為了實現(xiàn)功率放大器的可靠性設計,，就必須考慮放大器的承受能力。通過功率放大器的安全工作區(qū)（SOA）曲線來確定功率的范圍限制,。放大器的承受能力取決于放大器的負載和信號的狀態(tài),。

　　圖1所示的一個簡化的功率運算放大器，輸出晶體管Q1和Q2給負載提供正的和負的輸出電流,。IOUT表示的是由放大器流出的電流,，因此Q1是供給輸出電流。對于正的輸出電流,，Q2是關的,，從而可以略去。

　　在Q1有負載時,它的承受力是與輸出電流和Q1兩端的電壓（它的集-射電壓VCE）有關的,。這兩個量的乘積IOUT·VCE就是Q1的功耗,。這個功耗是一個需要重點考慮的問題，但是“安全工作區(qū)”提供了一個放大器限制范圍更完全的描述,。

　　安全工作區(qū)

　　功率晶體管的功率適用范圍是由它的安全工作區(qū)（SOA）來決定的（見圖2）。SOA曲線表示了允許的電壓（VCE）和電流（IOUT）,最大安全電流是 VCE的函數(shù),。在VCE較低時,，可以把更大輸出電流輸送給負載。在這區(qū)域上,，如果超出最大電流,，可能使芯片過載,，并損壞器件。當VCE增加時,，晶體管的功耗也增加,，直到使結溫上升到它的最大安全值為止。沿著這個熱限定區(qū)域（虛線

）的所有點都產(chǎn)生同樣的功耗,。圖2中VCE·IO是個常量120W（在25℃ 時）,，該曲線在這一區(qū)域上的所有點產(chǎn)生同樣的最大結溫，超過這一區(qū)域內(nèi)的安全電流,，就可能損壞晶體管,。

　　當進一步增加VCE時，超出熱限定區(qū)域,，安全輸出電流下降地更快,，這個所謂的二次擊穿區(qū)域乃是雙極晶體管的一種特性。它是由雙極晶體管產(chǎn)生“局部過熱”引起的,。在二次擊穿區(qū)域內(nèi),，超過安全輸出電流會產(chǎn)生局部的熱失控，從而損壞晶體管,。

　　最終極限是晶體管的擊穿電壓,，不能超過這個最大的電源電壓。通常SOA曲線是表示安全輸出電流如何隨管殼溫度而變化的曲線,，這說明管殼溫度對結溫有影響,。另外的一些曲線表示的最大安全電流，是對于那些根據(jù)器件的熱時間常數(shù)而定的各種不同持續(xù)時間的脈沖來說的,應當把SOA曲線理解為絕對最大范圍,，在該曲線的熱限定區(qū)段的任何點工作,，都將產(chǎn)生最大許可的結溫（一種對于長期工作的情況下建議不要采用的狀態(tài)）。

　　盡管在曲線的二次擊穿區(qū)域上工作只產(chǎn)生較低的溫度,，這條線仍是絕對最大值,，在這條線以下工作,將提供更好的可靠性（即更好的平均故障時間-MTTF）。

　　散熱

　　你除了保證使用不超出功率放大器的安全工作區(qū)外,，還必須保證放大器不過熱,。為了提供一個足夠的散熱器,你必須確定最大功耗。下面將詳細敘述影響SOA功耗及散熱器要求的方法和要考慮的問題,。

　　短路

　　一些放大器的應用設計必須滿足能經(jīng)受得住對地短路的要求,。這就迫使全部的電源電壓（或是V＋或是V－）都加在導通的輸出晶體管兩端，該放大器將馬上進入電流截止狀態(tài),。為了經(jīng)受得住這一狀態(tài),，必須把帶可調(diào)電流限制的功率運算放大器控制在安全電平上。

　　當OPA502（圖2）的電源是±40V時,，保護對地短路的最大電流限制值應是多少,？

　　管殼溫度保持在25℃時,，就應把電流極限值最大為3A。如果把管殼溫度維持到85℃,，則2A的電流限制將是安全的,，此時功耗將是80W，則可用0.75℃/W的散熱器,。例如,，若運算放大器必須要經(jīng)得住對一個電源的短路，那么最大VCE將是兩個電源的總和,。

　　一般認為,沒有必要對所有的應用都做短路保護設計,，但對功率放大器來說，這正是一個嚴格的條件,。像熔斷器或感受故障狀態(tài)的電路那樣的輔助手段就能夠保證放大器所必須承受短路的時間,。這可以大大地降低散熱器的要求。

