第五章 功率放大电路

1、5.1 功率放大电路概述功率放大电路概述 5.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路 5.3 集成功率放大器集成功率放大器*5.4 功率管的安全使用功率管的安全使用教学目标教学目标1 1、了解功放电路特点、分类、对功放电路要求。熟悉低频了解功放电路特点、分类、对功放电路要求。熟悉低频功放电路主要技术指标。功放电路主要技术指标。 2、熟悉熟悉OCL、OTL电路组成、工作原理、性能参数估算方电路组成、工作原理、性能参数估算方法。法。 3 3、掌握交越失真产生原因、消除交越失真方法。掌握交越失真产生原因、消除交越失真方法。 4 4、掌握复合管组成原则。掌握复合管组成原则。 教学目标教学

2、目标5、熟悉常用集成功率放大器（熟悉常用集成功率放大器（LA4102、LM386、TDA2030等）引脚功能，了解其主要技术指标。熟悉集成功放应用电等）引脚功能，了解其主要技术指标。熟悉集成功放应用电路组成、外接元器件作用，会估算闭环增益。路组成、外接元器件作用，会估算闭环增益。 6、选学选学BTL电路原理及其由集成功放构成的应用电路。电路原理及其由集成功放构成的应用电路。 7、选学功放管二次击穿和热致击穿现象及其保护措施，功选学功放管二次击穿和热致击穿现象及其保护措施，功放管等功率器件散热计算及散热片的选择。放管等功率器件散热计算及散热片的选择。 5.1 功率放大电路概述功率放大电路概述 能

3、够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路（Power amplifier），简称功放。 5.1.1 功率放大电路特点和要求功率放大电路特点和要求 一、功率放大电路的特点一、功率放大电路的特点 从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路都属于能量转换电路，均将电源的直流功率转换成被放大信号的交流功率。两种电路的比较如下表所示： 二、对功率放大电路的要求二、对功率放大电路的要求1、应有足够大的输出功率。2、效率要尽可能的高。3、非线性失真要小。4、功率管要采取散热等保护措施。 5.1.2 功率放大电路的分类功率放大电路的分类图.1.1 各类功率放大电路的静态工作点及其波形（a）工作

4、点位置 （b）甲类波形 （c）甲乙类波形（d）乙类波形 1、按静态工作点分类：、按静态工作点分类： 2、按信号频率分类、按信号频率分类(1)低频 本章讨论(2)高频 高频电路中讨论 5.1.3 低频功率放大电路的主要技术指标低频功率放大电路的主要技术指标 Iom表示输出电流振幅，Uom表示输出电压振幅。omomomomom212121UIUIP 1最大输出功率最大输出功率Pom 输出功率Po等于输出电压与输出电流的有效值乘积，即 最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率。 2效率效率 PPVo 就是负载上得到的有用信号功率Po与电源供给的直流功率PV之比，即 3

5、非线性失真系数非线性失真系数THD 式中，Im1、Im2、Im3和Um1、Um2、Um3分别表示输出电流和输出电压中的基波分量和各次谐波分量的振幅。 UUUIIITHD2m32m2m12m32m2m111THD用来衡量非线性失真的程度，即： 5.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路 功率放大器早期采用变压器耦合输出，可实现阻抗匹配，但体积大、传输损耗大，在实际中已使用不多。 目前大量应用的是无变压器的乙类互补对称功率放大电路。按电源供给的不同，分为双电源互补对称功放电路和单电源互补对称功放电路。 5.2.1 OCL电路电路 一、基本电路及其工作原理一、基本电路及其工作原理 双电

6、源互补对称电路又称无输出电容的功放电路，简称OCL电路，其原理电路如图5.2.1 （a）所示。图中V1、V2为导电类型互补（NPN、 PNP）且性能参数完全相同的功放管。两管均接成射极输出电路以增强带负载能力。 图5.2.1 OCL基本原理电路a)基本原理电路 b)输入信号波形 c)输出信号波形 1、静态分析 静态时两管零偏而截止, 故静态电流为零，又由于两管特性对称，故两管输出端的静态电压为零。 2、动态工作情况 电路输入如图5.2.1（b）所示的正弦信号。(1)在ui正半周期间， V1发射结正偏而导通，V2发射结反偏而截止。(2)在ui负半周期间，V1发射结反偏截止，V2发射结正偏导通。

