TPA3118D2 và TPA3116D2 khác nhau thế nào: hướng pad tản nhiệt và công suất theo điều kiện

TPA3118 và TPA3116 khác nhau thế nào? Hai chip TPA3118D2 và TPA3116D2 thuộc cùng họ TPA311xD2 của Texas Instruments (TI), dùng chung datasheet SLOS708, chung sơ đồ chân và hầu hết thông số điện. Khác biệt quyết định nằm ở hướng PowerPAD - miếng đệm kim loại truyền nhiệt của chip: TPA3116D2 dùng vỏ DAD với pad hướng lên trên để gắn heatsink (tấm tản nhiệt) trên lưng chip, còn TPA3118D2 dùng vỏ DAP với pad hướng xuống dưới, truyền nhiệt qua PCB (bảng mạch in). Mỗi con số công suất TI công bố cho hai chip đều gắn với điều kiện đo riêng về điện áp nguồn, tải loa và THD+N (tổng méo hài cộng tạp âm).

Điểm chung của họ TPA311xD2

TI gộp TPA3116D2, TPA3118D2 và TPA3130D2 vào một datasheet duy nhất (SLOS708, bản sửa đổi G, tháng 12/2017). Ba chip dùng chung thân vỏ HTSSOP 32 chân (11,00 mm x 6,20 mm), chung sơ đồ chân và chung footprint, nên một layout PCB có thể phục vụ nhiều mức công suất. Các thông số điện dùng chung của TPA3116D2 và TPA3118D2 gồm:

• Nguồn PVCC/AVCC: 4,5 V đến 26 V, nguồn đơn.
• Ngõ ra BTL (Bridge-Tied Load, cấu hình cầu nối tải: loa nối giữa hai ngõ ra đảo pha thay vì nối xuống mass) cho stereo và chế độ mono PBTL (song song hai cầu để tăng dòng cho một kênh).
• Tải tối thiểu danh định: khoảng 4 ohm ở BTL (3,2 ohm) và khoảng 2 ohm ở PBTL (1,6 ohm).
• Bốn mức gain (hệ số khuếch đại điện áp) chọn bằng cầu chia điện trở ở chân GAIN/SLV: 20 dB, 26 dB, 32 dB, 36 dB ở chế độ BTL.
• rDS(on) của MOSFET công suất: 120 milliohm điển hình tại PVCC = 21 V, dòng ra 500 mA.
• THD+N = 0,1% tại VCC = 21 V, f = 1 kHz, Po = 25 W; SNR 102 dB A-weighted; tạp âm ngõ ra 65 microvolt.
• Ngắt quá dòng 7,5 A, điểm ngắt nhiệt khoảng 150 độ C, tần số dao động chọn tới 1,2 MHz, có tránh dải AM, đồng bộ master/slave và chân PLIMIT giới hạn công suất.
• Bảo vệ quá áp, thấp áp, quá nhiệt, phát hiện DC ngõ ra và ngắn mạch, kèm chân FAULTZ báo lỗi.

Khác biệt 1: hướng PowerPAD và đường thoát nhiệt

Theo datasheet, PowerPAD phải nối GND để đạt hiệu năng tốt nhất, và đây cũng là đường dẫn nhiệt chính từ đế silicon ra ngoài. Với TPA3116D2, vỏ DAD đặt pad ở mặt trên: nhiệt đi thẳng lên heatsink nhỏ gắn trên lưng chip, và TI mô tả chip đạt 2 x 50 W vào tải 4 ohm với heatsink nhỏ gắn ở mặt trên PowerPAD. Với TPA3118D2, vỏ DAP đặt pad ở mặt dưới: nhiệt đi qua lớp hàn xuống vùng đồng của PCB, và TI cho biết chip chạy 2 x 30 W vào tải 8 ohm không cần heatsink ngoài trên PCB hai lớp.

Mục Thermal Information của datasheet cho RθJA (nhiệt trở từ đế chip ra môi trường, càng nhỏ càng thoát nhiệt tốt): TPA3116D2 vỏ DAD là 14 độ C/W, TPA3118D2 vỏ DAP là 22 độ C/W. Điều kiện đi kèm khác nhau: số của TPA3116D2 tính với heatsink 14 mm x 50 mm x 25 mm nêu trong datasheet, số của TPA3118D2 theo layout bo đánh giá TPA3118D2EVM. Vì vậy chỉ nên dùng hai con số này để hiểu xu hướng, không kết luận chip nào mát hơn trong mọi thiết kế.

