功率放大器的使用极限

功率放大器

为了实现功率放大器的可靠性设计，就必须考虑放大器的承受能力。通过功率放大器的安全工作区(SOA)曲线来确定功率的范围限制。放大器的承受能力取决于放大器的负载和信号的状态。

图1所示的一个简化的功率运算放大器，输出晶体管Q1和Q2给负载提供正的和负的输出电流。IOUT表示的是由放大器流出的电流，因此Q1是供给输出电流。对于正的输出电流，Q2是关的，从而可以略去。

在Q1有负载时,它的承受力是与输出电流和Q1两端的电压(它的集-射电压VCE)有关的。这两个量的乘积IOUT·VCE就是Q1的功耗。这个功耗是一个需要重点考虑的问题，但是“安全工作区”提供了一个放大器限制范围更完全的描述。

安全工作区

功率晶体管的功率适用范围是由它的安全工作区(SOA)来决定的(见图2)。SOA曲线表示了允许的电压(VCE)和电流(IOUT),最大安全电流是 VCE的函数。在VCE较低时，可以把更大输出电流输送给负载。在这区域上，如果超出最大电流，可能使芯片过载，并损坏器件。当VCE增加时，晶体管的功耗也增加，直到使结温上升到它的最大安全值为止。沿着这个热限定区域(虚线)的所有点都产生同样的功耗。图2中VCE·IO是个常量120W(在25℃ 时)，该曲线在这一区域上的所有点产生同样的最大结温，超过这一区域内的安全电流，就可能损坏晶体管。

当进一步增加VCE时，超出热限定区域，安全输出电流下降地更快，这个所谓的二次击穿区域乃是双极晶体管的一种特性。它是由双极晶体管产生“局部过热”引起的。在二次击穿区域内，超过安全输出电流会产生局部的热失控，从而损坏晶体管。

最终极限是晶体管的击穿电压，不能超过这个最大的电源电压。通常SOA曲线是表示安全输出电流如何随管壳温度而变化的曲线，这说明管壳温度对结温有影响。另外的一些曲线表示的最大安全电流，是对于那些根据器件的热时间常数而定的各种不同持续时间的脉冲来说的,应当把SOA曲线理解为绝对最大范围，在该曲线的热限定区段的任何点工作，都将产生最大许可的结温(一种对于长期工作的情况下建议不要采用的状态)。

尽管在曲线的二次击穿区域上工作只产生较低的温度，这条线仍是绝对最大值，在这条线以下工作,将提供更好的可靠性(即更好的平均故障时间-MTTF)。

散热

你除了保证使用不超出功率放大器的安全工作区外，还必须保证放大器不过热。为了提供一个足够的散热器,你必须确定最大功耗。下面将详细叙述影响SOA功耗及散热器要求的方法和要考虑的问题。

短路

一些放大器的应用设计必须满足能经受得住对地短路的要求。这就迫使全部的电源电压(或是V+或是V-)都加在导通的输出晶体管两端，该放大器将马上进入电流截止状态。为了经受得住这一状态，必须把带可调电流限制的功率运算放大器控制在安全电平上。

当OPA502(图2)的电源是±40V时，保护对地短路的最大电流限制值应是多少?

管壳温度保持在25℃时，就应把电流极限值最大为3A。如果把管壳温度维持到85℃，则2A的电流限制将是安全的，此时功耗将是80W，则可用0.75℃/W的散热器。例如，若运算放大器必须要经得住对一个电源的短路，那么最大VCE将是两个电源的总和。

一般认为,没有必要对所有的应用都做短路保护设计，但对功率放大器来说，这正是一个严格的条件。像熔断器或感受故障状态的电路那样的辅助手段就能够保证放大器所必须承受短路的时间。这可以大大地降低散热器的要求。

阻性负载

考察一个驱动电阻负载的功率放大器时,人们仅在最大输出电压和电流时进行安全性检验，但这种状态不总是它最大的承受能力。

在最大输出电压下，导通的晶体管两端的电压VCE是处在最小值的情况下，而功耗是最低的。事实上，如果放大器输出可以沿着电源曲线变化,则输出电流可以变得很大的，但放大器的功耗将会是零，因为VCE是零。

图3 描绘出了来自电源的功率、负载的功率和作为具有阻性负载输出电压函数的放大器功耗。提供给负载的功率随着输出电压的平方(*P=VO2/R)而增加，而来自电源的功率线性地增加，放大器的损耗沿抛物线变化。如果放大器的输出能一直沿着电源的轨迹变化(虚线部分)，则会把电源的全部功率，施加输送给负载，从而放大器的功率将会是零。

放大器的峰值功耗出现在V+/2的输出电压或50%的输出下，在这一点上，VCE 是V+/2而IO是V+/2RL。放大器在此最坏点上的功耗为VCE和IO的积，即(V+)2/(4RL)。检验这种状态，以保证其处在放大器的安全工作区(SOA)内。此外还要确保对于计算出来的功耗应有足够的散热，以防过热。

脉冲运用

有些应用必须处理电流脉冲或具有低占空因数的变化电流波形。SOA曲线有时表现出能为短持续时间的脉冲提供大电流的能力。在图2中标出了5ms、1ms和0.5ms脉冲的SOA极限值,占空因数必须很低(约5%或更低)，以便给输出晶体管上的热量提供消散的时间。

用一种与矩形脉冲近似的方法来估算异常的电流波形，如图4所示。对于电阻性负载，有最大负载的状态是在输出电压约为图示电源电压一半的时候。对于其它类型的负载，评价产生显著负载电流和高的VCE的任一种状态。评价脉冲电流超过放大器直流SOA范围的应用情形要特别仔细，因为它们接近器件的极限值。通过选取一个接近SOA极限值的恒定值来实现良好的可靠性。

