連續正弦波與音樂(lè )
在實(shí)驗室評估D類(lèi)放大器性能時(shí)，常使用連續正弦波作為信號源。盡管使用正弦波進(jìn)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正弦波驅動(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)為12dB，而音樂(lè )的波峰因數為18dB至20dB。圖1所示為時(shí)域內音頻信號和正弦波的波形圖，給出了采用示波器測量?jì)烧逺MS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(lèi)放大器表現出來(lái)的熱效應卻大大低于正弦波。因此，測量系統的熱性能時(shí)，最好使用實(shí)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(shí)際系統差。
PCB的散熱注意事項
在工業(yè)標準TQFN封裝中，裸露的焊盤(pán)是IC散熱的主要途徑。對底部有裸露焊盤(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(xiàn)應盡可能寬，因為這將影響到系統的整體散熱性能。
與裸露焊盤(pán)相接的敷銅塊應該用多個(gè)過(guò)孔連到PCB背面的其他敷銅塊上。該敷銅塊應該在滿(mǎn)足系統信號走線(xiàn)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(xiàn)，這將有益于改善系統的散熱性能。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(xiàn)將D類(lèi)放大器的輸出與圖右側的兩個(gè)電感相連。在這種情況下，電感的銅芯繞線(xiàn)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(huì )給系統帶來(lái)兩種截然不同的結果 - 即使系統具備較理想的散熱或出現較嚴重的發(fā)熱。
輔助散熱
當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。
熱計算
D類(lèi)放大器的管芯溫度可以通過(guò)一些基本計算進(jìn)行估計。本例中根據下列條件計算其溫度：
AM=+40℃
POUT=16W
效率(η)=87%
θJA=21℃/W
首先，計算D類(lèi)放大器的功耗：
然后，通過(guò)功耗計算管芯溫度TC，公式如下：
根據這些數據，可以推斷出該器件工作時(shí)具有較為理想的性能。因為系統很少能正好工作在25℃的理想環(huán)境溫度下，因此應該根據系統的實(shí)際使用環(huán)境溫度進(jìn)行合理的估算。
負載阻抗
D類(lèi)放大器MOSFET輸出級的導通電阻會(huì )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(jìn)而提高效率。要降低峰值電流，應在保證輸出功率，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，選擇最大阻抗的揚聲器，如圖5所示。本例中，假設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的負載電流將達到2A，相應的最大連續輸出功率為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負載的高出10%到15%，降低了功耗。實(shí)際效率的提高根據不同D類(lèi)放大器而異。雖然大多數揚聲器的阻抗都采用4Ω或8Ω，但也可采用其他阻抗的揚聲器實(shí)現更高效的散熱。
另外還需要注意音頻帶寬內負載阻抗的變化。揚聲器是一個(gè)復雜的機電系統，具有多種諧振元件。換言之，8Ω的揚聲器只在很窄的頻帶內才呈現出8Ω阻抗。在大部分音頻帶寬內，阻抗都會(huì )大于其標稱(chēng)值，如圖6示。在大部分音頻帶寬內，該揚聲器的阻抗都會(huì )遠大于其8Ω的標稱(chēng)值。然而，高頻揚聲器和分頻網(wǎng)絡(luò )的存在將降低阻抗值。因此必須考慮系統的總阻抗以確保足夠的電流驅動(dòng)能力和散熱性能。
結論
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)勢降低了系統設計時(shí)對散熱性能設計的要求，但仍然不能完全忽視系統散熱。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(lèi)放大器可使音頻系統設計更簡(jiǎn)單。 |
