运放的最大功率消耗受限于什么因素

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前段时间看了一款运放的数据手册,其中“绝对额定最大值”一节,有个“最大功率消耗”部分,写的非常简练。所以在这里将它的要点整理下来,加深理解。

我始终认为,使用某个器件前,将它的数据手册大致过一遍是很明智的行为。很多工程师,特别是做硬件的新手,只是按照典型电路把原理图绘制出来,就算是设计好了。这样做存在很大风险,因为器件可能会被用错,导致可靠性问题甚至无法正常运行。

比如,AMS1117型号的LDO,很多工程师都用过,但是很少用人注意过,它的数据手册里提到了输出电容需要用钽电容等ESR较大的电容,陶瓷电容是不行的,否则可能会有稳定性问题(我就见过)。因为这类LDO的环路是通过输出电容的ESR去控制的,但ESR也不能太大。如果遇到了问题,才想起来查看数据手册,那就是亡羊补牢了。

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图1 AMS1117的输出电容部分

在《硬件产品设计与开发》一书中,作者也谈论了这个问题。他讲,事实上,经验越丰富的工程师,使用某款器件前,越是会认真阅读它的数据手册。

那么运放的最大功率消耗受限于什么因素呢? 受限于运放封装模具(die)上的结温。玻璃的转化温度大约是150℃,在这个温度下,塑料会改变它自身的性质。即使只是短暂的超过了这个最大温度限制,也会改变封装施加在模具(die)上的压力,一些参数将会受到影响,比如Ibs本来2pA,超过结温150℃后,Ibs变成了1nA(方便理解而举的例子,可能不符合事实)。如果结温超过150℃几个周期,那么可能会导致芯片失效。

运放的功率计算分为两个部分,一个是它本身的静态功率,一个是由于负载运放自身的损耗,两个部分相加即为运放自身一共消耗的功率 。静态功率就是电源电压(即Vp-Vn)乘以它的静态电流。运放的静态电流一般在一两个毫安到二十几个毫安,高速运放的静态电流一般偏大。我最近选型的一款高速运放,它的静态电流有28mA,当±5V供电时。有意思的是,一般高速运放的电压噪声密度会比较低,如三四个nV/sqrt(Hz)。

由于负载,运放自身的功率消耗是跟不同的应用有关系的,交流或者直流。运放的输出电流,以及由于负载运放自身的压降,二者的乘积即为第二部分功率。这个电压和电流要用有效值,所以直流应用比较容易计算功率。

电路书里面会有最大功率传输的内容,以直流应用为例,运放输出电压多少时候,它的功率最高呢?结果参见图2。

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图2 运放的直流应用时,输出电压在电源电压中间时,功率是最大的。低功率应用需注意。(这里的RL包括是负载电阻与反馈电阻的并联)

运放的功率消耗组成已经知道了,静态功率与运放由于负载造成的功率,二者相加即可。现在很多仿真软件可以很方便的仿真运放电路的功率了,比如LTspice。交流应用的时候很方便。

前面已经知道了,运放的最大功率受限于它的结温。知道我们的运放电路功率以后,乘以它的热阻(θJA,环境到结的热阻 ),加上环境温度后就可以知道结温了。不同封装的θJA是不同的,一般封装越大,θJA越大。另外可以通过裸露焊盘打过孔接地等方式进一步减小θJA。

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图3 环境到结的热阻模型

最后总结一下。使用运放的时候要记住,决不能够超过结温,最大功率正是受限于它。所以可以看到很多大功率应用都会加风扇和散热片等进行降温(减小θJA)。知道估算功率的方法后,遇到相关电路就可以借助仿真软件完成功率计算;因为有些应用比如输入信号为脉冲,它的最大功率手算比较麻烦。工程师的价值在于保时保量做出有用的东西来,而不在于算术。另外,使用器件前,特别是以前从没接触过的器件,最好认真阅读下它的说明书,做到心中有数。

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