D类放大器散热原理

     与AB类放大器相比，D类放大器有更好的效率和热性能，但实现一个D类放大器仍然需要注意良好的电气设计与热设计方法。大多数工程师使用一种连续的正弦波输入信号，在实验室中评估D类放大器的性能。尽管正弦波用于测量时很方便，但对放大器热负荷却是一种最糟的情况。如果你用近乎最大输出功率的连续正弦波驱动一个D类放大器，则放大器会经常进入热关断状态。

典型的音频节目中包含音乐和语音，它们的均方根(rms)值要比峰值输出功率低得多。一般来说，峰值与rms功率之比（或波峰因数）一般对语音平均为12 dB，而对乐器平均为18 dB~20 dB。图1为使用时域示波器对一个音频信号和一个正弦波的rms电压的测量情况。虽然音频信号对应有突发的音乐，但它的峰值只略高于正弦波，而rms值则几乎只有一半，均值仍远低于正弦波。在一个D类放大器上，音频信号的热效应要大大低于正弦波，因此，在测试性能时一定要使用音频信号，而不要用正弦波。

在工业标准的TQFN封装中，底面裸露的焊盘是IC散热的主要通道，热量通过它传入作为散热片的放大器所在印制电路板铜箔区。将IC焊在大面积铜焊盘上有助于减少热阻，还可以用多个过孔将热量传导到PC电路板的另一侧，再用更多铜箔面积来进一步降低热阻。除此以外，可以将器件的任何管脚连接到热传送区，使这些脚与热焊盘之间有相同的电势，如图2右上方和右下方的引脚。

虽然IC的引脚并不是主要的导热通道，但它们也能散发少量热量，因此，连接IC的所有走线都应尽量宽。图3显示IC输出的宽走线连接到两个电感上。这种情况下，电感的铜绕线也可以为D放大器提供额外的散热通道。热耗散性能即使只改进几个百分点，也会在可接受的性能实现和遇到的热问题之间产生明显差别。如要进一步降低热阻，可以在邻近IC的印制电路板上焊一个散热片。例如，Wakefield Engineering的218系列散热片有较低的边沿，可以形成传导通道。

一些基本计算可以帮助你估计出D类放大器IC裸芯温度。例如，考虑一个工作在40℃环境温度下的放大器，输出功率为16W，效率为87%。假定IC结点到环境空气的热阻为21℃/W。首先，计算D类放大器的功耗：P_DISS=[(P_OUT/h)-P_OUT]=(16W/87%)-16W=2.4W，其中，P_DISS是耗散功率，P_OUT是输出功率，而h是效率。用功耗计算出裸芯温度T_C如下：T_C=T_A+P_DISS×Θ_JA=40℃+2.4W×21℃/W=90.4℃，这个值是在150℃的器件最大结温之内。系统很少能舒适地工作在25℃环境温度中，重要的是在计算前，要对系统的实际内部环境温度作出合理的估计。

D类放大器MOSFET输出级的导通电阻会影响到它的效率与峰值电流能力。降低峰值负载电流可以减少无限脉冲响应（I²R）损耗，提高MOSFET 的效率。如果要进一步降低峰值电流，可以选择最高阻值的扬声器，它可以在D类放大器电压摆幅极限和供电电压内提供所需的输出功率。在图4中，D类放大器具有2A的输出电流能力，供电电压范围为5V~24V，用一个4Ω负载和8V供电电压就可限制电流，对应的最大连续输出为8W。

如果8W输出功率是可以接受的，则可以考虑使用一个12Ω扬声器和15V供电电压。此时的峰值电流限制在1.25A，对应的最大连续输出功率为9.4W。此外，12Ω负载的工作效率要比4Ω负载高出10%~15%，因而也能降低IC功耗。实际的效率提高值会根据不同D类放大器IC而变化。

扬声器是一个复杂的机电系统，它在自己的频率范围内表现出不同的谐振特性，而只在很窄的频带内才呈现出标称阻抗，这一点经常让设计者摸不着头脑（图5）。在多数音频带宽上，该扬声器的阻抗都会超出它的8Ω标称值，增加一个交叉网络和高频扬声器会使总负载阻抗低于标称值。当考虑放大器电源电流和热耗散能力时，一定要牢记负载的阻抗特性。