D類(lèi)功放設(shè)計(jì)須知（二）

　　摘要：D類(lèi)放大器相比AB類(lèi)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(lèi)放大器時(shí)仍然需要慎重考慮其散熱。本應(yīng)用筆記分析了D類(lèi)放大器的熱性能，并通過(guò)幾個(gè)常見(jiàn)的例子說(shuō)明了良好的設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的原則。

　　連續(xù)正弦波與音樂(lè)

　　在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估D類(lèi)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(lèi)放大器，則放大器常常會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

　　常見(jiàn)的音源，包含音樂(lè)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，而音樂(lè)的波峰因數(shù)為18dB至20dB。圖1所示為時(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，但在D類(lèi)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，意味著用正弦波測(cè)試時(shí)，D類(lèi)放大器的發(fā)熱更大。

　　PCB的散熱注意事項(xiàng)

　　在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TQFN封裝中，裸露的焊盤(pán)是IC散熱的主要途徑。對(duì)底部有裸露焊盤(pán)的封裝來(lái)說(shuō)，PCB及其敷銅層是D類(lèi)放大器主要的散熱渠道。如圖2所示，將D類(lèi)放大器貼裝到常見(jiàn)的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤(pán)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(lèi)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(pán)的右上方和右下方相連（如圖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(lèi)放大器采用TQFN或TQFP封裝時(shí)，裸露焊盤(pán)是其主要散熱通道。

　　與裸露焊盤(pán)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。該敷銅塊應(yīng)該在滿(mǎn)足系統(tǒng)信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中仍然會(huì)有少量發(fā)熱。圖3給出的PCB中，采用寬的連線將D類(lèi)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 - 即使系統(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(lèi)放大器右邊的寬走線有助于導(dǎo)熱

　　輔助散熱

　　當(dāng)D類(lèi)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(pán)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(gè)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(dāng)D類(lèi)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(lái)自Wakefield Engineering）。

　　熱計(jì)算

　　D類(lèi)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°C

　　POUT = 16W

　　效率（η） = 87%

　　ΘJA = 21°C/W

　　首先，計(jì)算D類(lèi)放大器的功耗：

　　然后，通過(guò)功耗計(jì)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(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°C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(lèi)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，以及D類(lèi)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5所示。本例中，假設(shè)D類(lèi)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(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(mǎn)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%到15%，降低了功耗。實(shí)際效率的提高根據(jù)不同D類(lèi)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(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(chēng)值，如圖6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(chēng)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6. 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(lèi)放大器的效率相比AB類(lèi)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。但是，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(lèi)放大器可使音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。