7、V1、V2两管分别在正、负半周轮流工作，使负载RL获得一个完整的正弦波信号电压，如图5.2.1（c）所示。 *二、图解分析二、图解分析 该电路负载线方程式为uCE=VCCiCRL，设管子的ICEO0，则静态电流IC1IC20。则UCEQ=VCC。属于乙类功放电路。由此可作出如图5.2.2所示斜率为1/RL的负载线。 为便于分析，将V2管的特性曲线倒置于V1管特性曲线的右下方，且使Q点位置对齐。图中显示了两管信号电流iC1和iC2波形及合成后的uce波形。 从图中可以看出，任意一个半周期内，每个管子c、e两端信号电压为|uCE|VCC|uo|，而输出电压uouceioRLicRL。 在一般情况下

8、，UomUcem，IomIcm，其大小随输入信号幅度而变，最大输出电压幅度为Uom(max)VCCUCE(sat)VCC。 图5.2.2 乙类互补对称功率放大电路的图解分析 三、电路性能参数计算三、电路性能参数计算当输入信号足够大时，Ucem=VCCUCE(sat)VCC，则 RUUIPL2cemcemcmo2121L2CCLsat)(CECC2L2cemom212121RVRUVRUP）（1最大输出功率最大输出功率Pom由图可见，IomIcm，UomUcem，得 2直流电源供给功率直流电源供给功率PV LcemCCcmCCCCavEEavCCavV222RUVIVVIVIVIP 根据富氏级数

9、分解，周期性半波电流的平均值IavIcm / ，因此正负电源供给的直流功率 3管耗管耗PC ）（）（41212cemcemCCLoVC1UUVRPPP (2)输出最大功率时的管耗输出最大功率时的管耗Pc1(UcemVcc) Pc1(Ucem)0.137Pom。 (3)最大管耗最大管耗当 Ucem= 时出现最大管耗，且为Pcm10.2Pom。CC2V (1)平均管耗平均管耗 由于V1、V2各导通半个周期，且两管对称，故两管的管耗相同，每只管子的平均管耗为 4效率效率CCcemVo4VUPP当电路输出最大功率时，UcemVCC， 5 .784m 四、功放管的选择四、功放管的选择omcm1CM20P

10、.PPCC(BR)CEO2VULCCCMRVI功放管的极限参数有PCM、ICM、U（BR）CEO，应满足下列条件 1、功放管集电极的最大允许功耗2、功放管的最大耐压U（BR）CEO 当一只管子饱和导通时，另一只管子承受的最大反向电压为2VCC。故 3、功放管的最大集电极电流4、选择示例例5.2.1 OCL电路的VCC Vcc20V，负载RL8，功放管如何选择？ 解：（1）最大输出功率 W25W82021212L2CComRVPW5W252 . 02 . 0omCMPP（2） （3） V40V2022CC(BR)CEO VUA5 . 2A820LCCCMRVI 五、交越失真与五、交越失真与OCL

11、实用电路实用电路图 5.2.3 交越失真波形 1交越失真交越失真 乙类放大电路静态IC为零，效率高。但只有当信号电压大于导通电压时，管子才能导通。因此，当信号电压小于导通电压时，就没有电压输出。因此，信号在过零点附近，其波形会出现失真，称为交越失真，如图5.2.3所示。 2交越失真消除交越失真消除图5.2.4 甲乙类互补对称功放电路 为了消除交越失真，应为两功放管提供一定的偏置，一般采用如图5.2.4所示电路。其中，V3组成电压放大级，Rc为其集电极负载电阻， VD1、VD2正偏导通，和RP一起为V1、V2提供偏压，使V1、V2在静态时处于微导通状态，即处于甲乙类工作状态。此外，VD1、VD2

12、还有温度补偿作用，使V1 、V2管的静态电流基本不随温度的变化而变化。 3电路装配注意事项电路装配注意事项 在图5.2.4的电路中，若RP、 VD1、VD2中任一元件虚焊，则从+VCC经Rc，V1管发射结、V2管发射结、V3集电极-发射极、Re到Vcc形成一个通路，有较大的基极电流IB1和IB2流过，从而导致V1、 V2管因功耗过大而损坏。故常在输出回路中串接熔断器以保护功放管和负载。 例.5.2.2 甲乙类互补对称功放电路如图5.2.4所示，VCC12V，RL35，两个管子的UCE(sat)2V，试求（1）最大不失真输出功率；（2）电源供给的功率；（3）最大输出功率时的效率。 W43. 12

