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D類(lèi)音頻功放IC的熱耗散分析
文章來(lái)源: 更新時(shí)間:2013/9/5 10:54:00
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  多媒體產(chǎn)品設計師必須提供高質(zhì)量的音頻效果,包括高輸出揚聲器模式。這些地方更需要系統的音頻放大器。 

  線(xiàn)性放大器的效率為50%,所以輸出功率的稍許增加,就會(huì )導致電流損耗大幅度的增大以及過(guò)度的熱耗散,從而導致需要大體積的散熱片。在汽車(chē)音響系統中,空間和成本都是非常寶貴的,因而這些熱耗散因素的花費是相當昂貴的。

  然而,D類(lèi)放大器在輸出功率為最大值時(shí)有最大的功耗。播放音樂(lè )時(shí),放大器達到輸出功率峰值的時(shí)間很短,因而降低了RMS輸出功率。這一特征使其可以使用一個(gè)比線(xiàn)性放大器小得多的散熱片,因而成為用于汽車(chē)OEMs的極大優(yōu)勢。主單位可以在不需要昂貴的外部放大器的情況下提供額外的輸出通道。另外,有相當高的音質(zhì),封裝和熱發(fā)生器的成本降至最低,并且在電源上有所節省。

  D類(lèi)放大器的散熱片可以根據輸出功率的半峰值安全地設計尺寸。但是,設計師們仍必須確定準確的散熱片的尺寸,成本和應用。放大器的PCB設計也可以用于減小散熱量。采用大規模集成電路的銅墊以及連接IC的所有最寬的PC走線(xiàn)可以最大限度的降低功耗。

  D類(lèi)輸出晶體管在一個(gè)從全“開(kāi)”到全“關(guān)”的開(kāi)關(guān)模式下運行,在線(xiàn)性區域花費很少的時(shí)間,所以用于熱損耗的功率非常少。如果晶體管的電阻很低,通過(guò)它們的壓降小,會(huì )更進(jìn)一步地降低功耗。

  有兩個(gè)晶體管“開(kāi)”的典型的D類(lèi)放大器的直流等效電路只是一連串的串聯(lián)電阻:RON,每個(gè)晶體管的輸出傳導損耗;RP,金屬互連線(xiàn),引線(xiàn)結構和PC板走線(xiàn)的附加電阻;PL,負載電阻(圖1)。另一個(gè)產(chǎn)生功耗的是輸出電阻中的開(kāi)關(guān)延遲(圖2)。整個(gè)系統的效率使可以估算如下:

  PL

  PL

  例如,假設驅動(dòng)4Ω低音擴音器的一雙通道D類(lèi)放大器在60℃的環(huán)境中運行,效率為全功率的90%,不需要14V的直流電源,有一個(gè)5°/W的IC結點(diǎn)電阻(ΘJA)。對于一個(gè)正弦信號,輸出的峰值電流的極限為:

公式

  這符合PLOAD PEAK=“I2PEAKRL”=49W/通道的輸出峰值功率,和PLOAD RMS=“PLOAD” PEAK/2=24.5W/通道的RMS輸出功率。采用效率公式:

  公式

  總的熱耗散約6W。

  最高的結點(diǎn)溫度與放大器的性能沒(méi)有直接的關(guān)系。但是,結點(diǎn)溫度對確定散熱片的尺寸則意義重大,因為更高的TJ可處理更高的功耗。模具的溫度是TJ=TA+PDISS×ΘJA=90℃,這個(gè)值小于器件的最大結點(diǎn)溫度150℃。

  采用音樂(lè )信號的實(shí)際例子中,設計師必須考慮信號的平均值的最大振幅(波峰因子)。一個(gè)典型的音樂(lè )信號的波峰因子為3~10。以分貝作為單位,就是10~20dB[PdB=20log10(VPEAK/VREF)]。所以為了使音樂(lè )信號的最大部分能通過(guò)而不失真,相對于一般的功率輸出,放大器需要10~20dB的動(dòng)態(tài)空間。

  當D類(lèi)放大器的工作電壓為14V時(shí),可出現98W的峰值。轉換為分貝是:

  公式

  減去波峰因子的限制,可得到不失真輸出的平均聲音水平:

  公式

  轉換成RMS輸出功率:

  公式

  當PPEAK為98W,RMS輸出功率為955mW時(shí),總功耗為0.2W,最大結點(diǎn)溫度為61℃。當RMS輸出功率為10W時(shí),總功耗為2.2W,最大結點(diǎn)溫度為71℃。因此,一個(gè)沒(méi)有失真的音頻CD信號的最大功耗發(fā)生在平均聲音為4dB時(shí)。

  這些例子表明,正弦信號比真正的音頻信號引起的功耗更大。因此,正弦信號可以作為極端熱測試的負載,使得放大器因發(fā)熱而關(guān)閉。

 
 
 
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