運(yùn)放的最大功率消耗受限于什么因素

前段時(shí)間看了一款運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其中“絕對(duì)額定最大值”一節(jié)，有個(gè)“最大功率消耗”部分，寫(xiě)的非常簡(jiǎn)練。所以在這里將它的要點(diǎn)整理下來(lái)，加深理解。

我始終認(rèn)為，使用某個(gè)器件前，將它的數(shù)據(jù)手冊(cè)大致過(guò)一遍是很明智的行為。很多工程師，特別是做硬件的新手，只是按照典型電路把原理圖繪制出來(lái)，就算是設(shè)計(jì)好了。這樣做存在很大風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槠骷赡軙?huì)被用錯(cuò)，導(dǎo)致可靠性問(wèn)題甚至無(wú)法正常運(yùn)行。

比如，AMS1117型號(hào)的LDO，很多工程師都用過(guò)，但是很少用人注意過(guò)，它的數(shù)據(jù)手冊(cè)里提到了輸出電容需要用鉭電容等ESR較大的電容，陶瓷電容是不行的，否則可能會(huì)有穩(wěn)定性問(wèn)題（我就見(jiàn)過(guò)）。因?yàn)檫@類(lèi)LDO的環(huán)路是通過(guò)輸出電容的ESR去控制的，但ESR也不能太大。如果遇到了問(wèn)題，才想起來(lái)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，那就是亡羊補(bǔ)牢了。

圖1 AMS1117的輸出電容部分

在《硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》一書(shū)中，作者也談?wù)摿诉@個(gè)問(wèn)題。他講，事實(shí)上，經(jīng)驗(yàn)越豐富的工程師，使用某款器件前，越是會(huì)認(rèn)真閱讀它的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

那么運(yùn)放的最大功率消耗受限于什么因素呢？ 受限于運(yùn)放封裝模具（die）上的結(jié)溫。玻璃的轉(zhuǎn)化溫度大約是150℃，在這個(gè)溫度下，塑料會(huì)改變它自身的性質(zhì)。即使只是短暫的超過(guò)了這個(gè)最大溫度限制，也會(huì)改變封裝施加在模具（die）上的壓力，一些參數(shù)將會(huì)受到影響，比如Ibs本來(lái)2pA，超過(guò)結(jié)溫150℃后，Ibs變成了1nA（方便理解而舉的例子，可能不符合事實(shí)）。如果結(jié)溫超過(guò)150℃幾個(gè)周期，那么可能會(huì)導(dǎo)致芯片失效。

運(yùn)放的功率計(jì)算分為兩個(gè)部分，一個(gè)是它本身的靜態(tài)功率，一個(gè)是由于負(fù)載運(yùn)放自身的損耗，兩個(gè)部分相加即為運(yùn)放自身一共消耗的功率 。靜態(tài)功率就是電源電壓（即Vp-Vn）乘以它的靜態(tài)電流。運(yùn)放的靜態(tài)電流一般在一兩個(gè)毫安到二十幾個(gè)毫安，高速運(yùn)放的靜態(tài)電流一般偏大。我最近選型的一款高速運(yùn)放，它的靜態(tài)電流有28mA，當(dāng)±5V供電時(shí)。有意思的是，一般高速運(yùn)放的電壓噪聲密度會(huì)比較低，如三四個(gè)nV/sqrt（Hz）。

由于負(fù)載，運(yùn)放自身的功率消耗是跟不同的應(yīng)用有關(guān)系的，交流或者直流。運(yùn)放的輸出電流，以及由于負(fù)載運(yùn)放自身的壓降，二者的乘積即為第二部分功率。這個(gè)電壓和電流要用有效值，所以直流應(yīng)用比較容易計(jì)算功率。

電路書(shū)里面會(huì)有最大功率傳輸?shù)膬?nèi)容，以直流應(yīng)用為例，運(yùn)放輸出電壓多少時(shí)候，它的功率最高呢？結(jié)果參見(jiàn)圖2。

圖2 運(yùn)放的直流應(yīng)用時(shí)，輸出電壓在電源電壓中間時(shí)，功率是最大的。低功率應(yīng)用需注意。（這里的RL包括是負(fù)載電阻與反饋電阻的并聯(lián)）

運(yùn)放的功率消耗組成已經(jīng)知道了，靜態(tài)功率與運(yùn)放由于負(fù)載造成的功率，二者相加即可?，F(xiàn)在很多仿真軟件可以很方便的仿真運(yùn)放電路的功率了，比如LTspice。交流應(yīng)用的時(shí)候很方便。

前面已經(jīng)知道了，運(yùn)放的最大功率受限于它的結(jié)溫。知道我們的運(yùn)放電路功率以后，乘以它的熱阻（θJA，環(huán)境到結(jié)的熱阻 ），加上環(huán)境溫度后就可以知道結(jié)溫了。不同封裝的θJA是不同的，一般封裝越大，θJA越大。另外可以通過(guò)裸露焊盤(pán)打過(guò)孔接地等方式進(jìn)一步減小θJA。

圖3 環(huán)境到結(jié)的熱阻模型

最后總結(jié)一下。使用運(yùn)放的時(shí)候要記住，決不能夠超過(guò)結(jié)溫，最大功率正是受限于它。所以可以看到很多大功率應(yīng)用都會(huì)加風(fēng)扇和散熱片等進(jìn)行降溫（減小θJA）。知道估算功率的方法后，遇到相關(guān)電路就可以借助仿真軟件完成功率計(jì)算；因?yàn)橛行?yīng)用比如輸入信號(hào)為脈沖，它的最大功率手算比較麻煩。工程師的價(jià)值在于保時(shí)保量做出有用的東西來(lái)，而不在于算術(shù)。另外，使用器件前，特別是以前從沒(méi)接觸過(guò)的器件，最好認(rèn)真閱讀下它的說(shuō)明書(shū)，做到心中有數(shù)。