13、1LCE(sat)CC2omRUVP）（W2 . 22Lsat)(CECCCCRUVVP）（V654CCCE(sat)CCmVUV解： 5.2.2 OTL电路电路图5.2.5 OTL电路 1、OCL电路线路简单、效率高，但要采用双电源供电，给使用和维修带来不便。 2、采用单电源供电的互补对称电路，称为无输出变压器（Output transformerless）的功放电路，简称OTL电路，如图5.2.5所示。其特点是在输出端负载支路中串接了一个大容量电容C2。 一、一、 电路组成原理电路组成原理 1电路组成 V3组成电压放大级，Rc1为其集电极负载，V3的偏置由输出A点电压通过RP和R1提供，组

14、成电压并联直流负反馈组态，稳定静态工作点。VD1、VD2为二极管偏置电路，为V1、V2提供偏置电压。V1、V2组成互补对称电路。2 C2的作用 C2容量很大，满足RLC2T（信号周期），有信号输入时，电容两端电压基本不变，可视为一恒定值VCC/2。该电路就是利用大电容的储能作用，来充当另一组电源Vcc。此外，C2还有隔直作用。3工作原理工作原理 该电路工作原理与OCL电路相似。(1)当ui0，V1正偏导通，V2反偏截止。经V1放大后的电流经C2送给负载RL，且对C2充电，RL上获得正半周电压。(2) 当ui0，V1反偏截止，V2正偏导通，C2放电，经V2放大的电流由该管集电极经RL和C2流回发

15、射极，负载RL上获得负半周电压。(3)输出电压uo的最大幅值约为VCC/2。二、电路性能参数计算 OTL电路与OCL电路相比，每个管子实际工作电源电压不是VCC，而是VCC/2，故计算OTL电路的主要性能指标时，将OCL电路计算公式中的参数VCC全部改为VCC/2即可。 5.2.3 采用复合管的互补对称功率放大电路采用复合管的互补对称功率放大电路 一、复合管一、复合管 输出功率较大的电路，应采用较大功率的功率管。但大功率管的电流放大系数往往较小，且选用特性一致的互补管也比较困难。故在实际应用中，用复合管（Darlington connection）来解决这两个问题。 复合管是指用两只或多只三极

16、管按一定规律进行组合，等效成一只三极管，复合管又称达林顿管。复合管的组合方式如图5.2.6所示。图5.2.6 复合管的组合方式（a）NPN管 （b）PNP管 （c）PNP管 （d）NPN管 复合管具有如下特点： （1）复合管的导电类型取决于前一只管子：即iB向管内流者等效为NPN管,如图5.2.6中的a、d所示。iB向管外流者等效为PNP管，如图5.2.6 b、c所示。（2）复合管的电流放大系数12。 （3）组成复合管的各管各极电流应满足电流一致性原则，即串接点处电流方向一致，并接点处保证总电流为两管输出电流之和。 二、采用复合管的二、采用复合管的OTL实用电路实用电路图5.2.8 采用复合管

17、组成的OTL电路 1电路组成 图5.2.8为采用复合管组成的OTL功率放大器，这种电路又称为准互补对称（Quasi complementary circuit）功率放大器。其中，V1组成激励级，它的基极偏压取自于中点电位VCC。RP1引入交直流电压并联负反馈。V2、V4复合成NPN管，V3、V5复合成PNP管。 2放大原理 当V1集电极输出正半周信号电压时，V2、V4导通，V3、V5截止，被放大的正半周信号电流经C送到负载RL上，形成正半周输出电压，同时，C上被充上VCC/2的电压。 当V1集电极输出负半周信号电压时，V2、V4截止，V3、V5导通，此时，电源VCC不供电，由C放电提供V3、V

