D類音頻功率放大器的熱耗散分析

多媒體產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須提供高質(zhì)量的音頻效果，包括高輸出揚(yáng)聲器模式。這些地方更需要系統(tǒng)的音頻放大器。

線性放大器的效率為50%，所以輸出功率的稍許增加，就會(huì)導(dǎo)致電流損耗大幅度的增大以及過度的熱耗散，從而導(dǎo)致需要大體積的散熱片。在汽車音響系統(tǒng)中，空間和成本都是非常寶貴的，因而這些熱耗散因素的花費(fèi)是相當(dāng)昂貴的。

然而，D類放大器在輸出功率為最大值時(shí)有最大的功耗。播放音樂時(shí)，放大器達(dá)到輸出功率峰值的時(shí)間很短，因而降低了RMS輸出功率。這一特征使其可以使用一個(gè)比線性放大器小得多的散熱片，因而成為用于汽車OEMs的極大優(yōu)勢(shì)。主單位可以在不需要昂貴的外部放大器的情況下提供額外的輸出通道。另外，有相當(dāng)高的音質(zhì)，封裝和熱發(fā)生器的成本降至最低，并且在電源上有所節(jié)省。

D類放大器的散熱片可以根據(jù)輸出功率的半峰值安全地設(shè)計(jì)尺寸。但是，設(shè)計(jì)師們?nèi)员仨毚_定準(zhǔn)確的散熱片的尺寸，成本和應(yīng)用。放大器的PCB設(shè)計(jì)也可以用于減小散熱量。采用大規(guī)模集成電路的銅墊以及連接IC的所有最寬的PC走線可以最大限度的降低功耗。

D類輸出晶體管在一個(gè)從全“開”到全“關(guān)”的開關(guān)模式下運(yùn)行，在線性區(qū)域花費(fèi)很少的時(shí)間，所以用于熱損耗的功率非常少。如果晶體管的電阻很低，通過它們的壓降小，會(huì)更進(jìn)一步地降低功耗。

有兩個(gè)晶體管“開”的典型的D類放大器的直流等效電路只是一連串的串聯(lián)電阻：RON，每個(gè)晶體管的輸出傳導(dǎo)損耗;RP，金屬互連線，引線結(jié)構(gòu)和PC板走線的附加電阻;PL，負(fù)載電阻(圖1)。另一個(gè)產(chǎn)生功耗的是輸出電阻中的開關(guān)延遲(圖2)。整個(gè)系統(tǒng)的效率使可以估算如下：

例如，假設(shè)驅(qū)動(dòng)4Ω低音擴(kuò)音器的一雙通道D類放大器在60℃的環(huán)境中運(yùn)行，效率為全功率的90%，不需要14V的直流電源，有一個(gè)5°/W的IC結(jié)點(diǎn)電阻(ΘJA)。對(duì)于一個(gè)正弦信號(hào)，輸出的峰值電流的極限為：

這符合PLOAD PEAK=I2PEAKRL=49W/通道的輸出峰值功率，和PLOAD RMS=PLOAD PEAK/2=24.5W/通道的RMS輸出功率。采用效率公式：

總的熱耗散約6W。

最高的結(jié)點(diǎn)溫度與放大器的性能沒有直接的關(guān)系。但是，結(jié)點(diǎn)溫度對(duì)確定散熱片的尺寸則意義重大，因?yàn)楦叩腡J可處理更高的功耗。模具的溫度是TJ=TA+PDISS×ΘJA=90℃，這個(gè)值小于器件的最大結(jié)點(diǎn)溫度150℃。

采用音樂信號(hào)的實(shí)際例子中，設(shè)計(jì)師必須考慮信號(hào)的平均值的最大振幅(波峰因子)。一個(gè)典型的音樂信號(hào)的波峰因子為3~10。以分貝作為單位，就是10~20dB[PdB=20log10(VPEAK/VREF)]。所以為了使音樂信號(hào)的最大部分能通過而不失真，相對(duì)于一般的功率輸出，放大器需要10~20dB的動(dòng)態(tài)空間。

當(dāng)D類放大器的工作電壓為14V時(shí)，可出現(xiàn)98W的峰值。轉(zhuǎn)換為分貝是：

減去波峰因子的限制，可得到不失真輸出的平均聲音水平：

轉(zhuǎn)換成RMS輸出功率：

當(dāng)PPEAK為98W，RMS輸出功率為955mW時(shí)，總功耗為0.2W，最大結(jié)點(diǎn)溫度為61℃。當(dāng)RMS輸出功率為10W時(shí)，總功耗為2.2W，最大結(jié)點(diǎn)溫度為71℃。因此，一個(gè)沒有失真的音頻CD信號(hào)的最大功耗發(fā)生在平均聲音為4dB時(shí)。

這些例子表明，正弦信號(hào)比真正的音頻信號(hào)引起的功耗更大。因此，正弦信號(hào)可以作為極端熱測(cè)試的負(fù)載，使得放大器因發(fā)熱而關(guān)閉。