D類(lèi)放大器的散熱考慮
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典型的音頻節目中包含音樂(lè )和語(yǔ)音，它們的均方根(rms)值要比峰值輸出功率低得多。一般來(lái)說(shuō)，峰值與rms功率之比（或波峰因數）一般對語(yǔ)音平均為12 dB，而對樂(lè )器平均為18 dB~20 dB。圖1為使用時(shí)域示波器對一個(gè)音頻信號和一個(gè)正弦波的rms電壓的測量情況。雖然音頻信號對應有突發(fā)的音樂(lè )，但它的峰值只略高于正弦波，而rms值則幾乎只有一半，均值仍遠低于正弦波。在一個(gè)D類(lèi)放大器上，音頻信號的熱效應要大大低于正弦波，因此，在測試性能時(shí)一定要使用音頻信號，而不要用正弦波。
在工業(yè)標準的TQFN封裝中，底面裸露的焊盤(pán)是IC散熱的主要通道，熱量通過(guò)它傳入作為散熱片的放大器所在印制電路板銅箔區。將IC焊在大面積銅焊盤(pán)上有助于減少熱阻，還可以用多個(gè)過(guò)孔將熱量傳導到PC電路板的另一側，再用更多銅箔面積來(lái)進(jìn)一步降低熱阻。除此以外，可以將器件的任何管腳連接到熱傳送區，使這些腳與熱焊盤(pán)之間有相同的電勢，如圖2右上方和右下方的引腳。
雖然IC的引腳并不是主要的導熱通道，但它們也能散發(fā)少量熱量，因此，連接IC的所有走線(xiàn)都應盡量寬。圖3顯示IC輸出的寬走線(xiàn)連接到兩個(gè)電感上。這種情況下，電感的銅繞線(xiàn)也可以為D放大器提供額外的散熱通道。熱耗散性能即使只改進(jìn)幾個(gè)百分點(diǎn)，也會(huì )在可接受的性能實(shí)現和遇到的熱問(wèn)題之間產(chǎn)生明顯差別。如要進(jìn)一步降低熱阻，可以在鄰近IC的印制電路板上焊一個(gè)散熱片。例如，Wakefield Engineering的218系列散熱片有較低的邊沿，可以形成傳導通道。
一些基本計算可以幫助你估計出D類(lèi)放大器IC裸芯溫度。例如，考慮一個(gè)工作在40℃環(huán)境溫度下的放大器，輸出功率為16W，效率為87%。假定IC結點(diǎn)到環(huán)境空氣的熱阻為21℃/W。首先，計算D類(lèi)放大器的功耗：PDISS=[(POUT/h)-POUT]=(16W/87%)-16W=2.4W，其中，PDISS是耗散功率，POUT是輸出功率，而h是效率。用功耗計算出裸芯溫度TC如下：TC=TA+PDISS×ΘJA=40℃+2.4W×21℃/W=90.4℃，這個(gè)值是在150℃的器件最大結溫之內。系統很少能舒適地工作在25℃環(huán)境溫度中，重要的是在計算前，要對系統的實(shí)際內部環(huán)境溫度作出合理的估計。
D類(lèi)放大器MOSFET輸出級的導通電阻會(huì )影響到它的效率與峰值電流能力。降低峰值負載電流可以減少無(wú)限脈沖響應（I2R）損耗，提高M(jìn)OSFET 的效率。如果要進(jìn)一步降低峰值電流，可以選擇最高阻值的揚聲器，它可以在D類(lèi)放大器電壓擺幅極限和供電電壓內提供所需的輸出功率。在圖4中，D類(lèi)放大器具有2A的輸出電流能力，供電電壓范圍為5V~24V，用一個(gè)4Ω負載和8V供電電壓就可限制電流，對應的最大連續輸出為8W。
如果8W輸出功率是可以接受的，則可以考慮使用一個(gè)12Ω揚聲器和15V供電電壓。此時(shí)的峰值電流限制在1.25A，對應的最大連續輸出功率為9.4W。此外，12Ω負載的工作效率要比4Ω負載高出10%~15%，因而也能降低IC功耗。實(shí)際的效率提高值會(huì )根據不同D類(lèi)放大器IC而變化。
揚聲器是一個(gè)復雜的機電系統，它在自己的頻率范圍內表現出不同的諧振特性，而只在很窄的頻帶內才呈現出標稱(chēng)阻抗，這一點(diǎn)經(jīng)常讓設計者摸不著(zhù)頭腦（圖5）。在多數音頻帶寬上，該揚聲器的阻抗都會(huì )超出它的8Ω標稱(chēng)值，增加一個(gè)交叉網(wǎng)絡(luò )和高頻揚聲器會(huì )使總負載阻抗低于標稱(chēng)值。當考慮放大器電源電流和熱耗散能力時(shí)，一定要牢記負載的阻抗特性。
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