D類放大器散熱注意事項

摘要：D類放大器相比AB類放大器具有更高的效率和更好的熱性能。盡管如此，使用D類放大器時仍然需要慎重考慮其散熱。本應(yīng)用筆記分析了D類放大器的熱性能，并通過幾個常見的例子說明了良好的設(shè)計所應(yīng)遵循的原則。

連續(xù)正弦波與音樂

在實驗室評估D類放大器性能時，常使用連續(xù)正弦波作為信號源。盡管使用正弦波進行測量比較方便，但這樣的測量結(jié)果卻是放大器在最壞情況下的熱負(fù)載。如果用接近最大輸出功率的連續(xù)正弦波驅(qū)動D類放大器，則放大器常常會進入熱關(guān)斷狀態(tài)。

常見的音源，包含音樂和語音，其RMS值往往比峰值輸出功率低得多。通常情況下，語音的峰值與RMS功率之比(即波峰因數(shù))為12dB，而音樂的波峰因數(shù)為18dB至20dB。圖1所示為時域內(nèi)音頻信號和正弦波的波形圖，給出了采用示波器測量兩者RMS值的結(jié)果。雖然音頻信號峰值略高于正弦波，但其RMS值大概只有正弦波的一半。同樣，音頻信號可能存在突變，但正如測量結(jié)果所示，其平均值仍遠(yuǎn)低于正弦波。雖然音頻信號可能具有與正弦波相近的峰值，但在D類放大器表現(xiàn)出來的熱效應(yīng)卻大大低于正弦波。因此，測量系統(tǒng)的熱性能時，最好使用實際音頻信號而非正弦波作為信號源。如果只能使用正弦波，則所得到的熱性能要比實際系統(tǒng)差。


圖1. 正弦波的RMS值高于音頻信號的RMS值，意味著用正弦波測試時，D類放大器的發(fā)熱更大。

PCB的散熱注意事項

在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TQFN封裝中，裸露的焊盤是IC散熱的主要途徑。對底部有裸露焊盤的封裝來說，PCB及其敷銅層是D類放大器主要的散熱渠道。如圖2所示，將D類放大器貼裝到常見的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤焊接到大面積敷銅塊。盡可能在敷銅塊與臨近的具有等電勢的D類放大器引腳以及其他元件之間多布一些覆銅。本文的案例中，敷銅層與散熱焊盤的右上方和右下方相連(如圖2)。敷銅走線應(yīng)盡可能寬，因為這將影響到系統(tǒng)的整體散熱性能。


圖2. D類放大器采用TQFN或TQFP封裝時，裸露焊盤是其主要散熱通道。

與裸露焊盤相接的敷銅塊應(yīng)該用多個過孔連到PCB背面的其他敷銅塊上。該敷銅塊應(yīng)該在滿足系統(tǒng)信號走線的要求下具有盡可能大的面積。

盡量加寬所有與器件的連線，這將有益于改善系統(tǒng)的散熱性能。雖然IC的引腳并不是主要的散熱通道，但實際應(yīng)用中仍然會有少量發(fā)熱。圖3給出的PCB中，采用寬的連線將D類放大器的輸出與圖右側(cè)的兩個電感相連。在這種情況下，電感的銅芯繞線也可為D放大器提供額外的散熱通道。雖然對整體熱性能的改善不到10%，但這樣的改善卻會給系統(tǒng)帶來兩種截然不同的結(jié)果 - 即使系統(tǒng)具備較理想的散熱或出現(xiàn)較嚴(yán)重的發(fā)熱。


圖3. D類放大器右邊的寬走線有助于導(dǎo)熱

輔助散熱

當(dāng)D類放大器在較高的環(huán)境溫度下工作時，增加外部散熱片可以改善PCB的熱性能。該散熱片的熱阻必須盡可能小，以使散熱性能最佳。采用底部的裸露焊盤后，PCB底部往往是熱阻最低的散熱通道。IC的頂部并不是器件的主要散熱通道，因此在此安裝散熱片不劃算。圖4給出了一個PCB表貼散熱片(218系列，由Wakefield Engineering提供)。該散熱片焊接在PCB上，是兼顧尺寸、成本、裝配方便性和散熱性能的理想選擇。


圖4. 當(dāng)D類放大器工作在較高環(huán)境溫度下，可能需要如圖示的SMT散熱片(圖片來自Wakefield Engineering)。

熱計算

D類放大器的管芯溫度可以通過一些基本計算進行估計。本例中根據(jù)下列條件計算其溫度：

• TAM = +40°C
• POUT = 16W
• 效率(η) = 87%
• ΘJA = 21°C/W

首先，計算D類放大器的功耗：



然后，通過功耗計算管芯溫度TC，公式如下：



根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以推斷出該器件工作時具有較為理想的性能。因為系統(tǒng)很少能正好工作在+25°C的理想環(huán)境溫度下，因此應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的實際使用環(huán)境溫度進行合理的估算。

負(fù)載阻抗

D類放大器MOSFET輸出級的導(dǎo)通電阻會影響它的效率和峰值電流能力。降低負(fù)載的峰值電流可減少MOSFET的I2R損耗，進而提高效率。要降低峰值電流，應(yīng)在保證輸出功率，以及D類放大器的電壓擺幅以及電源電壓的限制的條件下，選擇最大阻抗的揚聲器，如圖5所示。本例中，假設(shè)D類放大器的輸出電流為2A，電源電壓范圍為5V至24V。電源電壓大于等于8V時，4Ω的負(fù)載電流將達到2A，相應(yīng)的最大連續(xù)輸出功率為8W。如果8W的輸出功率能滿足要求，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(fù)載的工作效率要比4Ω負(fù)載的高出10%到15%，降低了功耗。實際效率的提高根據(jù)不同D類放大器而異。雖然大多數(shù)揚聲器的阻抗都采用4Ω或8Ω，但也可采用其他阻抗的揚聲器實現(xiàn)更高效的散熱。


圖5. 選擇最佳的阻抗和電源電壓使輸出功率最大。

另外還需要注意音頻帶寬內(nèi)負(fù)載阻抗的變化。揚聲器是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，具有多種諧振元件。換言之，8Ω的揚聲器只在很窄的頻帶內(nèi)才呈現(xiàn)出8Ω阻抗。在大部分音頻帶寬內(nèi)，阻抗都會大于其標(biāo)稱值，如圖6示。在大部分音頻帶寬內(nèi)，該揚聲器的阻抗都會遠(yuǎn)大于其8Ω的標(biāo)稱值。然而，高頻揚聲器和分頻網(wǎng)絡(luò)的存在將降低阻抗值。因此必須考慮系統(tǒng)的總阻抗以確保足夠的電流驅(qū)動能力和散熱性能。


圖6. 8Ω阻抗、13cm口徑揚聲器的阻抗隨頻率改變而急劇變化。

結(jié)論

D類放大器的效率相比AB類放大器有很大提高。雖然這一效率優(yōu)勢降低了系統(tǒng)設(shè)計時對散熱性能設(shè)計的要求，但仍然不能完全忽視系統(tǒng)散熱。但是，如果能夠遵循良好的設(shè)計原則并且設(shè)定合理的設(shè)計目標(biāo)，使用D類放大器可使音頻系統(tǒng)設(shè)計更簡單。