18、5工作所需直流功率，在负载上形成负半周输出电压。它与正半周输出电压合成一个完整的正弦波形。3自举电路原理及作用 电路中的C2、R9组成具有升压功能的“自举电路”（Bootstrapping circuit）。 不接C2时，信号越强，V2、V4导通越充分，K点电位上升越多，将使V2、V4的正偏压UBE减小，输出电流也减小，限制了输出功率的提高。 在电路中加入C2后，其两端被充上一定电压值。由于C2容量大，充放电时间常数大，其两端电压可视为基本不变。当正半周信号通过V2，V4使K点电位上升时，G点电位跟着升高，UG=UK+UC2，UG可高于VCC，使V2、V4基极电位升高，保证了V2，V4的大电流

19、输出，提高了输出功率。 R9为隔离电阻，防止输出信号经电容C2短路到地。 这种因C2的作用使G点电位随K点电位升高而上升的方式叫“自举”。具有自举功能的电路叫自举电路。 5.3 集成功率放大器集成功率放大器 集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的，其内部电路与集成运放相似。但是，由于其安全、高效、大功率和低失真的要求，使得它与集成运放又有很大的不同。电路内部多施加深度负反馈。 集成功率放大器广泛应用于收录机、电视机、开关功率电路、伺服放大电路中，输出功率由几百毫瓦到几十瓦。 除单片集成功放电路外，还有集成功率驱动器，它与外配的大功率管及少量阻容元件构成大功率放大电路，有的集成电路本身包含两

20、个功率放大器，称为双声道功放。 现以LA4102、LM 386、 TDA7050等单片集成音频功率放大器为例，介绍其主要参数和典型应用电路。 5.3.1 LA4102集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用图5.3.1 LA4102封装外形与内部框图 （a）封装外形 （b）内部框图 一、一、LA4102及其主要参数及其主要参数 LA4102是一种应用很广的集成功放。它常被用于收录机、对讲机等小功率电路中。 1LA4102的引脚排列、功用和内部框图 LA4102引脚分布如图5.3.1a所示。它是带散热片的14脚双列直插式塑料封装，其引脚是从散热片顶部起按逆时针方向依次编号的。 各引脚功用如下

21、： 1输出端； 3接地； 4、5消振；6反相输入端；9同相输入端 ；10 、12 退耦滤波； 8公共射极电位 ； 13接自举电容； 14正电源； 2、7、11 空脚。 LA4102内部框图如图5.3.1b所示，主要包括以下部分：输入级为差动放大电路；激励级为高增益共射放大电路；输出级为复合管构成的准互补对称电路；偏置电路给各级提供稳定的偏置电流。图中R=20k电阻是集成电路内部设置的反馈电阻，在实际应用中，通过改变接在6脚的外接电阻大小，就可改变放大器电压放大倍数。 2LA4102的主要技术指标参数LA4102主要技术指标参数见表5.3.1。 二、二、LA4102应用电路应用电路图5.3.2

22、LA4102典型应用电路 外围元件的作用如下：C1为输入耦合电容；C2、C4为滤波电容，用于消除偏置中的纹波电压；C5和C6起相位补偿作用，以消除高频寄生振荡； C7用于防止高频自激振荡； C8为自举电容，以提高最大不失真输出功率；C9起电源退耦滤波作用；C10为OTL电路输出电容。C3、Rf与内部的20k的电阻R组成交流电压串联负反馈电路。 LA4102组成的OTL功率放大器如图5.3.2所示。 5.3.2 LM386集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用 图5.3.3 LM 386外形与管脚排列（a)外形图 （b)管脚排列图 一、外形、管脚排列及内电路一、外形、管脚排列及内电路 LM

23、 386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中； LM 386的外形与管脚图如图5.3.3所示，它采用8脚双列直插式塑料封装。 LM386有两个信号输入端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端；每个输入端的输入阻抗均为50 k，而且输入端对地的直流电位接近于零，即使输入端对地短路，输出端直流电平也不会产生大的偏离。图5.3.4 LM386内部电路图 LM386的内部原理电路如图5.3.4所示。 二、主要性能指标及估算二、主要性能指标及估算RRRRA/2435uf当引脚、之间对交流信号相当于短路时 200235ufRRA 所以，当 、脚外接不同阻值电阻时，Au

