淺析D類音頻功放IC散熱技術(shù)

根據(jù)SAR音頻信號鏈IC預(yù)測數(shù)據(jù)庫2018年第四季度的數(shù)據(jù)，隨著音頻播放設(shè)備的出貨量及每臺設(shè)備的頻段數(shù)量的不斷增加，2018年音頻放大器市場的出貨量已增長至2010年的3倍。“智能手機市場的放大器出貨量增長和立體聲音頻均有增長的高端和中端手機市場相關(guān)，后者的手機價格在200美元至500美元之間?！盨AR Insight首席分析師Peter Cooney表示：我們預(yù)計這一增長將進(jìn)一步持續(xù)，至2022年，安裝在中端手機的放大器將從2017年的5億個增至7億個左右。

“越來越多的消費者將智能手機作為看視頻、玩游戲和聽音樂的主要設(shè)備。無論聽筒模式還是揚聲器模式，D類功率放大器提供移動應(yīng)用的“三大要求”：增強的音頻聲效、有效的低耗管理和節(jié)約空間的封裝。通過采用高級電池管理和預(yù)測算法等功能，智能音頻放大器可在揚聲器模式下增加音量，同時降低噪音和功耗，從而延長電池壽命并縮短通話時間。

音質(zhì)高，功耗低，體積小

放大器性能—智能放大器中常用的G類升壓電源相比，集成的H類11伏DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器可提升電源電壓并保持更高的效率。通過自適應(yīng)跟蹤音頻電平，H類升壓轉(zhuǎn)換器有助于提高系統(tǒng)效率、最大限度地降低功耗并延長電池壽命。 音頻增強—— 播放可以微調(diào)到移動系統(tǒng)中使用的特定微型揚聲器。加強均衡器、壓縮器和心理聲學(xué)的算法可提高聲音清晰度和響度。濾波器保證了揚聲器的獨特頻率響應(yīng)，同時消除了傳統(tǒng)線性相位濾波器中的預(yù)振鈴。這使得音頻工程師能夠充分利用小型揚聲器，改善移動設(shè)備用戶的游戲和視頻流音頻體驗。

D類音頻功放IC散熱注意事項

D類放大器相比AB類放大器具有更高的效率和更好的熱性能。盡管如此，使用D類放大器時仍然需要慎重考慮其散熱。本應(yīng)用筆記分析了D類放大器的熱性能，并通過幾個常見的例子說明了良好的設(shè)計所應(yīng)遵循的原則。

D類放大器相比AB類放大器具有更高的效率和更好的熱性能。盡管如此，使用D類放大器時仍然需要慎重考慮其散熱。本應(yīng)用筆記分析了D類放大器的熱性能，并通過幾個常見的例子說明了良好的設(shè)計所應(yīng)遵循的原則。 連續(xù)正弦波與音樂 在實驗室評估D類放大器性能時，常使用連續(xù)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(jié)果卻是放大器在最壞情況下的熱負(fù)載。如果用接近最大輸出功率的連續(xù)正弦波驅(qū)動D類放大器，則放大器常常會進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

常見的音源，包含音樂和語音，其RMS值往往比峰值輸出功率低得多。通常情況下，語音的峰值與RMS功率之比(即波峰因數(shù))為12dB，而音樂的波峰因數(shù)為18dB至20dB。圖1所示為時域內(nèi)音頻信號和正弦波的波形圖，給出了采用示波器測量兩者RMS值的結(jié)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(jié)果所示，其平均值仍遠(yuǎn)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類放大器表現(xiàn)出來的熱效應(yīng)卻大大低于正弦波。因此，測量系統(tǒng)的熱性能時，最好使用實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際系統(tǒng)差。

PCB的散熱注意事項

在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TQFN封裝中，裸露的焊盤是IC散熱的主要途徑。對底部有裸露焊盤的封裝來說，PCB及其敷銅層是D類放大器主要的散熱渠道。如圖2所示，將D類放大器貼裝到常見的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤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，敷銅層與散熱焊盤的右上方和右下方相連(如圖2)。敷銅走線應(yīng)盡可能寬，因為這將影響到系統(tǒng)的整體散熱性能。

與裸露焊盤相接的敷銅塊應(yīng)該用多個過孔連到PCB背面的其他敷銅塊上。該敷銅塊應(yīng)該在滿足系統(tǒng)信號走線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，這將有益于改善系統(tǒng)的散熱性能。雖然IC的引腳并不是主要的散熱通道，但實際應(yīng)用中仍然會有少量發(fā)熱。圖3給出的PCB中，采用寬的連線將D類放大器的輸出與圖右側(cè)的兩個電感相連。在這種情況下，電感的銅芯繞線也可為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%，但這樣的改善卻會給系統(tǒng)帶來兩種截然不同的結(jié)果—即使系統(tǒng)具備較理想的散熱或出現(xiàn)較嚴(yán)重的發(fā)熱。

輔助散熱

當(dāng)D類放大器在較高的環(huán)境溫度下工作時，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類放大器的管芯溫度可以通過一些基本計算進(jìn)行估計。本例中根據(jù)下列條件計算其溫度： TAM = +40°C POUT = 16W 效率(η) = 87% ΘJA = 21°C/W 首先，計算D類放大器的功耗： 公式1 然后，通過功耗計算管芯溫度TC，公式如下： 公式2 根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以推斷出該器件工作時具有較為理想的性能。因為系統(tǒng)很少能正好工作在+25°C的理想環(huán)境溫度下，因此應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的實際使用環(huán)境溫度進(jìn)行合理的估算。

負(fù)載阻抗

D類放大器MOSFET輸出級的導(dǎo)通電阻會影響它的效率和峰值電流能力。降低負(fù)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(yīng)在保證輸出功率，以及D類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(shè)D類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，4Ω的負(fù)載電流將達(dá)到2A，相應(yīng)的最大連續(xù)輸出功率為8W。如果8W的輸出功率能滿足要求，則可以考慮使用一個12Ω揚聲器和15V供電電壓，此時的峰值電流限制在1.25A，對應(yīng)的最大連續(xù)輸出功率為9.4W。此外，12Ω負(fù)載的工作效率要比4Ω負(fù)載的高出10%到15%，降低了功耗。實際效率的提高根據(jù)不同D類放大器而異。雖然大多數(shù)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現(xiàn)更高效的散熱。

另外還需要注意音頻帶寬內(nèi)負(fù)載阻抗的變化。揚聲器是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，具有多種諧振元件。換言之，8Ω的揚聲器只在很窄的頻帶內(nèi)才呈現(xiàn)出8Ω阻抗。在大部分音頻帶寬內(nèi)，阻抗都會大于其標(biāo)稱值，在大部分音頻帶寬內(nèi)，該揚聲器的阻抗都會遠(yuǎn)大于其8Ω的標(biāo)稱值。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(tǒng)的總阻抗以確保足夠的電流驅(qū)動能力和散熱性能。

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