D类放大器的散热考虑

2006-07-10 14:53:52来源: EDN China
与AB类放大器相比,D类放大器有更好的效率和热性能,但实现一个D类放大器仍然需要注意良好的电气设计与热设计方法。大多数工程师使用一种连续的正弦波输入信号,在实验室中评估D类放大器的性能。尽管正弦波用于测量时很方便,但对放大器热负荷却是一种最糟的情况。如果你用近乎最大输出功率的连续正弦波驱动一个D类放大器,则放大器会经常进入热关断状态。

典型的音频节目中包含音乐和语音,它们的均方根(rms)值要比峰值输出功率低得多。一般来说,峰值与rms功率之比(或波峰因数)一般对语音平均为12 dB,而对乐器平均为18 dB~20 dB。图1为使用时域示波器对一个音频信号和一个正弦波的rms电压的测量情况。虽然音频信号对应有突发的音乐,但它的峰值只略高于正弦波,而rms值则几乎只有一半,均值仍远低于正弦波。在一个D类放大器上,音频信号的热效应要大大低于正弦波,因此,在测试性能时一定要使用音频信号,而不要用正弦波。


在工业标准的TQFN封装中,底面裸露的焊盘是IC散热的主要通道,热量通过它传入作为散热片的放大器所在印制电路板铜箔区。将IC焊在大面积铜焊盘上有助于减少热阻,还可以用多个过孔将热量传导到PC电路板的另一侧,再用更多铜箔面积来进一步降低热阻。除此以外,可以将器件的任何管脚连接到热传送区,使这些脚与热焊盘之间有相同的电势,如图2右上方和右下方的引脚。


虽然IC的引脚并不是主要的导热通道,但它们也能散发少量热量,因此,连接IC的所有走线都应尽量宽。图3显示IC输出的宽走线连接到两个电感上。这种情况下,电感的铜绕线也可以为D放大器提供额外的散热通道。热耗散性能即使只改进几个百分点,也会在可接受的性能实现和遇到的热问题之间产生明显差别。如要进一步降低热阻,可以在邻近IC的印制电路板上焊一个散热片。例如,Wakefield Engineering的218系列散热片有较低的边沿,可以形成传导通道。


一些基本计算可以帮助你估计出D类放大器IC裸芯温度。例如,考虑一个工作在40℃环境温度下的放大器,输出功率为16W,效率为87%。假定IC结点到环境空气的热阻为21℃/W。首先,计算D类放大器的功耗:PDISS=[(POUT/h)-POUT]=(16W/87%)-16W=2.4W,其中,PDISS是耗散功率,POUT是输出功率,而h是效率。用功耗计算出裸芯温度TC如下:TC=TA+PDISS×ΘJA=40℃+2.4W×21℃/W=90.4℃,这个值是在150℃的器件最大结温之内。系统很少能舒适地工作在25℃环境温度中,重要的是在计算前,要对系统的实际内部环境温度作出合理的估计。

D类放大器MOSFET输出级的导通电阻会影响到它的效率与峰值电流能力。降低峰值负载电流可以减少无限脉冲响应(I2R)损耗,提高MOSFET 的效率。如果要进一步降低峰值电流,可以选择最高阻值的扬声器,它可以在D类放大器电压摆幅极限和供电电压内提供所需的输出功率。在图4中,D类放大器具有2A的输出电流能力,供电电压范围为5V~24V,用一个4Ω负载和8V供电电压就可限制电流,对应的最大连续输出为8W。


如果8W输出功率是可以接受的,则可以考虑使用一个12Ω扬声器和15V供电电压。此时的峰值电流限制在1.25A,对应的最大连续输出功率为9.4W。此外,12Ω负载的工作效率要比4Ω负载高出10%~15%,因而也能降低IC功耗。实际的效率提高值会根据不同D类放大器IC而变化。

扬声器是一个复杂的机电系统,它在自己的频率范围内表现出不同的谐振特性,而只在很窄的频带内才呈现出标称阻抗,这一点经常让设计者摸不着头脑(图5)。在多数音频带宽上,该扬声器的阻抗都会超出它的8Ω标称值,增加一个交叉网络和高频扬声器会使总负载阻抗低于标称值。当考虑放大器电源电流和热耗散能力时,一定要牢记负载的阻抗特性。

关键字:热设计  功率  测量

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/fdq/200607/2203.html
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