交流信号

设想一个快速横切图3中曲线的时变信号，仅仅是短暂地通过最大功耗的那点。如果信号变化得足够快(超过50Hz)，那么器件的热时间常数引起的结温由平均功耗来决定。因此，交流应用通常要比相同峰值电压和电流的直流应用需要更少的功率。

如果信号是双向的，比如一个以零点为中心的正弦波，则每个输出晶体管“休息”半周，总的放大器功耗在两个输出晶体管之间均分，同时降低有效的封装热阻。

如果瞬时峰值损耗点在放大器的SOA内，首先要关心的是提供足够大的散热器以防止过热。由于这一峰值状态只是在一个交流周期中短暂地通过，交流应用能可靠工作，可更接近于SOA的极限值。

图5 表示的是具有±40V电源和8Ω电阻性负载的功率放大器的功率曲线，此外，功率是相对于最大电压输出的百分率来标绘的。正如直流的情况一样，由电源提供的功率随输出电压线性地增加，提供给负载的功率随输出电压的平方而增加。由放大器所消耗的功率PD是前两条曲线之差，PD曲线的形状与直流信号的情形类似，但在100%输出电压时不能接近于零。这是因为在满幅度交流输出电压下，输出快速地横扫图4的整个曲线(0到100%)，图5表示的是这种动态状态下的平均损耗。

当交流输出波形的峰值约为电源电压的63%时，放大器的损耗达到最大值。对于该正弦波的幅度，瞬时输出电压在交流周期的大部分区域，都是处在接近于电源电压一半的关键数值上。

对任意电源电压和负载电阻，可以利用由图5中曲线右侧标明的归一化值来度量。为了求出在给定信号电平下你的放大器的损耗，要用(V+)2/RL去乘取自右侧刻度的读数。

交流应用很少有一定要在图5的最大损耗点上经受连续运行的情形。例如，一个带有语音或音乐的音频放大器，其损耗一般要比这个最坏情形的值少得多，与信号的幅度无关。由于一种任意幅度的连续正弦波信号还是可能的，这种最坏情形的状态是一种有用的基准。依据应用的场合，你或许需要就这种状态来设计。

电抗负载-交流信号

图6 表示的是在纯电感性负载中电压和电流的关系曲线。电流滞后于负载电压90°，在电流是峰值时，负载电压是零。这就意味着放大器必定在导通晶体管两端的电压为满幅V+(对于峰值电流的负半周为V-)时，提供峰值电流。这种情况对于电容性负载，同样是严厉的，检验这种状态下SOA曲线上的电压和电流。

重新考察图5中的曲线，功率放大器的损耗等于来自电源的功率减去输送给负载的功率。来自电源的功率PS不论负载阻抗是电阻性的还是电抗性的都是一样的。但是，如果负载完全是电抗性的(电感或电容)，则输送给负载的功率是零。所以，由放大器消耗的功率就等于来自电源的功率，在满幅度输出下，这约是具有电阻负载的放大器在最坏情况下损耗的三倍。

电抗性负载是一种损耗很大的情形，与电阻性负载相比，它要求有一个大的散热器，幸亏纯电抗性负载是罕见的。例如，一个交流电机不可能是纯电感，否则它不能做任何机械功。

功率损耗

评价独特的负载和信号可能是复杂的，利用放大器的功耗等于电源的功率减去负载功率的原理，由电源输送的功率可以用如图7所示的方法来测量，来自每个电源的功率等于平均电流乘它的电压。如果输出波形是不对称的，要分别地测量和计算正和负电源，并把两个功率相加。如果波形是对称的，你可以测量一次并乘2。用平均值响应仪表来测量电流，一种简单的带有电流分流器装置的D'Arsonval型仪表工作得很好，不要使用有效值响应仪表。

对于正弦信号，很容易求负载的功率：

PLOAD=(Iorms)·(Vorms)·cos(θ)

式中θ是负载电压和电流之间的相位角(见测量方法图8)。

对于复杂波形，负载功率是更难测量的，你可能了解一些确定负载功率的有关负载的一些情况，不然的话，你可以使用乘法器集成电路，用顺次地乘以电压和电流的方法来建立一个测量负载功率的电路。乘法器的平均直流输出与平均负载功率成比例。

独特的负载

通常当运算放大器的输出为正时，它向负载提供电流(Q1导通，图1)。根据所涉及的负载和电压的形式，运算放大器在正的输出时可能不得不吸收电流(Q2导通)，或者在负的输出电压下要求运放能提供电流。在这些情况下，导通晶体管两端的电压要比V+或V-更大。

这种情况的例子是一种被用作电流源的功率运算放大器。在电流源的依从范围(compliance range)内，可以把它的输出接到任意电压电位上。使大电流流向负电位节点时，可能产生大的损耗，从而要求良好的SOA。

电机负载

评估电机负载可能是很棘手的，因为它们能够把储存的能量(机械能)返回给放大器，所以它们很像是个阻抗负载。当速度变化时，电机和负载的惯性可能引起放大器消耗非常大的功率。

机-电系统可以用电路来模拟，这本身就是一门学科(超出了本文的讨论范围)。

然而你可以在有效的负载状态下测量电机(或任何其它的负载)的V-I消耗。图8表示的是与负载串联连接的一个电流检测电阻，利用分别显示在示波器扫描线上的负载电压和电流，你就可以求出最大承载的条件。务必要考察导通晶体管两端的电压(VCE)，而不是放大器的输出电压，有最大承载的状态可能出现在中等电流下，但负载电压较低。

电压和电流的X-Y方式显示(图8B)也可以帮助鉴别易出故障的条件。电压和电流组合的更大功耗是那些偏离线性电阻负载的那些情形。

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