Ví dụ: ước tính nhiệt độ đế chip ở hai cách tản nhiệt

Ví dụ: giả định chip phải thải nhiệt tổn hao Pdiss = 5 W (nhiệt sinh trong chip, không phải công suất ra loa), nhiệt độ phòng 30 độ C. Công thức: Tj = Tamb + RθJA x Pdiss. Với TPA3118D2 tản nhiệt qua PCB: Tj = 30 + 22 x 5 = 140 độ C, rất gần điểm ngắt nhiệt khoảng 150 độ C. Với TPA3116D2 có heatsink trên lưng theo điều kiện của TI: Tj = 30 + 14 x 5 = 100 độ C, còn cách ngưỡng ngắt 50 độ C. Cùng một lượng nhiệt thải, đường thoát nhiệt quyết định chip có bị ngắt bảo vệ hay không.

Khác biệt 2: công suất công bố phải đọc kèm điều kiện đo

Ngay trang đầu datasheet, TI công bố TPA3116D2 đạt 2 x 50 W vào tải BTL 4 ohm tại nguồn 21 V, còn TPA3118D2 đạt 2 x 30 W vào tải BTL 8 ohm tại nguồn 24 V. Hai con số này khác nhau ở cả ba biến - điện áp, tải và chip - nên đặt cạnh nhau không phải phép so sánh công bằng. Trong bảng đặc tính AC (điều kiện chung TA = 25 độ C, RL = 4 ohm), công suất liên tục là 25 W tại THD+N = 10%, f = 1 kHz, PVCC = 14,4 V và 50 W tại THD+N = 10%, f = 1 kHz, PVCC = 21 V. Cả họ còn có cấu hình mono tới 100 W vào tải 2 ohm theo mô tả của TI. Mốc THD+N = 10% là điểm công suất cực đại danh định, nơi sóng ra đã méo rõ, không phải mức nghe sạch thường ngày; muốn biết chip sạch đến đâu, hãy nhìn mốc THD+N = 0,1% tại 25 W hoặc đọc bài thông số và điều kiện vận hành của TPA3116D2.

Ví dụ: vì sao 50 W và 30 W không so trực tiếp được

Ví dụ: với BTL lý tưởng (bỏ qua sụt áp trên MOSFET), công suất sin lý thuyết P = Vcc bình phương / (2 x RL). Tại 21 V, tải 4 ohm: P = 21 x 21 / (2 x 4) = 55,1 W. Tại 24 V, tải 8 ohm: P = 24 x 24 / (2 x 8) = 36,0 W. Hai giới hạn lý thuyết đã chênh nhau chủ yếu vì điều kiện nguồn và tải, trước khi xét tới chip. Dòng điện cũng vậy: 50 W vào 4 ohm cần dòng hiệu dụng căn bậc hai của (50 / 4) = 3,54 A mỗi kênh; 30 W vào 8 ohm chỉ cần căn bậc hai của (30 / 8) = 1,94 A. Muốn so hai chip phải ép về cùng điện áp, cùng tải và cùng mốc THD.

Ví dụ: chọn nguồn theo mức công suất của từng chip

Ví dụ: giả định hiệu suất 90% như mức TI công bố cho họ chip này (hiệu suất thật thay đổi theo công suất và tải). Khai thác TPA3116D2 ở 2 x 50 W tại 21 V: tổng công suất ra 100 W, nguồn phải cấp 100 / 0,9 = 111,1 W, dòng khoảng 111,1 / 21 = 5,29 A; nhân hệ số dự phòng 1,5, nên chọn nguồn dòng danh định khoảng 8 A. Dùng TPA3118D2 ở 2 x 30 W tại 24 V: nguồn phải cấp 60 / 0,9 = 66,7 W, dòng khoảng 2,78 A, nhân 1,5 được 4,17 A, tức nguồn 24 V 5 A là hợp lý.

