功率放大器的使用極限

為了實現(xiàn)功率放大器的可靠性設(shè)計，就必須考慮放大器的承受能力。通過功率放大器的安全工作區(qū)（SOA）曲線來確定功率的范圍限制。放大器的承受能力取決于放大器的負載和信號的狀態(tài)。

圖1所示的一個簡化的功率運算放大器，輸出晶體管Q1和Q2給負載提供正的和負的輸出電流。IOUT表示的是由放大器流出的電流，因此Q1是供給輸出電流。對于正的輸出電流，Q2是關(guān)的，從而可以略去。

在Q1有負載時,它的承受力是與輸出電流和Q1兩端的電壓（它的集-射電壓VCE）有關(guān)的。這兩個量的乘積IOUT·VCE就是Q1的功耗。這個功耗是一個需要重點考慮的問題，但是“安全工作區(qū)”提供了一個放大器限制范圍更完全的描述。

安全工作區(qū)

功率晶體管的功率適用范圍是由它的安全工作區(qū)（SOA）來決定的（見圖2）。SOA曲線表示了允許的電壓（VCE）和電流（IOUT）,最大安全電流是 VCE的函數(shù)。在VCE較低時，可以把更大輸出電流輸送給負載。在這區(qū)域上，如果超出最大電流，可能使芯片過載，并損壞器件。當VCE增加時，晶體管的功耗也增加，直到使結(jié)溫上升到它的最大安全值為止。沿著這個熱限定區(qū)域（虛線）的所有點都產(chǎn)生同樣的功耗。圖2中VCE·IO是個常量120W（在25℃ 時），該曲線在這一區(qū)域上的所有點產(chǎn)生同樣的最大結(jié)溫，超過這一區(qū)域內(nèi)的安全電流，就可能損壞晶體管。

當進一步增加VCE時，超出熱限定區(qū)域，安全輸出電流下降地更快，這個所謂的二次擊穿區(qū)域乃是雙極晶體管的一種特性。它是由雙極晶體管產(chǎn)生“局部過熱”引起的。在二次擊穿區(qū)域內(nèi)，超過安全輸出電流會產(chǎn)生局部的熱失控，從而損壞晶體管。

最終極限是晶體管的擊穿電壓，不能超過這個最大的電源電壓。通常SOA曲線是表示安全輸出電流如何隨管殼溫度而變化的曲線，這說明管殼溫度對結(jié)溫有影響。另外的一些曲線表示的最大安全電流，是對于那些根據(jù)器件的熱時間常數(shù)而定的各種不同持續(xù)時間的脈沖來說的,應當把SOA曲線理解為絕對最大范圍，在該曲線的熱限定區(qū)段的任何點工作，都將產(chǎn)生最大許可的結(jié)溫（一種對于長期工作的情況下建議不要采用的狀態(tài)）。

盡管在曲線的二次擊穿區(qū)域上工作只產(chǎn)生較低的溫度，這條線仍是絕對最大值，在這條線以下工作,將提供更好的可靠性（即更好的平均故障時間-MTTF）。

散熱

你除了保證使用不超出功率放大器的安全工作區(qū)外，還必須保證放大器不過熱。為了提供一個足夠的散熱器,你必須確定最大功耗。下面將詳細敘述影響SOA功耗及散熱器要求的方法和要考慮的問題。

短路

一些放大器的應用設(shè)計必須滿足能經(jīng)受得住對地短路的要求。這就迫使全部的電源電壓（或是V＋或是V－）都加在導通的輸出晶體管兩端，該放大器將馬上進入電流截止狀態(tài)。為了經(jīng)受得住這一狀態(tài)，必須把帶可調(diào)電流限制的功率運算放大器控制在安全電平上。

當OPA502（圖2）的電源是±40V時，保護對地短路的最大電流限制值應是多少？

管殼溫度保持在25℃時，就應把電流極限值最大為3A。如果把管殼溫度維持到85℃，則2A的電流限制將是安全的，此時功耗將是80W，則可用0.75℃/W的散熱器。例如，若運算放大器必須要經(jīng)得住對一個電源的短路，那么最大VCE將是兩個電源的總和。

一般認為,沒有必要對所有的應用都做短路保護設(shè)計，但對功率放大器來說，這正是一個嚴格的條件。像熔斷器或感受故障狀態(tài)的電路那樣的輔助手段就能夠保證放大器所必須承受短路的時間。這可以大大地降低散熱器的要求。