　　阻性負載

　　考察一個驅動電阻負載的功率放大器時,人們僅在最大輸出電壓和電流時進行安全性檢驗,，但這種狀態(tài)不總是它最大的承受能力,。

　　在最大輸出電壓下，導通的晶體管兩端的電壓VCE是處在最小值的情況下,，而功耗是最低的,。事實上，如果放大器輸出可以沿著電源曲線變化,則輸出電流可以變得很大的,，但放大器的功耗將會是零,，因為VCE是零。

　　圖3 描繪出了來自電源的功率,、負載的功率和作為具有阻性負載輸出電壓函數(shù)的放大器功耗,。提供給負載的功率隨著輸出電壓的平方（*P=VO2/R）而增加，而來自電源的功率線性地增加,，放大器的損耗沿拋物線變化,。如果放大器的輸出能一直沿著電源的軌跡變化（虛線部分）,，則會把電源的全部功率,，施加輸送給負載,，從而放大器的功率將會是零,。

　　放大器的峰值功耗出現(xiàn)在V＋/2的輸出電壓或50％的輸出下,，在這一點上,，VCE 是V＋/2而IO是V＋/2RL,。放大器在此最壞點上的功耗為VCE和IO的積,，即（V＋）2/（4RL）,。檢驗這種狀態(tài)，以保證其處在放大器的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)。此外還要確保對于計算出來的功耗應有足夠的散熱,，以防過熱。

　　脈沖運用

　　有些應用必須處理電流脈沖或具有低占空因數(shù)的變化電流波形,。SOA曲線有時表現(xiàn)出能為短持續(xù)時間的脈沖提供大電流的能力,。在圖2中標出了5ms、1ms和0.5ms脈沖的SOA極限值,占空因數(shù)必須很低（約5％或更低）,，以便給輸出晶體管上的熱量提供消散的時間,。

　　用一種與矩形脈沖近似的方法來估算異常的電流波形，如圖4所示,。對于電阻性負載,，有最大負載的狀態(tài)是在輸出電壓約為圖示電源電壓一半的時候。對于其它類型的負載,，評價產(chǎn)生顯著負載電流和高的VCE的任一種狀態(tài),。評價脈沖電流超過放大器直流SOA范圍的應用情形要特別仔細，因為它們接近器件的極限值,。通過選取一個接近SOA極限值的恒定值來實現(xiàn)良好的可靠性,。

　　交流信號

　　設想一個快速橫切圖3中曲線的時變信號，僅僅是短暫地通過最大功耗的那點,。如果信號變化得足夠快（超過50Hz）,，那么器件的熱時間常數(shù)引起的結溫由平均功耗來決定。因此,，交流應用通常要比相同峰值電壓和電流的直流應用需要更少的功率,。    

　　如果信號是雙向的，比如一個以零點為中心的正弦波,，則每個輸出晶體管“休息”半周,，總的放大器功耗在兩個輸出晶體管之間均分，同

時降低有效的封裝熱阻,。

　　如果瞬時峰值損耗點在放大器的SOA內(nèi),，首先要關心的是提供足夠大的散熱器以防止過熱。由于這一峰值狀態(tài)只是在一個交流周期中短暫地通過,，交流應用能可靠工作,，可更接近于SOA的極限值。

　　圖5 表示的是具有±40V電源和8Ω電阻性負載的功率放大器的功率曲線,，此外,，功率是相對于最大電壓輸出的百分率來標繪的。正如直流的情況一樣,，由電源提供的功率隨輸出電壓線性地增加,，提供給負載的功率隨輸出電壓的平方而增加。由放大器所消耗的功率PD是前兩條曲線之差，PD曲線的形狀與直流信號的情形類似,，但在100％輸出電壓時不能接近于零,。這是因為在滿幅度交流輸出電壓下，輸出快速地橫掃圖4的整個曲線（0到100％）,，圖5表示的是這種動態(tài)狀態(tài)下的平均損耗,。

　　當交流輸出波形的峰值約為電源電壓的63％時，放大器的損耗達到最大值,。對于該正弦波的幅度,，瞬時輸出電壓在交流周期的大部分區(qū)域，都是處在接近于電源電壓一半的關鍵數(shù)值上,。

　　對任意電源電壓和負載電阻,，可以利用由圖5中曲線右側標明的歸一化值來度量。為了求出在給定信號電平下你的放大器的損耗,，要用（V＋）2/RL去乘取自右側刻度的讀數(shù),。