24、的调节范围为20200（2646dB）。 1主要性能指标 LM386-4的电源电压范围为518v。当电源电压为6V时，静态工作电流为4mA。当Vcc=16V，RL=32时输出功率为1W。、脚开路时带宽300kHZ，总谐波失真为0.2%,输入阻抗为50K。2估算设引脚、脚间外接电阻R，则三、三、LM386应用电路应用电路 图5.3.5 LM386应用电路 用LM386组成的OTL功放电路如图5.3.5所示，信号从3脚同相输入端输入，从5脚经耦合电容(220F)输出。 5.3.3 TDA7050T集成功放电路及其应用集成功放电路及其应用图5.3.6 TDA7050T立体声功放电路 TDA7050T

25、是荷兰菲利普公司生产的集成功放芯片。其外形尺寸小，外接元件少，常用来组装低电压的薄型袖珍单放机收音机等。 TDA7050T为8脚扁平塑料封装，由它组成的立体声功放电路如图5.3.6所示。两只47F电解电容为耦合电容，电路电压 增 益 为 2 6 d B 。 当+Vcc=3V,RL=32,Pom=36mw。5.3.4 TDA20305.3.4 TDA2030集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用 一、一、 TDA2030集成功放主要技术指标及引脚排列集成功放主要技术指标及引脚排列 TDA2030与性能类似的其他产品相比，具有引脚数最少、外接元件很少的优点。它的电气性能稳定、可靠、适应长时间

26、连续工作，且芯片内部具有过载保护和热切断保护电路。该芯片适用于收录机及高保真立体扩音装置中作音频功率放大器。 TDA2030引脚排列如图5.3.7所示。 图5.3.7 TDA2030引脚排列 TDA2030主要技术指标见表5.3.2。 TDA2030市场上有一些伪品，可用以下方法判断芯片真伪及其性能参数是否正常。 1.电阻法 正常情况下TDA2030各脚对脚阻值见表5.3.3。 2.电压法 将TDA2030接成OTL电路，去掉负载，脚用电容对地交流短路，然后将电源电压从036V逐渐升高，用万用表测电源电压和脚对地电压，若TDA2030性能完好，脚电压应始终为电源电压得一半。否则说明该芯片为伪品

27、或残次品。说明电路内部对称性差，用作功率放大器将产生失真。 二、二、TDA2030实用电路实用电路 TDA2030接成OCL（双电源）典型应用电路如图5.3.8所示。图5.3.8 TDA2030双电源典型应用电路 图中R3、R2、C2使TDA2030接成交流电压串联负反馈电路。闭环增益由下式估算 231RRAuf C5、C6为电源低频去耦电容，C3、C4为电源高频去耦电容。R4与C7组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管。为防止输出电压过大，可在输出端脚与正、负电源接一反偏二极管组成输出电压限幅电路。 TDA2030接成OTL（单电源）典型应用电路如图5.3.9所示。

28、图5.3.9 TDA2030单电源典型应用电路 图中，R1与R2组成集成电路单电源供电的直流偏置电路，使 OUUU R3是为提高功放电路的交流输入电阻而设置，本电路的Ri= R3=22k。其余元件的作用与图5.3.8相对应元件作用相同。 *5.3.5 BTL电路电路图5.3.10 BTL基本电路 一、一、BTL电路原理电路原理 B T L ( B a l a n c e d transformerless)功率放大器又称为桥式功率放大器。电路如图5.3.10所示。 静态时，电桥平衡，负载接在两输出端之间，ui=0，u0=0。 输入信号ui，ui的相位差1800。当ui输入信号正半周，ui为负半

29、周，三极管V1 V4导通，V2 V3截止。输出信号u01上升多少，u02就下降多少。 当ui为负半周时，ui为正半周，三极管V2 V3导通，V1 V4 截止，电流ic2 如图虚线所示。负载上电压、电流方向与上一半周期相反。则 = 2VCC。omuCCCCCCVVVUUUUUom2)()(02010201 在同样的VCC数值和相同负载的条件下，BTL电路的输出功率为OCL（或OTL）电路的4倍。 )2(42)22()2(22220LCCLCCLCCLOmmRVRVRVRUP 二、二、LM4860组成的组成的BTL电路电路图5.3.11 LM4860内部电路和外接电路 （a）内部电路 （b）外接电

