D類放大器設(shè)計(jì)時(shí)的散熱問題

D類放大器設(shè)計(jì)時(shí)的散熱問題

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，包含樂音和語音，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，而樂音的波峰因數(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)量兩者RMS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

與裸露焊盤相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過孔連到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