Значение тепловых аспектов при проектировании усилителей класса D

Усилители класса D обеспечивают лучшие КПД и тепловые характеристики, чем сопоставимые усилители класса AB, но практика конструирования усилителей класса D все равно требует надлежащего внимания к электрическим и тепловым аспектам проекта. Для оценки характеристик усилителя класса D в лабораторных условиях большинство инженеров в качестве входного сигнала используют непрерывную синусоиду. Синусоида, хотя и удобная для целей измерения, представляет наихудший сценарий для тепловой нагрузки усилителя. Если на вход усилителя класса D подается непрерывная синусоида с уровнем, при котором выходная мощность близка к максимальной, нередко происходит срабатывание тепловой защиты усилителя.

Среднеквадратичное значение типичного материала аудиопрограммы, содержащего музыку и голос, намного ниже, чем его пиковая выходная мощность. Отношение пиковой мощности к среднеквадратичной, или «коэффициент амплитуды», обычно составляет в среднем около 12 дБ для голоса и от 18 до 20 дБ для музыкальных инструментов. Осциллограмма на Рисунке 1 показывает измерения во временной области среднеквадратичных значений напряжений аудиосигнала и синусоиды. Хотя звуковой сигнал содержит всплески музыки и его пиковые значения несколько выше, чем у синусоиды, среднеквадратичное значение приближается только к половине и может быть в среднем даже меньше, чем у синусоидального сигнала. Тепловое воздействие аудиосигнала на усилитель класса D значительно меньше, чем у синусоиды, и поэтому важно проверять характеристики с использованием реальных аудиосигналов, а не синусоидальных.

Рисунок 1.	Более высокий среднеквадратичный уровень (RMS) синусоидального сигнала по сравнению со звуковым сигналом даст завышенную оценку тепловой нагрузки на усилитель класса D при его тестировании синусоидой.

В стандартном для отрасли корпусе TQFN вскрытая теплоотводящая площадка кристалла на нижней стороне обеспечивает основной путь передачи тепла от микросхемы к медным участкам печатной платы усилителя, которые служат теплоотводом. Припайка микросхемы к большой медной контактной площадке помогает минимизировать тепловое сопротивление, как и многочисленные переходные отверстия, передающие тепло на противоположную сторону печатной платы, на которой дополнительная область меди еще больше снижает тепловое сопротивление. Кроме того, любой из выводов устройства можно подключить к области теплопередачи при условии, что выводы и теплоотводящая площадка имеют одинаковый электрический потенциал, как, например, правые контакты вверху и внизу на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Открытая луженая медная площадка в центре обеспечивает основной путь отвода тепла для микросхем усилителей класса D в корпусах TQFN или TQFP.

Хотя основной путь теплопередачи обеспечивают не выводы микросхемы, они рассеивают небольшое количество тепла, и полезно максимально увеличивать ширину всех дорожек платы, которые идут к микросхеме. На Рисунке 3 показаны широкие дорожки, соединяющие выходы микросхемы с двумя дросселями. В этом случае медные катушки дросселя обеспечивают дополнительный тепловой путь от усилителя класса D. Улучшение рассеивания тепла даже на несколько процентов может стать решающим фактором в достижении компромисса между приемлемыми характеристиками и проблемами теплоотвода. Чтобы дополнительно снизить тепловое сопротивление, можно использовать радиатор, который припаивается к плате рядом с микросхемой.

Рисунок 3.	Широкие печатные проводники справа от микросхемы усилителя класса D помогают отводить тепло от устройства к соседним компонентам.

Оценить температуру кристалла микросхемы усилителя класса D могут помочь несколько простых вычислений. Например, рассмотрим усилитель, который работает при температуре окружающей среды 40 °C, имеет выходную мощность 16 Вт и КПД 87%. Указанное в документации на микросхему тепловое сопротивление переход - окружающая среда составляет 21 °С/Вт. Сначала нужно рассчитать мощность, рассеиваемую усилителем класса D:

где

P_DISS – рассеиваемая мощность,
P_OUT – выходная мощность,
η – КПД.

Рассчитать температуру кристалла T_C на основе значения рассеиваемой мощности можно следующим образом:

где

Θ_JA – тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда,
T_A – температура окружающей среды.

Как видим, температура перехода находится в пределах максимально допустимого значения 150 °C. Система редко может позволить себе роскошь работы при температуре окружающей среды 25 °C, и важно основывать эти расчеты на разумной оценке фактической внутренней температуры системы.

Сопротивление включенного MOSFET выходного каскада усилителя класса D влияет как на его КПД, так и на способность выдерживать пиковые токи. Снижение пикового тока нагрузки уменьшает потери при переходных процессах и повышает КПД MOSFET. Чтобы еще больше снизить пиковые токи, нужно выбирать динамик с самым большим сопротивлением, при  котором еще обеспечивается желаемая выходная мощность, с учетом ограничений размаха выходного сигнала усилителя класса D и диапазона напряжений питания. На Рисунке 4 видно, что усилитель класса D с допустимым выходным током 2 А и диапазоном напряжений питания от 5 до 24 В переходит в режим ограничения тока при нагрузке 4 Ом и напряжении питания 8 В для соответствующей максимальной непрерывной выходной мощности 8 Вт.

Рисунок 4.	Выбор оптимальных значений сопротивления и напряжения питания, например, 12 Ом и 15 В, позволяет максимально увеличить выходную мощность и предотвратить искажения, вызванные ограничением тока.

Если выходная мощность 8 Вт является приемлемой, следует рассмотреть возможность использования динамика 12 Ом и напряжения питания 15 В. В этом случае порог ограничения пикового тока составляет 1.25 А, а соответствующая максимальная непрерывная выходная мощность равна 9.4 Вт. Кроме того, при нагрузке 12 Ом КПД усилителя на 10-15% выше, чем при 4 Ом, и рассеиваемая микросхемой мощность, соответственно, ниже. Фактическое улучшение КПД варьируется в зависимости от используемой микросхемы усилителя класса D.

Рисунок 5.	Номинальное электрическое сопротивление 8 Ом этого широкополосного динамика диаметром 13 см значительно меняется в зависимости от частоты.

Чтобы усложнить задачу разработчику, громкоговоритель ведет себя как сложная электромеханическая система, имеющая множество резонансов в своем диапазоне частот и проявляющая свой номинальный импеданс только в узкой полосе частот (Рисунок 5). В большей части полосы звуковых частот сопротивление этого громкоговорителя превышает его номинальное значение 8 Ом; добавление разделительного фильтра и высокочастотного динамика может снизить полное сопротивление нагрузки ниже номинального значения. Учитывайте поведение импеданса нагрузки при оценке необходимого тока источника питания и способности усилителя рассеивать тепло.