运放的最大功率消耗受限于什么因素

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。

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。

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。

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。