D类放大器散热注意事项

D类放大器相比AB类放大器具有更高的效率和更好的热性能。尽管如此，使用D类放大器时仍然需要慎重考虑其散热。本应用笔记分析了D类放大器的热性能，并通过几个常见的例子说明了良好的设计所应遵循的原则。

连续正弦波与音乐

在实验室评估D类放大器性能时，常使用连续正弦波作为信号源。尽管使用正弦波进行测量比较方便，但这样的测量结果却是放大器在最坏情况下的热负载。如果用接近最大输出功率的连续正弦波驱动D类放大器，则放大器常常会进入热关断状态。

常见的音源，包含音乐和语音，其RMS值往往比峰值输出功率低得多。通常情况下，语音的峰值与RMS功率之比(即波峰因数)为12dB，而音乐的波峰因数为18dB至20dB。图1所示为时域内音频信号和正弦波的波形图，给出了采用示波器测量两者RMS值的结果。虽然音频信号峰值略高于正弦波，但其RMS值大概只有正弦波的一半。同样，音频信号可能存在突变，但正如测量结果所示，其平均值仍远低于正弦波。虽然音频信号可能具有与正弦波相近的峰值，但在D类放大器表现出来的热效应却大大低于正弦波。因此，测量系统的热性能时，最好使用实际音频信号而非正弦波作为信号源。如果只能使用正弦波，则所得到的热性能要比实际系统差。
图1. 正弦波的RMS值高于音频信号的RMS值，意味着用正弦波测试时，D类放大器的发热更大 (点击放大图片)
PCB的散热注意事项

在工业标准TQFN封装中，裸露的焊盘是IC散热的主要途径。对底部有裸露焊盘的封装来说，PCB及其敷铜层是D类放大器主要的散热渠道。如图2所示，将D类放大器贴装到常见的PCB，最好根据以下原则：将裸露焊盘焊接到大面积敷铜块。尽可能在敷铜块与临近的具有等电势的D类放大器引脚以及其他元件之间多布一些覆铜。本文的案例中，敷铜层与散热焊盘的右上方和右下方相连(如图2)。敷铜走线应尽可能宽，因为这将影响到系统的整体散热性能。
图2. D类放大器采用TQFN或TQFP封装时，裸露焊盘是其主要散热通道与裸露焊盘相接的敷铜块应该用多个过孔连到PCB背面的其他敷铜块上。该敷铜块应该在满足系统信号走线的要求下具有尽可能大的面积。

尽量加宽所有与器件的连线，这将有益于改善系统的散热性能。虽然IC的引脚并不是主要的散热通道，但实际应用中仍然会有少量发热。图3给出的PCB中，采用宽的连线将D类放大器的输出与图右侧的两个电感相连。在这种情况下，电感的铜芯绕线也可为D放大器提供额外的散热通道。虽然对整体热性能的改善不到10%，但这样的改善却会给系统带来两种截然不同的结果 - 即使系统具备较理想的散热或出现较严重的发热。
图3. D类放大器右边的宽走线有助于导热
辅助散热

当D类放大器在较高的环境温度下工作时，增加外部散热片可以改善PCB的热性能。该散热片的热阻必须尽可能小，以使散热性能最佳。采用底部的裸露焊盘后，PCB底部往往是热阻最低的散热通道。IC的顶部并不是器件的主要散热通道，因此在此安装散热片不划算。图4给出了一个PCB表贴散热片(218系列，由Wakefield Engineering提供)。该散热片焊接在PCB上，是兼顾尺寸、成本、装配方便性和散热性能的理想选择。
图4. 当D类放大器工作在较高环境温度下，可能需要如图示的SMT散热片(图片来自Wakefield Engineering)热计算

D类放大器的管芯温度可以通过一些基本计算进行估计。本例中根据下列条件计算其温度：

TAM = +40°C

POUT = 16W

效率() = 87%

JA = 21°C/W

首先，计算D类放大器的功耗：



然后，通过功耗计算管芯温度TC，公式如下：


根据这些数据，可以推断出该器件工作时具有较为理想的性能。因为系统很少能正好工作在25°C的理想环境温度下，因此应该根据系统的实际使用环境温度进行合理的估算。

负载阻抗

D类放大器MOSFET输出级的导通电阻会影响它的效率和峰值电流能力。降低负载的峰值电流可减少MOSFET的I2R损耗，进而提高效率。要降低峰值电流，应在保证输出功率，以及D类放大器的电压摆幅以及电源电压的限制的条件下，选择最大阻抗的扬声器，如图5所示。本例中，假设D类放大器的输出电流为2A，电源电压范围为5V至24V。电源电压大于等于8V时，4的负载电流将达到2A，相应的最大连续输出功率为8W。如果8W的输出功率能满足要求，则可以考虑使用一个12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，12负载的工作效率要比4负载的高出10%到15%，降低了功耗。实际效率的提高根据不同D类放大器而异。虽然大多数扬声器的阻抗都采用4或8，但也可采用其他阻抗的扬声器实现更高效的散热。
图5. 选择最佳的阻抗和电源电压使输出功率最大另外还需要注意音频带宽内负载阻抗的变化。扬声器是一个复杂的机电系统，具有多种谐振元件。换言之，8的扬声器只在很窄的频带内才呈现出8阻抗。在大部分音频带宽内，阻抗都会大于其标称值，如图6示。在大部分音频带宽内，该扬声器的阻抗都会远大于其8的标称值。然而，高频扬声器和分频网络的存在将降低阻抗值。因此必须考虑系统的总阻抗以确保足够的电流驱动能力和散热性能。
图6. 8阻抗、13cm口径扬声器的阻抗随频率改变而急剧变化
结论

D类放大器的效率相比AB类放大器有很大提高。虽然这一效率优势降低了系统设计时对散热性能设计的要求，但仍然不能完全忽视系统散热。但是，如果能够遵循良好的设计原则并且设定合理的设计目标，使用D类放大器可使音频系统设计更简单。