利用高速大功率运算放大器驱动压电致动器

功耗计算与散热处理

压电式拾音头的负载阻抗由下式给出：



上式假定R=1Ω，C=1nF，ω=80kHz。

为计算每个模块的最大功率，需要用到图3给出的等效电路。首先，将图1电路分为两部分，每一部分都包含一个2nF电容和一个0.5Ω电阻，并假设虚线和符号代表接地。因为阻抗的实部(1Ω)与1989Ω的总容抗相比很小，可忽略不计。

在这个等效电路中，施加的电压将等于施加在每个模块上的总电压的一半。



每一半的电路输出驱动一半的容抗负载，即994.5Ω。为确定功耗，首先要知道负载上电压V和电流I之间的相位差。由于本例把负载作为一个纯电容来建模，所以相位角φ等于90°。当存在电抗性负载，相位角大于40°时，可由下式计算最大功耗：



这里，VS是每个电源的电压幅值，ZL等于负载阻抗。



因为负载是完全电抗性的，所以负载不消耗功耗，每个PA78放大器IC的功耗为5.18W。然后选择散热器，并确认每个PA78的温度不超过的最大允许结温。

HS27散热器是为安装PA78 IC而选择的。每个散热器的热阻为5.3℃/W，正如我们已确定的，每个放大器的功耗为5.18W。

必须确认PA78内MOSFET器件的结温不会超过安全值。常用的热阻计算公式如下：



可以用散热器的热阻θHS代替θCA，上式变为：



我们需要利用上式求出TJ，以确认不会超过最大结温。式(6)通过移项变为：



在这个例子中，根据PA78规格手册，每个器件的功率是是5.18W，θJC为 5.5℃/W。散热器的θHS为7.8℃/W，温度比周围环境高48.2℃。(散热器热阻是功率的函数，且接口界面的温度升高)。

于是，可求得最大结温为：



因此，实际的TJ不会高于93.9℃，远低于PA78规格手册规定的最大值150℃。当为高电抗性负载(比如压电致动器)提供高功率时，很有必要检查耗散区和安全工作区。

过去，工业级的功率放大器不得不牺牲带宽来保证单位增益的稳定性。双极型的设计并非总能满足要求严格的应用(比如本文讨论的压电致动器设计)的线性要求，但在器件采用基于MOSFET的架构，可以改善这种状况。