UCSP封裝的熱考慮

摘要：一個(gè)音頻放大器所能耗散的功率主要受限于它的封裝形式和外部散熱條件(PCB銅箔或金屬散熱器)。然而更高效的放大器，如D類放大器，需要耗散的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的AB類放大器。所有放大器的部分功率耗散都表現(xiàn)為熱。本文討論了UCSP?封裝的功率耗散能力和其相對(duì)于其他封裝是如何限制輸出功率的。 UCSP封裝 UCSP是一種封裝技術(shù)，它消除了傳統(tǒng)的密封集成電路(IC)的塑料封裝，直接將硅片焊接到PCB上，節(jié)省了PCB空間。但也犧牲了傳統(tǒng)封裝的一些優(yōu)點(diǎn)，尤其是散熱能力。 大多數(shù)音頻放大器的封裝都帶有一個(gè)裸露焊盤，使IC底層直接連接到散熱器或PCB地層。這種設(shè)計(jì)為IC到周圍環(huán)境提供了一條低熱阻的導(dǎo)熱通道，避免器件過熱。 使用UCSP封裝，IC通過底部焊球直接焊接到PCB上，因而器件底層到PCB通過焊球形成了直接通道。這些焊球擁有低熱阻，但它們的面積比典型的裸露焊盤小得多，導(dǎo)致散熱能力下降。雖然非接地焊球也有助于散熱，但相對(duì)于接地焊球的散熱能力來說低許多。大多數(shù)使用UCSP封裝芯片的系統(tǒng)空間非常有限，因此，利用器件頂層通過散熱器散熱也不現(xiàn)實(shí)。UCSP封裝不像其他使用散熱器的封裝具有比較牢固機(jī)械安裝，連接散熱器時(shí)容易受到損壞。 UCSP封裝的散熱能力要結(jié)合芯片的接地焊球和未接地焊球兩方面考慮。 功率耗散 音頻放大器一般提供多種封裝，其最大耗散功率與封裝有關(guān)。在很多例子中，封裝限制了耗散功率，進(jìn)而限制了可能的輸出功率。 很多IC在其數(shù)據(jù)資料的最大絕對(duì)額定值中給出了每種封裝可以耗散的最大連續(xù)功率，如圖1所示。具有裸露焊盤的封裝(如TDFN)通常能耗散最多的功率。注意，UCSP封裝能耗散的功率比裸露焊盤要小得多。 圖1. 典型的音頻放大器連續(xù)耗散功率額定值 輸出功率限制的計(jì)算 當(dāng)我們考慮沒有裸露焊盤的封裝時(shí)，我們必須認(rèn)識(shí)到封裝形式降低了功率耗散能力，進(jìn)而降低了輸出功率。使用高阻負(fù)載可以使效率最大化，使損耗最低。 AB類放大器 放大器能夠提供的輸出功率與選用的放大器類型有關(guān)，AB類放大器制造商通常具有與圖2類似的耗散功率與輸出功率對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。對(duì)于某個(gè)放大器，還可能提供不同輸入電壓、負(fù)載阻抗下的關(guān)系曲線。 圖2. AB類放大器的耗散功率與輸出功率 將從絕對(duì)額定值(圖1)中的連續(xù)耗散功率和耗散功率與輸出功率關(guān)系曲線(圖2)進(jìn)行比較，確定給定封裝可提供的最大輸出功率。在這個(gè)例子中，TDFN和μMAX?兩種封裝對(duì)輸出功率沒有限制，而UCSP封裝則會(huì)限制輸出功率。雖然例子中的放大器額定連續(xù)功率為1.1W，但使用UCSP封裝時(shí)只能輸出100mW。 D類放大器 D類放大器一般用效率曲線取代耗散功率曲線，如圖3所示。 圖3. D類放大器效率與輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系 D類放大器的效率比AB類高得多，因此在同等輸出功率條件下需要耗散的功率要低得多。耗散功率可以通過下式計(jì)算: 獲得1.1W的連續(xù)輸出功率時(shí)，放大器需要耗散的功率為225mW，低于圖1所示所有封裝的最大耗散功率，所以，對(duì)于同樣的輸出功率，可以采用各種封裝形式，包括UCSP封裝。 音源考慮 音頻放大器的輸出功率計(jì)算一般采用具有1% (< 6W)或10% (> 6W) THD+N的1kHz正弦波。 實(shí)際應(yīng)用中，放大器常被用來恢復(fù)語音、音樂或音效，這些波形所包含的能量比正弦波小。表1給出了幾種常見音源信號(hào)的RMS能量。 表1. 典型音源的RMS能量
Audio Source Material	Ratio of RMS Level to Peak Level (dB)
Sine Wave	-3
Rock Music	-10.8
Telephone Ringing	-12.3
Classical Music	-15.8

這些數(shù)據(jù)顯示要獲得同樣的輸出功率，輸出信號(hào)需要比正弦波具有更高的峰值電壓。

例如上面提到的UCSP封裝AB類放大器，如果連續(xù)輸出的正弦波峰值是2.5VP-P ，換成表1的搖滾樂，輸出電壓峰值即使達(dá)到6.2VP-P也不會(huì)超過封裝允許功率耗散能力。同樣電壓峰值的正弦波能夠?yàn)?Ω負(fù)載提供600mW驅(qū)動(dòng)功率。

結(jié)論

選擇音頻放大器時(shí)必須考慮各種封裝的功率耗散能力。在一些案例中，不同的封裝也可以獲得相同的連續(xù)輸出功率。事實(shí)上，UCSP封裝能夠允許的連續(xù)功率低于帶裸露焊盤的封裝?？梢岳酶咝類放大器取代AB類放大器來克服功率耗散問題，而不是簡(jiǎn)單地放棄UCSP封裝。這種設(shè)計(jì)能夠使UCSP封裝的應(yīng)用范圍更廣。

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