30、路 LM4860是采用CMOS工艺制成的桥式集成功放，其内部组成方框图如图5.3.11a所示。 图中，A1为反相放大器，其增益由外接电阻R1和R2设定。 A2为由R3和R4设定的单位增益反相放大器，它由A1的输出信号激励。这样，保证了两个功率运放的输出信号电压等值反相地加在RL上，满足桥路的要求。 单电源供电时，功率运放的输出静态电压处于电源电压中点VDD2，这个电压通过负反馈电阻分别加在两个运放的反相输入端上，因此，为了实现运放两输入端静态电位平衡，必须在两个运放的同相输入端加上相同的直流电压，电路中该电压由VDD通过两个50k电阻分压得到。 在桥式电路中，采用单电源供电的功率运放，其输出端

31、的隔直电容可以省略。 现将两功率运放中的功率输出级电路单独画出，如图5.3.8b所示。 可见，两个运放的输出静态电压均为VDD2，因此，通过RL的直流电流等于零。由于A1中的V1-1和A2中的A2-2管同时导通，Al中的V1-2和A2中的V2-1管同时导通，因此，V1-2和V2-2不需要另加隔直电容供电，而直接由VDD通过导通管供电。 三、三、TDA7050T组成组成BTL电路电路 由TDA7050T组成的BTL电路如图5.3.12所示。 图5.3.12 TDA7050T组成BTL电路 * 5. .4 功放管的安全使用功放管的安全使用 在功放电路中功放管是在接近极限参数的、高电压状态下工作的功

32、率管，由于设计不当或使用条件的变化而易损坏。因此，在功率放大实用电路中，应采用保护措施以保证功放管的安全运行。 5.4.1 功放管的二次击穿及其保护功放管的二次击穿及其保护 如1.3节所述，当三极管集电结上的反偏电压过大时，三极管将被击穿，这时集电极电流迅速增大，出现一次击穿，且IB越大击穿电压越低，称为“一次击穿”。如图5.4.1a中曲线AB段所示，A点就是一次击穿点。这时只要外电路限制击穿后的电流，使管子的功耗不超过额定值，就不会造成管子的损坏，因此一次击穿是可逆的。 图5.4.1 二次击穿及安全工作区 （a）二次击穿现象 （b）考虑二次击穿后的安全工作区 三极管一次击穿后集电极电流会骤然

33、增大，若电流不加限制，则它的工作点增大到临界点 (如图5.4.1中B点) 时，三极管的工作点以毫秒乃至微秒级高速移向C点，这时三极管的管压降uCE突然减小，电流iC急剧增大。如图中的BD段，称之为二次击穿(Secondary breakdown)。二次击穿点B随iB的不同而改变，通常把这些点连起来的曲线叫二次击穿临界线简称S/B曲线，如图5.4.1b中所画。 产生二次击穿的原因较复杂，它是一种与电流、电压、功率和结温（Junction temperature）都有关系的效应。一般认为，由于制造工艺的缺陷，使流过管内结面的电流不均匀，造成结局部高温(称为热斑)而产生局部的热击穿，出现三极管尚未发

34、烫就损坏的现象。二次击穿是不可逆的，经二次击穿后，性能明显下降，甚至造成永久性损坏。 考虑到二次击穿后，功放管的安全工作范围将变小，它除了受ICM、PCM和U(BR)CEO的限制外，还要受二次击穿临界线的限制，其安全工作区如图5.4.1b所示。 为了保证功放管安全工作，应注意在设计电路时，要使功放管工作在安全区域内，而且还应留有一定的余量；要有良好的散热条件，功放管的结温不可过高；避免突然加强信号和负载突然短路，也要避免管子突然截止和负载突然开路；要消除电路中的寄生振荡，少用电抗元件，适当引入负反馈；在电路中采用过流、过压和过热等保护措施等。 5.4.2 5.4.2 功放管的散热功放管的散热

35、一、热致击穿现象一、热致击穿现象 功放管损坏的重要原因是其实际功率超过额定功耗PcM。三极管的耗散功率取决于内部的PN结（主要是集电结）温度Tj，当Tj超过手册中规定的最高允许结温TjM时，集电极电流将急剧增大而使管子损坏，这种现象称为“热致击穿”（Thermorunaway）或“热崩”。硅管的允许结温值为120180oC，锗管允许结温为85oC左右。 散热条件越好，对于相同结温下所允许的管耗就越大，使功放电路有较大功率输出而不损坏管子。为了在相同散热面积下减小散热器所占空间，可采用如图5.4.2ac所示的几种常用散热器，分别为齿轮形、指状形和翼形，所加散热器面积大小的要求，可参考大功率管产品