阻性負載

考察一個驅(qū)動電阻負載的功率放大器時,人們僅在最大輸出電壓和電流時進行安全性檢驗，但這種狀態(tài)不總是它最大的承受能力。

在最大輸出電壓下，導通的晶體管兩端的電壓VCE是處在最小值的情況下，而功耗是最低的。事實上，如果放大器輸出可以沿著電源曲線變化,則輸出電流可以變得很大的，但放大器的功耗將會是零，因為VCE是零。

圖3 描繪出了來自電源的功率、負載的功率和作為具有阻性負載輸出電壓函數(shù)的放大器功耗。提供給負載的功率隨著輸出電壓的平方（*P=VO2/R）而增加，而來自電源的功率線性地增加，放大器的損耗沿拋物線變化。如果放大器的輸出能一直沿著電源的軌跡變化（虛線部分），則會把電源的全部功率，施加輸送給負載，從而放大器的功率將會是零。

放大器的峰值功耗出現(xiàn)在V＋/2的輸出電壓或50％的輸出下，在這一點上，VCE 是V＋/2而IO是V＋/2RL。放大器在此最壞點上的功耗為VCE和IO的積，即（V＋）2/（4RL）。檢驗這種狀態(tài)，以保證其處在放大器的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)。此外還要確保對于計算出來的功耗應有足夠的散熱，以防過熱。

脈沖運用

有些應用必須處理電流脈沖或具有低占空因數(shù)的變化電流波形。SOA曲線有時表現(xiàn)出能為短持續(xù)時間的脈沖提供大電流的能力。在圖2中標出了5ms、1ms和0.5ms脈沖的SOA極限值,占空因數(shù)必須很低（約5％或更低），以便給輸出晶體管上的熱量提供消散的時間。

用一種與矩形脈沖近似的方法來估算異常的電流波形，如圖4所示。對于電阻性負載，有最大負載的狀態(tài)是在輸出電壓約為圖示電源電壓一半的時候。對于其它類型的負載，評價產(chǎn)生顯著負載電流和高的VCE的任一種狀態(tài)。評價脈沖電流超過放大器直流SOA范圍的應用情形要特別仔細，因為它們接近器件的極限值。通過選取一個接近SOA極限值的恒定值來實現(xiàn)良好的可靠性。

交流信號

設(shè)想一個快速橫切圖3中曲線的時變信號，僅僅是短暫地通過最大功耗的那點。如果信號變化得足夠快（超過50Hz），那么器件的熱時間常數(shù)引起的結(jié)溫由平均功耗來決定。因此，交流應用通常要比相同峰值電壓和電流的直流應用需要更少的功率。

如果信號是雙向的，比如一個以零點為中心的正弦波，則每個輸出晶體管“休息”半周，總的放大器功耗在兩個輸出晶體管之間均分，同時降低有效的封裝熱阻。

如果瞬時峰值損耗點在放大器的SOA內(nèi)，首先要關(guān)心的是提供足夠大的散熱器以防止過熱。由于這一峰值狀態(tài)只是在一個交流周期中短暫地通過，交流應用能可靠工作，可更接近于SOA的極限值。

圖5 表示的是具有±40V電源和8Ω電阻性負載的功率放大器的功率曲線，此外，功率是相對于最大電壓輸出的百分率來標繪的。正如直流的情況一樣，由電源提供的功率隨輸出電壓線性地增加，提供給負載的功率隨輸出電壓的平方而增加。由放大器所消耗的功率PD是前兩條曲線之差，PD曲線的形狀與直流信號的情形類似，但在100％輸出電壓時不能接近于零。這是因為在滿幅度交流輸出電壓下，輸出快速地橫掃圖4的整個曲線（0到100％），圖5表示的是這種動態(tài)狀態(tài)下的平均損耗。

當交流輸出波形的峰值約為電源電壓的63％時，放大器的損耗達到最大值。對于該正弦波的幅度，瞬時輸出電壓在交流周期的大部分區(qū)域，都是處在接近于電源電壓一半的關(guān)鍵數(shù)值上。

對任意電源電壓和負載電阻，可以利用由圖5中曲線右側(cè)標明的歸一化值來度量。為了求出在給定信號電平下你的放大器的損耗，要用（V＋）2/RL去乘取自右側(cè)刻度的讀數(shù)。

