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D类音频功率放大器的热耗散分析

时间:2014-02-25 22:11 | 作者:Hida | 文章来源:【Hi-Fi粉丝团】 | 点击次数:800次

多媒体产品设计师必须提供高质量的音频效果,包括高输出扬声器模式。这些地方更需要系统的音频放大器。线性放大器的效率为50%,所以输出功率的稍许增加,就会导致电流损耗大幅度的增大以及过度的热耗散,从而导致需要大体积的散热片。在汽车音响系统中,空间和成本都是非常宝贵的,因而这些热耗散因素的花费是相当昂贵的。

然而,D类放大器在输出功率为最大值时有最大的功耗。播放音乐时,放大器达到输出功率峰值的时间很短,因而降低了RMS输出功率。这一特征使其可以使用一个比线性放大器小得多的散热片,因而成为用于汽车OEMs的极大优势。主单位可以在不需要昂贵的外部放大器的情况下提供额外的输出通道。另外,有相当高的音质,封装和热发生器的成本降至最低,并且在电源上有所节省。

D类放大器的散热片可以根据输出功率的半峰值安全地设计尺寸。但是,设计师们仍必须确定准确的散热片的尺寸,成本和应用。放大器的PCB设计也可以用于减小散热量。采用大规模集成电路的铜垫以及连接IC的所有最宽的PC走线可以最大限度的降低功耗。

D类输出晶体管在一个从全“开”到全“关”的开关模式下运行,在线性区域花费很少的时间,所以用于热损耗的功率非常少。如果晶体管的电阻很低,通过它们的压降小,会更进一步地降低功耗。

有两个晶体管“开”的典型的D类放大器的直流等效电路只是一连串的串联电阻:RON,每个晶体管的输出传导损耗;RP,金属互连线,引线结构和PC板走线的附加电阻;PL,负载电阻(图1)。另一个产生功耗的是输出电阻中的开关延迟(图2)。整个系统的效率使可以估算如下:

例如,假设驱动4Ω低音扩音器的一双通道D类放大器在60℃的环境中运行,效率为全功率的90%,不需要14V的直流电源,有一个5°/W的IC结点电阻(ΘJA)。对于一个正弦信号,输出的峰值电流的极限为:

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

总的热耗散约6W,最高的结点温度与放大器的性能没有直接的关系。但是,结点温度对确定散热片的尺寸则意义重大,因为更高的TJ可处理更高的功耗。模具的温度是TJ=TA+PDISS×ΘJA=90℃,这个值小于器件的最大结点温度150℃。

当D类放大器的工作电压为14V时,可出现98W的峰值。减去波峰因子的限制,可得到不失真输出的平均声音水平,然后转换成RMS输出功率。

采用音乐信号的实际例子中,设计师必须考虑信号的平均值的最大振幅(波峰因子)。一个典型的音乐信号的波峰因子为3~10。以分贝作为单位,就是10~20dB[PdB=20log10(VPEAK/VREF)]。所以为了使音乐信号的最大部分能通过而不失真,相对于一般的功率输出,放大器需要10~20dB的动态空间。

当PPEAK为98W,RMS输出功率为955mW时,总功耗为0.2W,最大结点温度为61℃。当RMS输出功率为10W时,总功耗为2.2W,最大结点温度为71℃。因此,一个没有失真的音频CD信号的最大功耗发生在平均声音为4dB时。

这些例子表明,正弦信号比真正的音频信号引起的功耗更大。因此,正弦信号可以作为极端热测试的负载,使得放大器因发热而关闭。

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