精品文檔-下載后可編輯D類放大器散熱注意事項-基礎電子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計所應遵循的原則。

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，但這樣的測量結果卻是放大器在壞情況下的熱負載。如果用接近輸出功率的連續(xù)正弦波驅動D類放大器，則放大器常常會進入熱關斷狀態(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)出來的熱效應卻大大低于正弦波。因此，測量系統(tǒng)的熱性能時，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，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該用多個過孔連到PCB背面的其他敷銅塊上。該敷銅塊應該在滿足系統(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。

圖3.D類放大器右邊的寬走線有助于導熱

輔助散熱

當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。采用底部的裸露焊盤后，PCB底部往往是熱阻的散熱通道。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WakefieldEngineering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WakefieldEngineering)

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：

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。

負載阻抗

D類放大器MOSFET輸出級的導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，選擇阻抗的揚聲器，如圖5所示。本例中，假設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，相應的連續(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，對應的連續(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。

圖5.選擇的阻抗和電源電壓使輸出功率

另外還需要注意音頻帶寬內負載阻抗的變化。揚聲器是一個復雜的機電系統(tǒng)，具有多種諧振元件。換言之，8的揚聲器只在很窄的頻帶內才呈現(xiàn)出8阻抗。在大部分音頻帶寬內，阻抗都會大于其標稱值，如圖6示。在大部分音頻帶寬內，該揚聲器的阻抗都會遠大于其8的標稱值。然而，高頻揚聲器和分頻網(wǎng)絡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動能力和散熱性能。

圖6.8阻抗、13cm口徑揚聲器的阻抗隨頻率改變而急劇變