功率放大电路的安全运行.ppt

,模拟电子技术基础,课件制作：,郑恒秋,9.3 功率放大电路的安全运行,在功率放大电路中，功放管既要流过大电流，又要承受高电压。只有功放管不超过其极限值，电路才能正常工作。因此，所谓功率放大电路的安全运行，实际上就是要保证功放管的安全工作。在实用电路中，常加保护措施，以防止功放管过电压、过电流和过功耗。,一、功放管的二次击穿 二、功放管的散热问题,一、功放管的二次击穿,1、二次击穿现象 在实际工作中，常发现功率晶体管的功耗并未超过允许的PCM值，管身也并不烫，但功率晶体管却突然失效或者性能显著下降。这种损坏的的原因，不少是由于二次击穿所造成的。那么什么叫二次击穿呢？它产生的原因又是什么呢？应当如何防止呢？这些问题很值得研究和讨论。 从晶体管的输出特性可知，对于某一条输出特性曲线，当ce之间电压增大到一定数值时，晶体管将产生击穿现象；而且，IB愈大，击穿电压愈低，称这种击穿为“一次击穿”。,晶体管在一次击穿后，集电极电流会骤然增大，若不加以限制，则晶体管的工作点变化到临界点A时，工作点将以毫秒甚至微秒级的高速度从A点到B点，此时电流猛增，而管压降却减小，如下图所示，称为“二次击穿”。晶体管经过二次击穿后，性能将明显下降，甚至造成永久性损坏。,IB不同时二次击穿的临界点不同，将它们连接起来，便得到二次击穿临界曲线，简称为 SB曲线，如下图所示。,2、二次击穿是怎样产生的 产生二次击穿的原因至今尚不清楚。一般说来，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。它的物理过程多数人认为是由于流过晶体管结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。这与晶体管的制造工艺有关。,3、如何防止二次击穿 晶体管的二次击穿特性对功率管，特别是外延型功率管，在运用性能的恶化和损坏方面起着重要影响。为了保证功率管安全工作，必须考虑二次击穿的因素。因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压V（BR）CE和集电极允许的最大功耗PCM所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制，其安全工作区如下图虚线内所示。显然，考虑了二次击穿以后，功率晶体管的安全工作范围变小了。,从二次击穿产生的过程可知，防止晶体管的一次击穿，并限制其集电极电流，就可避免二次击穿。,二、功放管的散热问题,功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值PCM。而晶体管的耗散功率取决于管子内部的 PN结（主要是集电结）温度 Tj，当 Tj超过允许值后，集电极电流将急剧增大而烧坏管子。 硅管的结温允许值为120180，锗管的结温允许值为85左右。耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之积。 管子的功耗愈大，结温愈高。因而改善功放管的散热条件，可以在同样的结温下提高集电极最大耗散功率PCM ，也就可以提高输出功率。,二、功放管的散热问题,1、热阻的概念 热的传导路径，称为热路。阻碍热传导的阻力称为热阻。真空不易传热，即热阻大；金属的传热性好，即热阻小。 在晶体管中，管子上的电压降大部分都降在集电结上，它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子发热。这个热量要从管芯向外传递。设结温为Tj ，环境温度为Ta ，则温差T（= Tj Ta ）与集电结耗散功率PC成正比，比例系数称为热阻尼，即,可见，热阻尼是传递单位功率时所产生的温差，单位为W。RT愈大，表明相同温差下能够散发的热能愈小。换言之， RT愈大，表明同样的功耗下结温愈高。可见，热阻是衡量晶体管散热能力的一个重要参数。,当晶体管结温达到最大允许值TjM时，集电结功耗也达到PCM ，若环境温度为Ta ，则,式中，若管子的型号确定，则TjM也就确定， Ta常以25为基准，因而要想增大PCM，必须减小RT 。,2、热阻的估算 以晶体管为例，管芯（J）向环境（A）散热的途径有两条：管芯（J）到外壳（C），再经外壳到环境；或者管芯（ J ）到外壳（C），再经散热片（S）到环境。即JC A或J C S A，如下图所示。,设JC间热阻为RjC ，CA间热阻为RCa ，CS间热阻为RCS ，SA间热阻为Rsa ，则反映晶体管散热情况的热阻模型如下图所示。,在小功率放大电路中，放大管一般不加散热器，故晶体管的等效热阻为 RT=RjC+Rca 在大功率放大电路中，功放管一般均要加散热器，且RCS+RSaRCa，故 RT RjC+RCS+RSa,不同型号的管子RjC不同，如 3AD30的RjC为 1/W，而 3DG7的RjC却大于150W，可见其差别很大。 RCa与外壳所用材料和几何尺寸有关，如大功率管3AD30的RCa为 30 CW，而小功率管 3DG7的RCa为 150W。 上式中RCS既取决于晶体管和散热器之间是否加绝缘层（如聚乙烯薄膜、0.050.lmm的云母片），又取决于二者之间的接触面积和压紧程度。 RSa与散热器所用材料及其表面积大小、厚薄、颜色，和散热片的安装位置等因素紧密相关。,3、功放管的散热器 两种散热器如下图所示。,经验表明，当散热器垂直或水平放置时，有利于通风，故散热效果较好。 散热器表面钝化涂黑，有利于热辐射，从而可以减小热阻。 在产品手册中给出的最大集电极耗散功率是在指定散热器（材料、尺寸等）及一定环境温度下的允许值；若改善散热条件，如加大散热器、用电风扇强制风冷，则可获得更大一些的耗散功率。,9.4 集成功率放大电路,OTL、OCL和BTL电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。应当注意，在使用OTL电路时，需外接输出电容。为了改善频率特性，减小非线性失真，很多电路内部还引入深度负反馈。本节以低频功放为例，讲述集成功放的电路组成、工作原理、主要性能指标和典型应用。,一、集成功率放大电路分析 二、集成功率放大电路的主要性能指标 三、集成功率放大电路的应用,一、集成功率放大电路分析,LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。 