　　交流應用很少有一定要在圖5的最大損耗點上經(jīng)受連續(xù)運行的情形。例如,，一個帶有語音或音樂的音頻放大器,，其損耗一般要比這個最壞情形的值少得多，與信號的幅度無關,。由于一種任意幅度的連續(xù)正弦波信號還是可能的,，這種最壞情形的狀態(tài)是一種有用的基準。依據(jù)應用的場合,，你或許需要就這種狀態(tài)來設計,。

　　電抗負載-交流信號

　　圖6 表示的是在純電感性負載中電壓和電流的關系曲線。電流滯后于負載電壓90°,，在電流是峰值時,，負載電壓是零。這就意味著放大器必定在導通晶體管兩端的電壓為滿幅V＋（對于峰值電流的負半周為V－）時,，提供峰值電流,。這種情況對于電容性負載，同樣是嚴厲的,，檢驗這種狀態(tài)下SOA曲線上的電壓和電流,。

　　重新考察圖5中的曲線，功率放大器的損耗等于來自電源的功率減去輸送給負載的功率,。來自電源的功率PS不論負載阻抗是電阻性的還是電抗性的都是一樣的,。但是，如果負載完全是電抗性的（電感或電容）,，則輸送給負載的功率是零,。所以,，由放大器消耗的功率就等于來自電源的功率，在滿幅度輸出下,，這約是具有電阻負載的放大器在最壞情況下?lián)p耗的三倍,。

　　電抗性負載是一種損耗很大的情形，與電阻性負載相比,，它要求有一個大的散熱器,，幸虧純電抗性負載是罕見的。例如,，一個交流電機不可能是純電感，否則它不能做任何機械功,。

　　功率損耗

　　評價獨特的負載和信號可能是復雜的,，利用放大器的功耗等于電源的功率減去負載功率的原理，由電源輸送的功率可以用如圖7所示的方法來測量,，來自每個電源的功率等于平均電流乘它的電壓,。如果輸出波形是不對稱的，要分別地測量和計算正和負電源,，并把兩個功率相加,。如果波形是對稱的，你可以測量一次并乘2,。用平均值響應儀表來測量電流,，一種簡單的帶有電流分流器裝置的D＇Arsonval型儀表工作得很好，不要使用有效值響應儀表,。

　　對于正弦信號,，很容易求負載的功率：

　　PLOAD＝（Iorms）·（Vorms）·cos（θ）

　　式中θ是負載電壓和電流之間的相位角（見測量方法圖8）。

　　對于復雜波形,，負載功率是更難測量的,，你可能了解一些確定負載功率的有關負載的一些情況，不然的話,，你可以使用乘法器集成電路,，用順次地乘以電壓和電流的方法來建立一個測量負載功率的電路。乘法器的平均直流輸出與平均負載功率成比例,。

　　獨特的負載

　　通常當運算放大器的輸出為正時,，它向負載提供電流（Q1導通，圖1）,。根據(jù)所涉及的負載和電壓的形式,，運算放大器在正的輸出時可能不得不吸收電流（Q2導通），或者在負的輸出電壓下要求運放能提供電流,。在這些情況下,，導通晶體管兩端的電壓要比V＋或V－更大。

　　這種情況的例子是一種被用作電流源的功率運算放大器。在電流源的依從范圍（compliance range）內(nèi),，可以把它的輸出接到任意電壓電位上,。使大電流流向負電位節(jié)點時，可能產(chǎn)生大的損耗,，從而要求良好的SOA,。

　　電機負載

　　評估電機負載可能是很棘手的，因為它們能夠把儲存的能量（機械能）返回給放大器,，所以它們很像是個阻抗負載,。當速度變化時，電機和負載的慣性可能引起放大器消耗非常大的功率,。

　　機-電系統(tǒng)可以用電路來模擬,，這本身就是一門學科（超出了本文的討論范圍）。

　　然而你可以在有效的負載狀態(tài)下測量電機（或任何其它的負載）的V-I消耗,。圖8表示的是與負載串聯(lián)連接的一個電流檢測電阻,，利用分別顯示在示波器掃描線上的負載電壓和電流，你就可以求出最大承載的條件,。務必要考察導通晶體管兩端的電壓（VCE）,，而不是放大器的輸出電壓，有最大

承載的狀態(tài)可能出現(xiàn)在中等電流下,，但負載電壓較低,。

　　電壓和電流的X-Y方式顯示（圖8B）也可以幫助鑒別易出故障的條件。電壓和電流組合的更大功耗是那些偏離線性電阻負載的那些情形,。