高潮的ending,作曲很高竿。流行樂必須在短短的三分鐘內捉住你的青睞…
人耳有着很強的分析能力,試着去解析人聲背後那些精采的伴奏。
放張Adele的Live at The Royal Albert Hall,盡情轉大音量享受現場的爆棚感!
邀您進入這極黑聲底的真空管迷人世界
等我聽完了一圈,總覺得再多形容詞也無法形容我的感動,這個電源讓真空管耳擴的聲音更上一層樓,音樂透出一種絲絲入扣又帶一點點華麗的迷人光澤！其超低的底噪及動人心弦的真空管聲底,帶您進入另一層完全不同的音樂感受。
最後,附張AP的測試圖(有圖有真相,右上角有Ap字樣)
藍色線是原本Switching adaptor(很低喔!您終於知道我附給SF801的adaptor有多好！)，紅線是SF901(更低),可以看到人耳最敏感的1kHz以上的雜訊只有零點零幾uV(60nV)，是switching adaptor 的幾十分之一！60Hz及120Hz的雜訊較高(卻也恰好落在設計值的0.7mV)，但是人耳對於低音量的低頻反應很差,根據equal-loudness contours 曲線分析(ISO266:2003)，相差近50dB,因此這樣的雜訊已經逼近人耳的聽覺極限了!可自行上網查一下曲線就知道了!
文至此,您應該也了解我的用心良苦,我希望願意動手的DIYer 再次拿起烙鐡來思索,這絶對是非常好的耳擴+電源,除了沒有漂亮的外殼,(號召有這方面專長的有志之士加入)，無論是線路結構,實測數據,用料,聲音表現,都足以譲您面對十倍以上價錢的成品機而不須要覺得汗顔！我想,我再也拿不下這個電源了。Yes,there is no turning back！
kato1208 (kato)
2015/05/23 23:01 #2
真棒的文章，又增長知識了。
dark1975 (Dark Lin)
2015/05/24 00:00 #3
kato1208 :
真棒的文章，又增長知識了。
又是一篇好文章！
bluek (布魯克)
2015/05/25 18:07 #4
dark1975 :
又是一篇好文章！
很棒電源!感謝李前輩分享!
haper (haper)
2015/05/27 22:03 #5
bluek :
很棒電源!感謝李前輩分享!
好文推一個，期待補貨完畢!
AndyLee (AndyLee)
2015/05/28 20:49 #6
剛剛訂了一個，現在還在缺貨中嗎?訂購區上面寫18號可以補貨完畢?
UFO (想不到暱稱)
2015/05/28 21:33 #7
AndyLee :
剛剛訂了一個，現在還在缺貨中嗎?訂購區上面寫18號可以補貨完畢?
上週所有零件都由零件供應商送到協力廠商那裡，可是站長他們去驗收送來的零件時好像對規格有意見，聽說驗退了一批零件回去，詳細內容還是請站長或是有參與驗收的大大來報告吧!
CatKing (貓貓站長)
2015/05/28 22:57 #8
UFO :
上週所有零件都由零件供應商送到協力廠商那裡，可是站長他們去驗收送來的零件時好像對規格有意見，聽說驗退了一批零件回去，詳細內容還是請站長或是有參與驗收的大大來報告吧!
是的~上週交期最久的零件"變壓器"也送達了，不過這批訂做的變壓器在QC那關就被我們的協力廠商擋下來~
接到通知後我們也過去了解，因為這批變壓器電壓輸出不足，所以經過討論之後決定整批退回零件供應商那兒看他們是要REWORK還是重新生產，因此SF-901的生產時間會延後，訂購專區那裡我等一下會去修改，供應商目前還無法確定重新交貨日期，只要零件供應商把符合我們要求的變壓器送過達，我們確認沒問題之後就會請協力廠商馬上生產，麻煩大家再等待一下囉~
KANE (肯尼)
2015/05/29 00:11 #9
實地測量的結果這批變壓器輸出電壓偏低而且溫度比上一批高很多，我們跟協力廠商那裡的工程和品保部門討論之後決定整批退回請供應商處理。
AndyLee (AndyLee)
2015/05/29 12:28 #10
CatKing :
是的~上週交期最久的零件"變壓器"也送達了，不過這批訂做的變壓器在QC那關就被我們的協力廠商擋下來~
接到通知後我們也過去了解，因為這批變壓器電壓輸出不足，所以經過討論之後決定整批退回零件供應商那兒看他們是要REWORK還是重新生產，因此SF-901的生產時間會延後，訂購專區那裡我等一下會去修改，供應商目前還無法確定重新交貨日期，只要零件供應商把符合我們要求的變壓器送過達，我們確認沒問題之後就會請協力廠商馬上生產，麻煩大家再等待一下囉~
我可以等沒關係，有你們替網友把關真好，辛苦了!
emp (阿良)
2015/06/05 19:30 #11
雖然還是半知半解，但總懂了一點皮毛，也知道該注意的細節了，謝謝。
