D類放大器散熱注意事項

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，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。
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 (點擊放大圖片)
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(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。
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Wakefield Engineering)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，選擇最大阻抗的揚聲器，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。
圖5. 選擇最佳的阻抗和電源電壓使輸出功率最大另外還需要注意音頻帶寬內(nèi)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(nèi)才呈現(xiàn)出8阻抗。在大部分音頻帶寬內(nèi)，阻抗都會大于其標稱值，如圖6示。在大部分音頻帶寬內(nèi)，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(qū)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化
結論

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)勢降低了系統(tǒng)設計時對散熱性能設計的要求，但仍然不能完全忽視系統(tǒng)散熱。但是，如果能夠遵循良好的設計原則并且設定合理的設計目標，使用D類放大器可使音頻系統(tǒng)設計更簡單。