運放的最大功率消耗受限于什么因素

前段時間看了一款運放的數(shù)據(jù)手冊，其中“絕對額定最大值”一節(jié)，有個“最大功率消耗”部分，寫的非常簡練。所以在這里將它的要點整理下來，加深理解。

我始終認為，使用某個器件前，將它的數(shù)據(jù)手冊大致過一遍是很明智的行為。很多工程師，特別是做硬件的新手，只是按照典型電路把原理圖繪制出來，就算是設計好了。這樣做存在很大風險，因為器件可能會被用錯，導致可靠性問題甚至無法正常運行。

比如，AMS1117型號的LDO，很多工程師都用過，但是很少用人注意過，它的數(shù)據(jù)手冊里提到了輸出電容需要用鉭電容等ESR較大的電容，陶瓷電容是不行的，否則可能會有穩(wěn)定性問題（我就見過）。因為這類LDO的環(huán)路是通過輸出電容的ESR去控制的，但ESR也不能太大。如果遇到了問題，才想起來查看數(shù)據(jù)手冊，那就是亡羊補牢了。

圖1 AMS1117的輸出電容部分

在《硬件產(chǎn)品設計與開發(fā)》一書中，作者也談論了這個問題。他講，事實上，經(jīng)驗越豐富的工程師，使用某款器件前，越是會認真閱讀它的數(shù)據(jù)手冊。

那么運放的最大功率消耗受限于什么因素呢？ 受限于運放封裝模具（die）上的結(jié)溫。玻璃的轉(zhuǎn)化溫度大約是150℃，在這個溫度下，塑料會改變它自身的性質(zhì)。即使只是短暫的超過了這個最大溫度限制，也會改變封裝施加在模具（die）上的壓力，一些參數(shù)將會受到影響，比如Ibs本來2pA，超過結(jié)溫150℃后，Ibs變成了1nA（方便理解而舉的例子，可能不符合事實）。如果結(jié)溫超過150℃幾個周期，那么可能會導致芯片失效。

運放的功率計算分為兩個部分，一個是它本身的靜態(tài)功率，一個是由于負載運放自身的損耗，兩個部分相加即為運放自身一共消耗的功率 。靜態(tài)功率就是電源電壓（即Vp-Vn）乘以它的靜態(tài)電流。運放的靜態(tài)電流一般在一兩個毫安到二十幾個毫安，高速運放的靜態(tài)電流一般偏大。我最近選型的一款高速運放，它的靜態(tài)電流有28mA，當±5V供電時。有意思的是，一般高速運放的電壓噪聲密度會比較低，如三四個nV/sqrt（Hz）。

由于負載，運放自身的功率消耗是跟不同的應用有關(guān)系的，交流或者直流。運放的輸出電流，以及由于負載運放自身的壓降，二者的乘積即為第二部分功率。這個電壓和電流要用有效值，所以直流應用比較容易計算功率。

電路書里面會有最大功率傳輸?shù)膬?nèi)容，以直流應用為例，運放輸出電壓多少時候，它的功率最高呢？結(jié)果參見圖2。

圖2 運放的直流應用時，輸出電壓在電源電壓中間時，功率是最大的。低功率應用需注意。（這里的RL包括是負載電阻與反饋電阻的并聯(lián)）

運放的功率消耗組成已經(jīng)知道了，靜態(tài)功率與運放由于負載造成的功率，二者相加即可?，F(xiàn)在很多仿真軟件可以很方便的仿真運放電路的功率了，比如LTspice。交流應用的時候很方便。

前面已經(jīng)知道了，運放的最大功率受限于它的結(jié)溫。知道我們的運放電路功率以后，乘以它的熱阻（θJA，環(huán)境到結(jié)的熱阻 ），加上環(huán)境溫度后就可以知道結(jié)溫了。不同封裝的θJA是不同的，一般封裝越大，θJA越大。另外可以通過裸露焊盤打過孔接地等方式進一步減小θJA。

圖3 環(huán)境到結(jié)的熱阻模型

最后總結(jié)一下。使用運放的時候要記住，決不能夠超過結(jié)溫，最大功率正是受限于它。所以可以看到很多大功率應用都會加風扇和散熱片等進行降溫（減小θJA）。知道估算功率的方法后，遇到相關(guān)電路就可以借助仿真軟件完成功率計算；因為有些應用比如輸入信號為脈沖，它的最大功率手算比較麻煩。工程師的價值在于保時保量做出有用的東西來，而不在于算術(shù)。另外，使用器件前，特別是以前從沒接觸過的器件，最好認真閱讀下它的說明書，做到心中有數(shù)。