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音樂伺服器為何要用線性電源?從開關電源噪聲到全 24P 線性供電

VV Audio Lab  · 

重點:音樂伺服器本質上是一台電腦,它的時鐘、網卡與 USB 輸出全部由電源供電。開關電源效率高,但輸出上帶着高頻紋波與共模噪聲;線性電源沒有高速開關動作,噪聲低得多。而且必須「每一路」都是線性,否則主板上的 DC-DC 會把開關噪聲重新帶回來。

先問一個問題:一台數碼音樂伺服器,為何要用上幾十斤重的線性電源?數碼訊號不就是 0 和 1 嗎?

音樂伺服器的本質是一台電腦

主板、記憶體、固態硬碟、網卡,全部都靠電源供電。數碼訊號是 0 和 1,但承載它們的,是實實在在的類比電壓。

電壓一抖,時鐘的邊沿就跟着抖,這就是 Jitter(抖動)。它最終會變成你聽到的毛刺、聲音發硬,以及模糊的聲場。關於時鐘與 Jitter 的原理,可參閱《Jitter 是甚麼?》。

開關電源:效率高,代價是噪聲

一般電腦使用開關電源(SMPS)。它靠每秒數萬至數十萬次的高速開關來變壓,效率很高、體積細小。

代價是:輸出上永遠騎着一層高頻紋波,還有沿着地線四處流竄的共模噪聲。這些噪聲會順着供電與地平面,直接爬進時鐘電路、網卡和 USB 輸出。對音響系統來說,這是從源頭開始的污染。

線性電源:變壓、整流、濾波、穩壓

線性電源走的是另一條路:

  1. 變壓:以工頻變壓器把市電降壓;
  2. 整流:把交流變成脈動直流;
  3. 濾波:用大容量電容把脈動壓平;
  4. 穩壓:最後由線性穩壓器把電壓穩定在目標值。

全程沒有高速開關動作,所以不會產生高頻開關噪聲,輸出阻抗也低得多。代價是變壓器與散熱器又大又重,效率較低,多出來的能量會變成熱。

技術解析 01:24 路全線性 ATX 電源(約 3 分鐘,普通話旁白)

規格怎樣讀:紋波、PSRR 與瞬態響應

談電源好壞,不能只說「乾淨」。以下是 Vanadium II 電源的實測規格,以及每一項代表甚麼:

項目Vanadium II代表甚麼
靜態紋波≈ 200μV負載穩定時,輸出電壓上殘留的波動。越小越好。
動態紋波≤ 9mV負載變化時(例如 CPU 突然工作)輸出的波動。
瞬態響應電壓浪湧±9mV 以內負載突變的一刻,電壓最多偏離多少。
恢復時間≤ 300μs偏離後多快回到穩定值。
PSRR(1kHz–25kHz)85dB – 55dB穩壓器把輸入端波動擋住多少。85dB ≈ 縮小約 17,800 倍;55dB ≈ 約 560 倍。
噪聲水平≤ 100μVRMS輸出上的隨機噪聲總量。

穩壓部分採用 12 片由貿澤(Mouser)採購的原裝凌特(Linear Technology)LT3083。這是一款可承載大電流的低壓差線性穩壓器,內阻低、瞬態響應快,同時維持極低的輸出紋波。

行業裏很少被說破的問題:只做一路 12V

市面上大多數所謂「線性電源」音樂伺服器,只做了一路 12V。其餘的 5V、3.3V,是靠主板上的 DC-DC 降壓模組轉出來的。

而 DC-DC 本身就是開關電路。等於你在機箱外面趕走了開關電源,又在主板上把它請了回來。

全 24P:ATX 的每一路都由線性電源獨立供給

所以 Vanadium II 做的是全 24P:ATX 24 針接口上的每一路——12V、5V、3.3V、−12V,以及 5V 待機(5VSB)——都由線性電源獨立供給,各自擁有獨立的變壓器次級繞組、獨立的整流與穩壓。

不同電壓的零件分開供電,從源頭把它們隔開,整體的穩定度、瞬態響應與訊噪比都能大幅提升。各路之間不共用回路,所以 CPU 突然滿載時的電流衝擊,不會把供給時鐘的那一路一起拖低。

難點在時序

ATX 規範要求各路電壓按次序建立,再送出「Power Good」訊號,主板才會啟動。全線性要把這一步做對,遠比接一路 12V 複雜。

聽得到的分別

把每一路都做乾淨之後,我們聽到的變化不是某個頻段變得更好聽,而是背景變黑了:弱音細節浮現出來,聲像定位收緊,長時間聆聽也不覺疲累。這就是一台數碼音源應有的底子。

Vanadium II

全 24P 多路線性電源、OCXO 全機同步時鐘、CNC 鋁合金屏蔽機箱。

了解 Vanadium II

常見問題

線性電源一定比開關電源好嗎?

就效率、體積與成本而言,開關電源更好,所以電腦與手機都用它。線性電源的優勢在於沒有高速開關動作,不產生高頻開關噪聲,對噪聲極敏感的音頻設備更合適;代價是更重、更熱、更貴。

外置一個 12V 線性電源,是否已經足夠?

不一定。主板仍要把 12V 轉成 5V、3.3V 等電壓,這一步通常由板上的 DC-DC 降壓電路完成,而 DC-DC 本身就是開關電路。要真正避免開關噪聲,ATX 的每一路電壓都需要線性供電。

PSRR 85dB 是甚麼意思?

PSRR(電源抑制比)表示穩壓器把輸入端的波動擋住多少。85dB 約等於把 1kHz 的輸入紋波縮小約一萬七千倍;頻率越高,PSRR 通常越低,Vanadium II 在 25kHz 時為 55dB,約五百六十倍。

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