D类功放IC应用设计散热注意事项
发布日期:2024-02-12
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D类放大器相比AB类放大器具有更高的效率和更好的热性能。尽管如此，使用D类放大器时仍然需要慎重考虑其散热。本应用笔记分析了D类放大器的热性能，并通过几个常见的例子说明了良好的设计所应遵循的原则。
连续正弦波与音乐
在实验室评估D类放大器性能时，常使用连续正弦波作为信号源。尽管使用正弦波进行测量比较方便，但这样的测量结果却是放大器在最坏情况下的热负载。如果用接近最大输出功率的连续正弦波驱动D类放大器，则放大器常常会进入热关断状态。
常见的音源，包含音乐和语音，其RMS值往往比峰值输出功率低得多。通常情况下，语音的峰值与RMS功率之比(即波峰因数)为12dB，而音乐的波峰因数为18dB至20dB。图1所示为时域内音频信号和正弦波的波形图，给出了采用示波器测量两者RMS值的结果。虽然音频信号峰值略高于正弦波，但其RMS值大概只有正弦波的一半。同样，音频信号可能存在突变，但正如测量结果所示，其平均值仍远低于正弦波。虽然音频信号可能具有与正弦波相近的峰值，但在D类放大器表现出来的热效应却大大低于正弦波。因此，测量系统的热性能时，最好使用实际音频信号而非正弦波作为信号源。如果只能使用正弦波，则所得到的热性能要比实际系统差。
图1. 正弦波的RMS值高于音频信号的RMS值，意味着用正弦波测试时，D类放大器的发热更大 (点击放大图片)
PCB的散热注意事项
在工业标准TQFN封装中，裸露的焊盘是IC散热的主要途径。对底部有裸露焊盘的封装来说，PCB及其敷铜层是D类放大器主要的散热渠道。如图2所示，将D类放大器贴装到常见的PCB，最好根据以下原则：将裸露焊盘焊接到大面积敷铜块。尽可能在敷铜块与临近的具有等电势的D类放大器引脚以及其他元件之间多布一些覆铜。本文的案例中，敷铜层与散热焊盘的右上方和右下方相连(如图2)。敷铜走线应尽可能宽，因为这将影响到系统的整体散热性能。
图2. D类放大器采用TQFN或TQFP封装时，裸露焊盘是其主要散热通道
与裸露焊盘相接的敷铜块应该用多个过孔连到PCB背面的其他敷铜块上。该敷铜块应该在满足系统信号走线的要求下具有尽可能大的面积。
尽量加宽所有与器件的连线，这将有益于改善系统的散热性能。虽然IC的引脚并不是主要的散热通道，但实际应用中仍然会有少量发热。图3给出的PCB中，采用宽的连线将D类放大器的输出与图右侧的两个电感相连。在这种情况下，电感的铜芯绕线也可为D放大器提供额外的散热通道。虽然对整体热性能的改善不到10%，但这样的改善却会给系统带来两种截然不同的结果 - 即使系统具备较理想的散热或出现较严重的发热。
图3. D类放大器右边的宽走线有助于导热
辅助散热
当D类放大器在较高的环境温度下工作时，增加外部散热片可以改善PCB的热性能。该散热片的热阻必须尽可能小，以使散热性能最佳。采用底部的裸露焊盘后，PCB底部往往是热阻最低的散热通道。IC的顶部并不是器件的主要散热通道，因此在此安装散热片不划算。图4给出了一个PCB表贴散热片(218系列，由Wakefield Engineering提供)。该散热片焊接在PCB上，是兼顾尺寸、成本、装配方便性和散热性能的理想选择。
图4. 当D类放大器工作在较高环境温度下，可能需要如图示的SMT散热片(图片来自Wakefield Engineering)
热计算
D类放大器的管芯温度可以通过一些基本计算进行估计。本例中根据下列条件计算其温度：
TAM = +40°C
POUT = 16W
效率() = 87%
JA = 21°C/W
首先，计算D类放大器的功耗：
然后，通过功耗计算管芯温度TC，公式如下：
根据这些数据，可以推断出该器件工作时具有较为理想的性能。因为系统很少能正好工作在25°C的理想环境温度下，因此应该根据系统的实际使用环境温度进行合理的估算。
负载阻抗
D类放大器MOSFET输出级的导通电阻会影响它的效率和峰值电流能力。降低负载的峰值电流可减少MOSFET的I2R损耗，进而提高效率。要降低峰值电流，应在保证输出功率，以及D类放大器的电压摆幅以及电源电压的限制的条件下，选择最大阻抗的扬声器，如图5所示。本例中，假设D类放大器的输出电流为2A，电源电压范围为5V至24V。电源电压大于等于8V时，4的负载电流将达到2A，相应的最大连续输出功率为8W。如果8W的输出功率能满足要求，则可以考虑使用一个12扬声器和15V供电电压，此时的峰值电流限制在1.25A，对应的最大连续输出功率为9.4W。此外，12负载的工作效率要比4负载的高出10%到15%，降低了功耗。实际效率的提高根据不同D类放大器而异。虽然大多数扬声器的阻抗都采用4或8，但也可采用其他阻抗的扬声器实现更高效的散热。
图5. 选择最佳的阻抗和电源电压使输出功率最大
另外还需要注意音频带宽内负载阻抗的变化。扬声器是一个复杂的机电系统，具有多种谐振元件。换言之，8的扬声器只在很窄的频带内才呈现出8阻抗。在大部分音频带宽内，阻抗都会大于其标称值，如图6示。在大部分音频带宽内，该扬声器的阻抗都会远大于其8的标称值。然而，高频扬声器和分频网络的存在将降低阻抗值。因此必须考虑系统的总阻抗以确保足够的电流驱动能力和散热性能。
图6. 8阻抗、13cm口径扬声器的阻抗随频率改变而急剧变化
结论
D类放大器的效率相比AB类放大器有很大提高。虽然这一效率优势降低了系统设计时对散热性能设计的要求，但仍然不能完全忽视系统散热。但是，如果能够遵循良好的设计原则并且设定合理的设计目标，使用D类放大器可使音频系统设计更简单。
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