应用笔记 3924

UCSP封装的热考虑

By: Adrian Rolufs

摘要 : 一个音频放大器所能耗散的功率主要受限于它的封装形式和外部散热条件(PCB铜箔或金属散热器)。然而更高效的放大器,如D类放大器,需要耗散的功率远远低于传统的AB类放大器。所有放大器的部分功率耗散都表现为热。本文讨论了UCSP™封装的功率耗散能力和其相对于其他封装是如何限制输出功率的。

UCSP封装

UCSP是一种封装技术,它消除了传统的密封集成电路(IC)的塑料封装,直接将硅片焊接到PCB上,节省了PCB空间。但也牺牲了传统封装的一些优点,尤其是散热能力。

大多数音频放大器的封装都带有一个裸露焊盘,使IC底层直接连接到散热器或PCB地层。这种设计为IC到周围环境提供了一条低热阻的导热通道,避免器件过热。

使用UCSP封装,IC通过底部焊球直接焊接到PCB上,因而器件底层到PCB通过焊球形成了直接通道。这些焊球拥有低热阻,但它们的面积比典型的裸露焊盘小得多,导致散热能力下降。虽然非接地焊球也有助于散热,但相对于接地焊球的散热能力来说低许多。大多数使用UCSP封装芯片的系统空间非常有限,因此,利用器件顶层通过散热器散热也不现实。UCSP封装不像其他使用散热器的封装具有比较牢固机械安装,连接散热器时容易受到损坏。 UCSP封装的散热能力要结合芯片的接地焊球和未接地焊球两方面考虑。

功率耗散

音频放大器一般提供多种封装,其最大耗散功率与封装有关。在很多例子中,封装限制了耗散功率,进而限制了可能的输出功率。

很多IC在其数据资料的最大绝对额定值中给出了每种封装可以耗散的最大连续功率,如图1所示。具有裸露焊盘的封装(如TDFN)通常能耗散最多的功率。注意,UCSP封装能耗散的功率比裸露焊盘要小得多。

图1. 典型的音频放大器连续耗散功率额定值
图1. 典型的音频放大器连续耗散功率额定值

输出功率限制的计算

当我们考虑没有裸露焊盘的封装时,我们必须认识到封装形式降低了功率耗散能力,进而降低了输出功率。使用高阻负载可以使效率最大化,使损耗最低。

AB类放大器

放大器能够提供的输出功率与选用的放大器类型有关,AB类放大器制造商通常具有与图2类似的耗散功率与输出功率对应关系曲线。对于某个放大器,还可能提供不同输入电压、负载阻抗下的关系曲线。

图2. AB类放大器的耗散功率与输出功率
图2. AB类放大器的耗散功率与输出功率

将从绝对额定值(图1)中的连续耗散功率和耗散功率与输出功率关系曲线(图2)进行比较,确定给定封装可提供的最大输出功率。在这个例子中,TDFN和µMAX®两种封装对输出功率没有限制,而UCSP封装则会限制输出功率。虽然例子中的放大器额定连续功率为1.1W,但使用UCSP封装时只能输出100mW。

D类放大器

D类放大器一般用效率曲线取代耗散功率曲线,如图3所示。

图3. D类放大器效率与输出功率的对应关系
图3. D类放大器效率与输出功率的对应关系

D类放大器的效率比AB类高得多,因此在同等输出功率条件下需要耗散的功率要低得多。耗散功率可以通过下式计算:

式1

获得1.1W的连续输出功率时,放大器需要耗散的功率为225mW,低于图1所示所有封装的最大耗散功率,所以,对于同样的输出功率,可以采用各种封装形式,包括UCSP封装。

音源考虑

音频放大器的输出功率计算一般采用具有1% (< 6W)或10% (> 6W) THD+N的1kHz正弦波。 实际应用中,放大器常被用来恢复语音、音乐或音效,这些波形所包含的能量比正弦波小。表1给出了几种常见音源信号的RMS能量。

表1. 典型音源的RMS能量
Audio Source Material Ratio of RMS Level to Peak Level (dB)
Sine Wave -3
Rock Music -10.8
Telephone Ringing -12.3
Classical Music -15.8

这些数据显示要获得同样的输出功率,输出信号需要比正弦波具有更高的峰值电压。

例如上面提到的UCSP封装AB类放大器,如果连续输出的正弦波峰值是2.5VP-P ,换成表1的摇滚乐,输出电压峰值即使达到6.2VP-P也不会超过封装允许功率耗散能力。同样电压峰值的正弦波能够为8Ω负载提供600mW驱动功率。

结论

选择音频放大器时必须考虑各种封装的功率耗散能力。在一些案例中,不同的封装也可以获得相同的连续输出功率。事实上,UCSP封装能够允许的连续功率低于带裸露焊盘的封装。可以利用高效D类放大器取代AB类放大器来克服功率耗散问题,而不是简单地放弃UCSP封装。这种设计能够使UCSP封装的应用范围更广。

类似文章发表于电子产品世界2007年6月。

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