1、LM386内部电路 LM386内部电路原理图如下图所示。,与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路，如点划线所划分。,第一级为差分放大电路，T1和T3 、 T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管； T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；信号从T3和T4管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。 根据第三章关于镜像电流源作为差分放大电路有源负载的分析可知，它可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。,第二级为共射放大电路， T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。 第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。,利用瞬时极性法可以判断出，引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为 OTL电路。输出端（引脚 5）应外接输出电容后再接负载。 电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。,2、LM386的电压放大倍数 当引脚1和8之间开路时，由于在交流通路中T1管发射极近似为地， R5和R6上的动态电压为反馈电压，近似等于同相输入端的输入电压。即为二分之一差模输入电压，于是可写出表达式为,所以，当引脚1和8之间外接不同阻值的电阻时，Au的调节范围为 20200，因而增益 20lg| Au |约为 2646 dB。,实际上，在引脚1和5（即输出瑞）之间外接电阻也可改变电路的电压放大倍数。若外接电阻为R，则,应当指出，在引脚1和8（或者1和5）外接电阻时，应只改变交流通路，所以必须在外接电阻回路中串联一个大容量电容。,3、LM386的引脚图 LM386的外形和引脚的排列如下图所示。,引脚2为反相输人端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取 10 F。,二、集成功率放大电路的主要性能指标,集成功率放大电路的主要性能指标除最大输出功率外，还有电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽、输入阻抗、输入偏置电流、总谐波失真等。 LM3861和 LM3863的电源电压为 412 V，LM3864的电源电压为518 V。因此，对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同；当然，对于同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也将不同。 已知电源的静态电流（可查阅手册）和负载电流最大值（通过最大输出功率和负载可求出），可求出电源的功耗，从而得到转换效率。,几种典型产品的性能如下表所示。,表中所示电压增益均在信号频率为l KHz条件下测试所得。应当指出，表中所示均为典型数据，使用时应进一步查阅手册，以便获得更确切的数据。,三、集成功率放大电路的应用,1、集成OTL电路的应用 下图所示为LM386的一种基本用法，也是外接元件最少的一种用法，Cl为输出电容。,由于引脚 1和 8开路，集成功放的电压增益为 26 dB，即电压放大倍数为20。利用RW可调节扬声器的音量。R和C2串联构成校正网络用来进行相位补偿。,静态时输出电容上电压为VCC2，LM386的最大不失真输出电压的峰一峰值约为电源电压VCC 。设负载电阻为RL，最大输出功率表达式为,此时的输入电压有效值的表达式为,当VCC=16V，RL=32时，Pom1W，Uim 283mV。,下图所示为LM386电压增益最大时的用法,C3使引脚1和8在交流通路中短路，使Au200；C4为旁路电容；C5为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。当VCC=16V，RL=32时， Pom仍约为1w；但是，输入电压的有效值Uim却仅需28.3 mV。,下图所示为LM386的一般用法，用R2改变LM386的电压增益,2、集成OCL电路的应用 右图所示为TDA1521的基本用法。,TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两个声道的功放。其内部引入了深度电压串联负反馈，闭环电压增益为 30 dB，并具有待机、静噪功能以及短路和过热保护等。,查阅手册可知，当 Vcc= 16 V，RL 8时，若要求总谐波失真为0 .5%，则Pom12 W。由于最大输出功率的表达式为,可得最大不失真输出电压 Uom9.8 V，其峰值约为 13.9 V，可见功放输出级的最小管压降约为 2.1V。当输出功率为Pom时，输入电压有效值 Uim 327mV 。,3、集成BTL电路的应用,TDA1556为2通道BTL电路，与TDA1521相同，也可作为立体声扩音机左右两个声道的功放，下图所示为其基本用法，两个通道的组成完全相同。TDA1556内部具有待机、净噪功能，并有短路、电压反向、过电压、过热和扬声器保护等。,TDA 1556内部的每个放大电路的电压放大倍数均为10，当输入电压为uI时，A1的净输入电压uI1uP1-uP2uI，uO1Au1uI； A2的净输入电压uI2uP2uP1-uI ， uO2-Au2uI ；因此，电压放大倍数,电压增益 20lgAu26 dB。,为了使最大不失真输出电压的峰值接近电源电压VCC，静态时，应设置放大电路的同相输入端和反相输入端电位均为VCC/2，输出端电位也为VCC/2，因此内部提供的基准电压UREF为VCC/2。 当uI由零逐渐增大时， uO1从VCC/2逐渐增大， uO2从VCC/2逐渐减小；当uI增大到峰值时， uO1达到最大值， uO2达到最小值，负载上电压可接近+VCC。 同理，当uI由零逐渐减小时， uO1和uO2的