36、手册上规定尺寸。除上述散热器商品外，还可用铝板自制平板散热器。 图5.4.2 散热器的几种形状（a）齿轮形 （b）指状形 （c） 翼形 二、功放管的散热二、功放管的散热 功率管极限功耗的大小与管子环境温度、散热途径和散热状况有关。 功率管正常工作时，它的集电结向周围空间散发热量所遇到的阻力，称为热阻（Heat resistance）Rth。 Rth越小，表示管子集电结的热量越容易散发出去。热阻的单位为/W，其物理意义为集电极每耗散1W的功率所引起结温升高的度数。它类似于电流流过导体时，存在电阻对电流阻力。 热源相当于电源，热阻相当于电阻，温度差相当于电位差。 因集电结耗散功率PC引起结温升高至

37、Tj而产生的热量，首先由集电结传导至管壳，使管壳温度升到Tc，其热阻为R(th)jc，然后由管壳以辐射和对流的形式将热量散发到环境温度为Ta的环境A中，其热阻为R(th)ca。 要想使散热过程能顺利进行，需满足条件：TjTcTa。 图5.4.3为单靠管壳散热的热传输途径示意图，其总热阻为 cathjcththRRR)()(图5.4.3 单靠管壳散热的热传输途径及其示意图 式中，R(th)jc为晶体管的内热阻，它取决于管子的结构和材料，可从手册中查出。R(th)ca为管壳热阻，它主要取决于管壳外形尺寸和材料。 由于管壳的热阻很大，当晶体管耗散功率较大、单靠管壳自身不能将热量及时散发出去，就需要加

38、装散热器帮助散热。 图5.4.4 有散热器散热的热传输途径及其示意图 功率管装上散热器后，由集电结传给管壳C的热量有两条途径向环境A散发。除由热阻为R(th)ca的管壳直接向外散热外，最主要是由管壳传导到热阻为R(th)ca的散热器S，再由散热器以辐射或对流的形式向热阻为R(th)sa的环境A散热。图5.4.4就是装散热器后热传输途径示意图。由于通过管壳直接散热远小于散热器散热，即R(th)csR(th)saR(th)ca，管壳的热阻R(th)ca可不计所以，装散热器后的总热阻为 sathcsthjcththRRRR)()()(式中，R(th)cs为界面热阻，它一般包括接触热阻和绝缘层热阻两部

39、分。由于晶体管和散热器用紧固件连接在一起，两者之间一般隔有绝缘材料以避免短路。因此，R(th)cs除与绝缘层厚度、材料性质有关外，还与散热装置和晶体管接触面的紧固程度有关。 增大接触面积，使接触面光滑或涂以导热硅脂，增大接触压力，减小绝缘层厚度，都能使R(th)cs降低。 一般，R(th)cs0.13/W。R(th)sa为散热器热阻，它主要取决于散热装置的表面积、厚薄、材料的性质、颜色，形状和放置位置。 散热面积越大，热阻就越小；散热装置经氧化处理涂黑后，可使其热辐射加强，热阻也可减小；因垂直放置空气对流好，所以垂直放置比水平放置的热阻小。水平放置和垂直放置铝平板散热器的热阻R(th)sa和它的表面积关系如图5.4.5所示。 图5.4.5 铝平板散热器的热阻与其表面的关系（a)水平放置 （b）垂直放置 如果将结温Tj与环境温度Ta之间的温差记作结温增量Tj，即TjTjTa。 由以上分析可知，结温增量与集电极耗散功率及散热条件有关。散热条件不好，热阻越大，同样功耗引起结温增量也越大。 当总热阻Rth一定时，功耗越大，结温增量也越高。如果集电极耗散功率增大到最大允许功耗PCM，则结温也达到最大允许值TjM。它们之间的关系为 RTTPthajMCM 上式表明，总热阻Rth越小，环境温度Ta越低，则允许的最大管耗PCM就越大