Gain và độ nhạy đầu vào: giống nhau nhưng dễ đặt sai

Trở kháng đầu vào thay đổi theo gain theo bảng chọn gain của datasheet: khoảng 60 kiloohm ở 20 dB, 30 kiloohm ở 26 dB, 15 kiloohm ở 32 dB và 9 kiloohm ở 36 dB. Gain càng cao càng dễ đạt công suất tối đa từ nguồn phát yếu, nhưng cũng càng dễ clipping (xén ngọn sóng) khi nguồn phát có mức ra lớn.

Ví dụ: đạt 30 W vào loa 8 ohm cần điện áp ra căn bậc hai của (30 x 8) = 15,49 Vrms. Ở gain 20 dB (khuếch đại 10 lần), nguồn phải đưa 1,55 Vrms. Ở gain 26 dB (19,95 lần), chỉ cần 0,78 Vrms. Ở gain 36 dB (63,10 lần), chỉ cần 0,25 Vrms - một DAC ra mức 1-2 Vrms sẽ làm ampli méo rất sớm nếu không giảm âm lượng ở nguồn. Nhiều mạch bán sẵn bị chê mau vỡ tiếng chỉ vì gain mặc định quá cao, không phải vì chip yếu.

Nên chọn TPA3116D2 hay TPA3118D2?

Hãy chọn theo cơ khí và nhiệt trước, công suất sau. Đóng loa 4 ohm, cần quanh 2 x 50 W tại 21 V và khung máy có chỗ gắn heatsink lên lưng chip: chọn TPA3116D2. Mạch hàn trên PCB hai lớp có vùng đồng tản nhiệt tốt, tải 8 ohm, quanh 2 x 30 W tại 24 V: TPA3118D2 giúp bỏ heatsink ngoài và làm mạch gọn hơn. Nhu cầu cao hơn hẳn hai mức này thì xem tiếp bài thông số và lưu ý sử dụng TPA3255. Và luôn quay lại nguyên tắc nền trong bài cách chọn mạch ampli theo loa và nguồn: công suất chip chỉ có nghĩa khi khớp trở kháng loa và khả năng cấp dòng của nguồn.

Lưu ý an toàn: cả hai ngõ ra BTL đều có điện áp dao động, không nối một cực loa xuống mass, không dùng chung mass ngõ ra với thiết bị khác. Thử mạch bằng nguồn có giới hạn dòng, kiểm tra cực tính trước khi bật và không cấp quá 26 V - giới hạn vận hành khuyến nghị tối đa của họ chip.

Bảng tóm tắt khác biệt

Câu hỏi thường gặp

TPA3118D2 có yếu hơn TPA3116D2 không?

Không kết luận được từ hai con số 30 W và 50 W, vì TI công bố ở điều kiện khác nhau (8 ohm tại 24 V so với 4 ohm tại 21 V). Khác biệt thực tế là đường tản nhiệt, và nhiệt mới là yếu tố giới hạn công suất liên tục.

Có thay TPA3118D2 bằng TPA3116D2 trên cùng một PCB không?

Sơ đồ chân và footprint là dùng chung, nhưng hướng PowerPAD ngược nhau: một chip cần heatsink phía trên, một chip cần vùng đồng phía dưới. Thay chéo mà không sửa thiết kế tản nhiệt sẽ cắt mất đường thoát nhiệt, khiến chip dễ ngắt quá nhiệt dù mạch vẫn kêu.

Có cần gắn heatsink cho TPA3118D2 không?

TI cho biết chip chạy 2 x 30 W vào 8 ohm không cần heatsink ngoài trên PCB hai lớp. Heatsink gắn trên lưng gần như không giúp gì vì PowerPAD ở mặt dưới; muốn mát hơn, hãy tăng diện tích đồng, thêm via nhiệt và giữ thông gió cho mặt mạch.

Công suất 50 W của TPA3116D2 đo ở THD bao nhiêu?

Trong bảng đặc tính AC, mức 50 W ứng với THD+N = 10%, f = 1 kHz, PVCC = 21 V, tải 4 ohm. Khi nghe thường ngày, hãy tham chiếu thêm mốc THD+N = 0,1% tại 25 W để có kỳ vọng thực tế về độ sạch.

Khi đã rõ mình cần hướng tản nhiệt và mức công suất nào, bạn có thể tham khảo thêm các mạch ampli và linh kiện âm thanh liên quan tại Cimo.vn để đối chiếu thông số trước khi chọn mua.