D類放大器散熱注意事項

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。

pcb的散熱注意事項

在工業(yè)標準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。

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)較嚴重的發(fā)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。

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() = 87%
ja = 21°c/w

首先， 計算d類放大器的功耗：

負載阻抗

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，4的負載電流將達到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12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，12負載的工作效率要比4負載的高出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4或8，但也可采用其他阻抗的揚聲器實現(xiàn)更高效的散熱。