根據(jù)SAR音頻信號(hào)鏈IC預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)設(shè)備的頻段數(shù)量的不斷增加，2018年音頻放大器市場(chǎng)的出貨量已增長(zhǎng)至2010年的3倍。“智能手機(jī)市場(chǎng)的放大器出貨量增長(zhǎng)和立體聲音頻均有增長(zhǎng)的高端和中端手機(jī)市場(chǎng)相關(guān)，后者的手機(jī)價(jià)格在200美元至500美元之間。”SAR Insight首席分析師Peter Cooney表示：我們預(yù)計(jì)這一增長(zhǎng)將進(jìn)一步持續(xù)，至2022年，安裝在中端手機(jī)的放大器將從2017年的5億個(gè)增至7億個(gè)左右。

“越來(lái)越多的消費(fèi)者將智能手機(jī)作為看視頻、玩游戲和聽(tīng)音樂(lè)的主要設(shè)備。無(wú)論聽(tīng)筒模式還是揚(yáng)聲器模式，D類功率放大器提供移動(dòng)應(yīng)用的“三大要求”：增強(qiáng)的音頻聲效、有效的低耗管理和節(jié)約空間的封裝。通過(guò)采用高級(jí)電池管理和預(yù)測(cè)算法等功能，智能音頻放大器可在揚(yáng)聲器模式下增加音量，同時(shí)降低噪音和功耗，從而延長(zhǎng)電池壽命并縮短通話時(shí)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(guò)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(zhǎng)電池壽命。 音頻增強(qiáng)—— 播放可以微調(diào)到移動(dòng)系統(tǒng)中使用的特定微型揚(yáng)聲器。加強(qiáng)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(yáng)聲器的獨(dú)特頻率響應(yīng)，同時(shí)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(yáng)聲器，改善移動(dòng)設(shè)備用戶的游戲和視頻流音頻體驗(yàn)。

D類音頻功放IC散熱注意事項(xiàng)

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(shí)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(guò)幾個(gè)常見(jiàn)的例子說(shuō)明了良好的設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)幾個(gè)常見(jiàn)的例子說(shuō)明了良好的設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的原則。 連續(xù)正弦波與音樂(lè) 在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估D類放大器性能時(shí)，常使用連續(xù)正弦波作為信號(hào)源。盡管使用正弦波進(jìn)行測(cè)量比較方便，但這樣的測(cè)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(dòng)D類放大器，則放大器常常會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

常見(jiàn)的音源，包含音樂(lè)和語(yǔ)音，其RMS值往往比峰值輸出功率低得多。通常情況下，語(yǔ)音的峰值與RMS功率之比(即波峰因數(shù))為12dB，而音樂(lè)的波峰因數(shù)為18dB至20dB。圖1所示為時(shí)域內(nèi)音頻信號(hào)和正弦波的波形圖，給出了采用示波器測(cè)量?jī)烧逺MS值的結(jié)果。雖然音頻信號(hào)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(hào)可能存在突變，但正如測(cè)量結(jié)果所示，其平均值仍遠(yuǎn)低于正弦波。雖然音頻信號(hào)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(lái)的熱效應(yīng)卻大大低于正弦波。因此，測(cè)量系統(tǒng)的熱性能時(shí)，最好使用實(shí)際音頻信號(hào)而非正弦波作為信號(hào)源。如果只能使用正弦波，則所得到的熱性能要比實(shí)際系統(tǒng)差。

PCB的散熱注意事項(xiàng)

在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TQFN封裝中，裸露的焊盤(pán)是IC散熱的主要途徑。對(duì)底部有裸露焊盤(pán)的封裝來(lái)說(shuō)，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(jiàn)的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤(pán)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(shì)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(pán)的右上方和右下方相連(如圖2)。敷銅走線應(yīng)盡可能寬，因?yàn)檫@將影響到系統(tǒng)的整體散熱性能。

與裸露焊盤(pán)相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過(guò)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(hào)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(shí)際應(yīng)用中仍然會(huì)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(gè)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(duì)整體熱性能的改善不到10%，但這樣的改善卻會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)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(shí)，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(pán)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(gè)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(jì)算

D類放大器的管芯溫度可以通過(guò)一些基本計(jì)算進(jìn)行估計(jì)。本例中根據(jù)下列條件計(jì)算其溫度： TAM = +40°C POUT = 16W 效率(η) = 87% ΘJA = 21°C/W 首先，計(jì)算D類放大器的功耗： 公式1 然后，通過(guò)功耗計(jì)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(shí)具有較為理想的性能。因?yàn)橄到y(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(shí)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(jí)的導(dǎo)通電阻會(huì)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M(fèi)OSFET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(yáng)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(shí)，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(gè)12Ω揚(yáng)聲器和15V供電電壓，此時(shí)的峰值電流限制在1.25A，對(duì)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(shí)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(yáng)聲器的阻抗都采用4Ω或8Ω，但也可采用其他阻抗的揚(yáng)聲器實(shí)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(yáng)聲器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，具有多種諧振元件。換言之，8Ω的揚(yáng)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(huì)大于其標(biāo)稱值，在大部分音頻帶寬內(nèi)，該揚(yáng)聲器的阻抗都會(huì)遠(yuǎn)大于其8Ω的標(biāo)稱值。然而，高頻揚(yáng)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(dòng)能力和散熱性能。

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