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為了實現功率放大器的可靠性設計，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（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。 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”提供了一個放大器限制范圍更完全的描述。 安全工作區 功率晶體管的功率適用范圍是由它的安全工作區（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。在VCE較低時，可以把更大輸出電流輸送給負載。在這區域上，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，直到使結溫上升到它的最大安全值為止。沿著這個熱限定區域（虛線）的所有點都產生同樣的功耗。圖2中VCE·IO是個常量120W（在25℃ 時），該曲線在這一區域上的所有點產生同樣的最大結溫，超過這一區域內的安全電流，就可能損壞晶體管。 當進一步增加VCE時，超出熱限定區域，安全輸出電流下降地更快，這個所謂的二次擊穿區域乃是雙極晶體管的一種特性。它是由雙極晶體管產生“局部過熱”引起的。在二次擊穿區域內，超過安全輸出電流會產生局部的熱失控，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，是對于那些根據器件的熱時間常數而定的各種不同持續時間的脈沖來說的,應當把SOA曲線理解為絕對最大范圍，在該曲線的熱限定區段的任何點工作，都將產生最大許可的結溫（一種對于長期工作的情況下建議不要采用的狀態）。 盡管在曲線的二次擊穿區域上工作只產生較低的溫度，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計必須滿足能經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。為了經受得住這一狀態，必須把帶可調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，以保證其處在放大器的安全工作區（SOA）內。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的變化電流波形。SOA曲線有時表現出能為短持續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，評價產生顯著負載電流和高的VCE的任一種狀態。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良好的可靠性。 交流信號 設想一個快速橫切圖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引起的結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，首先要關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表示的是這種動態狀態下的平均損耗。 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域，都是處在接近于電源電壓一半的關鍵數值上。 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去乘取自右側刻度的讀數。 交流應用很少有一定要在圖5的最大損耗點上經受連續運行的情形。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。由于一種任意幅度的連續正弦波信號還是可能的，這種最壞情形的狀態是一種有用的基準。依據應用的場合，你或許需要就這種狀態來設計。 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損耗的三倍。 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，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點時，可能產生大的損耗，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，有最大承載的狀態可能出現在中等電流下，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。 |
