D類放大器散熱原理

     與AB類放大器相比，D類放大器有更好的效率和熱性能，但實現(xiàn)一個D類放大器仍然需要注意良好的電氣設(shè)計與熱設(shè)計方法。大多數(shù)工程師使用一種連續(xù)的正弦波輸入信號，在實驗室中評估D類放大器的性能。盡管正弦波用于測量時很方便，但對放大器熱負荷卻是一種最糟的情況。如果你用近乎最大輸出功率的連續(xù)正弦波驅(qū)動一個D類放大器，則放大器會經(jīng)常進入熱關(guān)斷狀態(tài)。

典型的音頻節(jié)目中包含音樂和語音，它們的均方根(rms)值要比峰值輸出功率低得多。一般來說，峰值與rms功率之比（或波峰因數(shù)）一般對語音平均為12 dB，而對樂器平均為18 dB~20 dB。圖1為使用時域示波器對一個音頻信號和一個正弦波的rms電壓的測量情況。雖然音頻信號對應(yīng)有突發(fā)的音樂，但它的峰值只略高于正弦波，而rms值則幾乎只有一半，均值仍遠低于正弦波。在一個D類放大器上，音頻信號的熱效應(yīng)要大大低于正弦波，因此，在測試性能時一定要使用音頻信號，而不要用正弦波。

在工業(yè)標準的TQFN封裝中，底面裸露的焊盤是IC散熱的主要通道，熱量通過它傳入作為散熱片的放大器所在印制電路板銅箔區(qū)。將IC焊在大面積銅焊盤上有助于減少熱阻，還可以用多個過孔將熱量傳導(dǎo)到PC電路板的另一側(cè)，再用更多銅箔面積來進一步降低熱阻。除此以外，可以將器件的任何管腳連接到熱傳送區(qū)，使這些腳與熱焊盤之間有相同的電勢，如圖2右上方和右下方的引腳。

雖然IC的引腳并不是主要的導(dǎo)熱通道，但它們也能散發(fā)少量熱量，因此，連接IC的所有走線都應(yīng)盡量寬。圖3顯示IC輸出的寬走線連接到兩個電感上。這種情況下，電感的銅繞線也可以為D放大器提供額外的散熱通道。熱耗散性能即使只改進幾個百分點，也會在可接受的性能實現(xiàn)和遇到的熱問題之間產(chǎn)生明顯差別。如要進一步降低熱阻，可以在鄰近IC的印制電路板上焊一個散熱片。例如，Wakefield Engineering的218系列散熱片有較低的邊沿，可以形成傳導(dǎo)通道。

一些基本計算可以幫助你估計出D類放大器IC裸芯溫度。例如，考慮一個工作在40℃環(huán)境溫度下的放大器，輸出功率為16W，效率為87%。假定IC結(jié)點到環(huán)境空氣的熱阻為21℃/W。首先，計算D類放大器的功耗：P_DISS=[(P_OUT/h)-P_OUT]=(16W/87%)-16W=2.4W，其中，P_DISS是耗散功率，P_OUT是輸出功率，而h是效率。用功耗計算出裸芯溫度T_C如下：T_C=T_A+P_DISS×Θ_JA=40℃+2.4W×21℃/W=90.4℃，這個值是在150℃的器件最大結(jié)溫之內(nèi)。系統(tǒng)很少能舒適地工作在25℃環(huán)境溫度中，重要的是在計算前，要對系統(tǒng)的實際內(nèi)部環(huán)境溫度作出合理的估計。

D類放大器MOSFET輸出級的導(dǎo)通電阻會影響到它的效率與峰值電流能力。降低峰值負載電流可以減少無限脈沖響應(yīng)（I²R）損耗，提高MOSFET 的效率。如果要進一步降低峰值電流，可以選擇最高阻值的揚聲器，它可以在D類放大器電壓擺幅極限和供電電壓內(nèi)提供所需的輸出功率。在圖4中，D類放大器具有2A的輸出電流能力，供電電壓范圍為5V~24V，用一個4Ω負載和8V供電電壓就可限制電流，對應(yīng)的最大連續(xù)輸出為8W。

如果8W輸出功率是可以接受的，則可以考慮使用一個12Ω揚聲器和15V供電電壓。此時的峰值電流限制在1.25A，對應(yīng)的最大連續(xù)輸出功率為9.4W。此外，12Ω負載的工作效率要比4Ω負載高出10%~15%，因而也能降低IC功耗。實際的效率提高值會根據(jù)不同D類放大器IC而變化。

揚聲器是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，它在自己的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的諧振特性，而只在很窄的頻帶內(nèi)才呈現(xiàn)出標稱阻抗，這一點經(jīng)常讓設(shè)計者摸不著頭腦（圖5）。在多數(shù)音頻帶寬上，該揚聲器的阻抗都會超出它的8Ω標稱值，增加一個交叉網(wǎng)絡(luò)和高頻揚聲器會使總負載阻抗低于標稱值。當考慮放大器電源電流和熱耗散能力時，一定要牢記負載的阻抗特性。