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D類放大器的散熱考慮

發(fā)布時(shí)間:2012-04-09

中心議題:

  • D類放大器的PCB的散熱考慮
  • D類放大器的輔助散熱
  • D類放大器的負(fù)載阻抗

解決方案:

  • D類放大器采用TQFN或TQFP封裝時(shí),裸露焊盤是其主要散熱通道
  • 選擇最佳的阻抗和電源電壓使輸出功率最大
  • D類放大器右側(cè)較寬的布線有助于導(dǎo)熱


在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估D類放大器性能時(shí),常使用連續(xù)正弦波作為信號(hào)源。盡管使用正弦波進(jìn)行測(cè)量比較方便,但這樣的測(cè)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(dòng)D類放大器,則放大器常常會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

常見的音源,包含樂(lè)音和語(yǔ)音,其RMS值往往比峰值輸出功率低得多。通常情況下,語(yǔ)音的峰值與RMS功率之比(即波峰因數(shù))為12dB,而樂(lè)音的波峰因數(shù)為 18~20dB。圖1為時(shí)域內(nèi)音頻信號(hào)和正弦波的波形圖,給出了采用示波器測(cè)量?jī)烧逺MS值的結(jié)果。雖然音頻信號(hào)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(hào)可能存在突變,但正如測(cè)量結(jié)果所示,其平均值仍遠(yuǎn)低于正弦波。雖然音頻信號(hào)可能具有與正弦波相近的峰值,但D類放大器表現(xiàn)出來(lái)的熱效應(yīng)卻大大低于正弦波。因此,測(cè)量系統(tǒng)的熱性能時(shí),最好使用實(shí)際音頻信號(hào)而非正弦波作為信號(hào)源。如果只能使用正弦波,則所得到的熱性能要比實(shí)際系統(tǒng)差。
 


圖1    正弦波的RMS值高于音頻信號(hào)的RMS值


PCB的散熱考慮


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(duì)于底部有裸露焊盤的封裝,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(shì)的D類放大器引腳以及其他元件之間多布一些敷銅。本文的案例中,敷銅層與散熱焊盤的右上方和右下方相連(見圖2)。敷銅走線應(yīng)盡可能寬,因?yàn)檫@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(shí),裸露焊盤是其主要散熱通道

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與裸露焊盤相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過(guò)孔連到PCB背面的其他敷銅塊上,并應(yīng)該在滿足系統(tǒng)信號(hào)走線的要求下具有盡可能大的面積。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(shí)際應(yīng)用中仍然會(huì)有少量發(fā)熱。圖3所示的PCB中,寬連線將D類放大器的輸出與圖右側(cè)的兩個(gè)電感相連。在這種情況下,電感的銅芯繞線也可為D類放大器提供額外的散熱通道。雖然對(duì)整體熱性能的改善不到10%,但這樣的改善卻會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)兩種截然不同的結(jié)果—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類放大器右側(cè)較寬的布線有助于導(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(shí),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。

熱計(jì)算

D類放大器的管芯溫度可以通過(guò)一些基本計(jì)算進(jìn)行估計(jì)。本例中根據(jù)下列條件計(jì)算其溫度:
· TAM= +40℃
· POUT= 16W
· η = 87%
· θJA= 21℃/W

首先,計(jì)算D類放大器的功耗:
  (1)
然后,通過(guò)功耗計(jì)算管芯溫度TC,公式如下:
TC=TA+PDISS×θJA= 40℃+2.4W×21℃/W=90.4℃          (2)

根據(jù)這些數(shù)據(jù),可以推斷出該器件工作時(shí)具有較為理想的性能。因?yàn)橄到y(tǒng)很少能正好工作在25℃的理想環(huán)境溫度下,因此應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際使用環(huán)境溫度進(jìn)行合理的估算。

負(fù)載阻抗

D 類放大器MOSFET輸出級(jí)的導(dǎo)通電阻會(huì)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M(fèi)OSFET的I2R損耗,進(jìn)而提高效率。要降低峰值電流,應(yīng)在保證輸出功率, 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(yáng)聲器,如圖4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 5~24V。電源電壓大于等于8V時(shí),4Ω的負(fù)載電流將達(dá)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(gè) 12Ω揚(yáng)聲器和15V供電電壓,此時(shí)的峰值電流限制在1.25A,對(duì)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%~15%。實(shí)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(yáng)聲器的阻抗都采用4Ω或8Ω,但也可采用其他阻抗的揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)更高效的散熱。
 


圖4    選擇最佳的阻抗和電源電壓使輸出功率最大

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另外還需要注意音頻帶寬內(nèi)負(fù)載阻抗的變化。揚(yáng)聲器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),具有多種諧振元件。換言之,8Ω的揚(yáng)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(huì)大于其標(biāo)稱值,如圖5示。在大部分音頻帶寬內(nèi),該揚(yáng)聲器的阻抗都會(huì)遠(yuǎn)大于其8Ω的標(biāo)稱值。然而,高頻揚(yáng)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(dòng)能力和散熱性能。
 


圖5    8Ω阻抗、13cm口徑揚(yáng)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(shì)降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)散熱性能設(shè)計(jì)的要求,但仍然不能完全忽視系統(tǒng)散熱性能。如果能夠遵循良好的設(shè)計(jì)原則并且設(shè)定合理的設(shè)計(jì)目標(biāo),使用D類放大器可使音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。

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