交流應用很少有一定要在圖5的最大損耗點上經(jīng)受連續(xù)運行的情形。例如，一個帶有語音或音樂的音頻放大器，其損耗一般要比這個最壞情形的值少得多，與信號的幅度無關(guān)。由于一種任意幅度的連續(xù)正弦波信號還是可能的，這種最壞情形的狀態(tài)是一種有用的基準。依據(jù)應用的場合，你或許需要就這種狀態(tài)來設(shè)計。

電抗負載-交流信號

圖6 表示的是在純電感性負載中電壓和電流的關(guān)系曲線。電流滯后于負載電壓90°，在電流是峰值時，負載電壓是零。這就意味著放大器必定在導通晶體管兩端的電壓為滿幅V＋（對于峰值電流的負半周為V－）時，提供峰值電流。這種情況對于電容性負載，同樣是嚴厲的，檢驗這種狀態(tài)下SOA曲線上的電壓和電流。

重新考察圖5中的曲線，功率放大器的損耗等于來自電源的功率減去輸送給負載的功率。來自電源的功率PS不論負載阻抗是電阻性的還是電抗性的都是一樣的。但是，如果負載完全是電抗性的（電感或電容），則輸送給負載的功率是零。所以，由放大器消耗的功率就等于來自電源的功率，在滿幅度輸出下，這約是具有電阻負載的放大器在最壞情況下?lián)p耗的三倍。

電抗性負載是一種損耗很大的情形，與電阻性負載相比，它要求有一個大的散熱器，幸虧純電抗性負載是罕見的。例如，一個交流電機不可能是純電感，否則它不能做任何機械功。

功率損耗

評價獨特的負載和信號可能是復雜的，利用放大器的功耗等于電源的功率減去負載功率的原理，由電源輸送的功率可以用如圖7所示的方法來測量，來自每個電源的功率等于平均電流乘它的電壓。如果輸出波形是不對稱的，要分別地測量和計算正和負電源，并把兩個功率相加。如果波形是對稱的，你可以測量一次并乘2。用平均值響應儀表來測量電流，一種簡單的帶有電流分流器裝置的D＇Arsonval型儀表工作得很好，不要使用有效值響應儀表。

對于正弦信號，很容易求負載的功率：

PLOAD＝（Iorms）·（Vorms）·cos（θ）

式中θ是負載電壓和電流之間的相位角（見測量方法圖8）。

對于復雜波形，負載功率是更難測量的，你可能了解一些確定負載功率的有關(guān)負載的一些情況，不然的話，你可以使用乘法器集成電路，用順次地乘以電壓和電流的方法來建立一個測量負載功率的電路。乘法器的平均直流輸出與平均負載功率成比例。

獨特的負載

通常當運算放大器的輸出為正時，它向負載提供電流（Q1導通，圖1）。根據(jù)所涉及的負載和電壓的形式，運算放大器在正的輸出時可能不得不吸收電流（Q2導通），或者在負的輸出電壓下要求運放能提供電流。在這些情況下，導通晶體管兩端的電壓要比V＋或V－更大。

這種情況的例子是一種被用作電流源的功率運算放大器。在電流源的依從范圍（compliance range）內(nèi)，可以把它的輸出接到任意電壓電位上。使大電流流向負電位節(jié)點時，可能產(chǎn)生大的損耗，從而要求良好的SOA。

電機負載

評估電機負載可能是很棘手的，因為它們能夠把儲存的能量（機械能）返回給放大器，所以它們很像是個阻抗負載。當速度變化時，電機和負載的慣性可能引起放大器消耗非常大的功率。

機-電系統(tǒng)可以用電路來模擬，這本身就是一門學科（超出了本文的討論范圍）。

然而你可以在有效的負載狀態(tài)下測量電機（或任何其它的負載）的V-I消耗。圖8表示的是與負載串聯(lián)連接的一個電流檢測電阻，利用分別顯示在示波器掃描線上的負載電壓和電流，你就可以求出最大承載的條件。務必要考察導通晶體管兩端的電壓（VCE），而不是放大器的輸出電壓，有最大承載的狀態(tài)可能出現(xiàn)在中等電流下，但負載電壓較低。

電壓和電流的X-Y方式顯示（圖8B）也可以幫助鑒別易出故障的條件。電壓和電流組合的更大功耗是那些偏離線性電阻負載的那些情形。