如何检查与排除功率放大器内元器件发热故障？
元器件发热
当自制功率放大器的电路元件焊接错误、元件选择不符合要求、电路自激、装制与调整不当等等，均会使功率放大器内部的元件发热甚至烧毁。一般来说主要有以下几种情况。
1、电阻发热冒烟
原因一：电阻器的功率不够。 电阻器的功率大个由流过核电阻的电流（或加在核电阻两端的电压）所决定。一般在现代功率放大器中，没有标明电阻器功率数值的电阻，均为八分之一瓦，有特殊功率要求的电阻均标明其功率的大小。但在一些自己设计的功率放大器中，往往会忽视在不同电路中不同功率的电阻的需要。例如下图所示。
电路由于接有自举电容器C11，使之对交流信号来说，R14等于并接在功率放大器的输出端，所以在考虑R14的功率时，决不能只考虑直流电流所形成的功率还要加上功率放大器在输出最大功率时， R14所消耗的交流信号功率 ，因而R14的功率要用到1瓦以上。另一个电阻是R15，因VT3 的集电极电流较大（ 4 0毫安），所以R15的允许耗散功率要有 0．5～1瓦。
原因二、因元件损坏而出现大电流。最常见的是输出级大功率管击穿，此时如功率放大器直流电源接有保险丝，保险丝将立即熔断。如果没有保险丝，已被击穿的晶体管的发射极电阻如图3~8 的电阻R17、R18因通过大电流，会很快发烫，时间一长便烧毁。
原因三、因放大器自激而产生大电流。 如果功率放大器出现高频自激，将会使功率输出级产生大电流。仍以图3~8为例，此时电阻R17、R18将发热（但不致于烧毁），并且还因自激振荡的频率高、幅度大，R19通过C18 的耦合，成为功率放大器的负载，放大器输出的振荡电流使R19发烫。
为了便于判断是否存在高频自激，初学者试装时可先用四分之一瓦的电阻来做R19。此时如出现自激， R19即有焦味发出，从而让调试者警觉，立即关掉电源。待故障排除后再把R19换成2～3瓦的电阻。
强烈的高频自激，有时会把输出级晶体管（特别是集成电路）击穿。此时最好先把消振电容的容量加大，并暂时降低电源电压，才更换新的器件，再次通电调试。
原因四、因晶体管连接错误而产生大电流。 业余品晶体管有的没有标记。业余爱好者在利用这些晶体管来装制功率放大器时，常会出现搞错晶体管极性的情况。如果把功率输出级PNP、NPN型晶体管的极性搞反，便会在一开启电源的瞬间把大功率管击穿，从而产生大电流。若击穿的晶体管是塑料封装的，常会随之爆 裂。
另外。整流管或滤波电容器的极性接反，也会被击穿，使扩音机出现大电流。我们在通电调试功率放大器之前，一定要检查它们的极性。
2、散热器发烫
正在 使用中的功率放大器，输出级晶体管的散热器发热是正常现象。但如果温度很高，烫到连手也不能触摸的程度，便是不正常了。散热器发烫说明输出级晶体管的集电极耗散功率明显增大，其产生原因有以下几个方面。
原因一、率输出级静态电流过大。 普通功率放大器的输出级晶体管多工作在接近乙类的状态，静态电流只有几十毫安。如果静态电流显著增大（例如达几百毫安），晶体管的静态功耗便大得多，原设计的散热器无法承受，会达到发烫的地步，时间一长，大功率晶体管便会引起热崩溃，直到烧毁。
对单端输出的互补推挽式功放电路而言，输出级晶体管的静态电流由偏置电路所决定。这些电路如果出现开路（或阻值明显变大）情况，输出级晶体管所得偏压就会比正常值高得多，导致输出级出现大得多的静态电流。这其中 晶体管开路的情况最常见，应首先检查。
这里还有一个偏置电路的可变电阻在通电前应调到哪里的问题。总的原则是应调在偏压绝对值最小的位置。但因偏置电路不同或因可变电阻在电路中的位置不同，该电阻在通电前应调到的起始值便有所不同，如果起始值与图不符，在作静态调整之前，输 出级晶体管使会出现大的静态电流，使散热器发烫。
由于硅晶体管的输入特性曲线很陡直，所以在调整偏置电路里的可变电阻时，一定要小心地缓慢调整，以防电流迅速增大。如果手头上的万用电表有低电压档位，则在检测输出级晶体管的集电极电流时，测取该晶体管发射极电阻上的压降就行。
原因二、温度补偿不足。在电路二极管、热敏电阻、三极管等都是补偿元件，利用其电压降能随环境温度的升高而降低这特性，来对输出级晶体管的静态电流加以补偿。如果补偿不足，环境温度升高后，大功率管的静态电流便明显增大，使晶体管发热，发热结果又使电流进一步增大，如此恶性循环，将导致散热器发烫，直到放大器失去工作能力或烧毁输出级晶体管。当输出管采用锗管时，此情况较易发生。
发热的大功率晶体管的管壳安装。当然，热敏元件与晶体管管壳之间要垫上云母片、聚酯薄膜等绝缘垫片，垫片两面最好涂上导热的硅脂。
原因三、输出级晶体管处于临界击穿状态。 在选择晶体管时所用的BUce。， BUce。等参数，是在基极电流等于零时测得的，此时集电极电流十分微弱。如果扩音机负载为纯电阻，输出级晶体管集电极与发射极之间的最高反压只出现在晶体管截止时，所以选用的晶体管只要能满足设计条件中所列的反任要求，一般是可以正常使用的。但有的晶体管反向特性不佳，只要有少量的基极电流注入，反向去穿电压便明显下降。这样的晶体管在作大信号放大时，便很容易出现临界击穿。此时晶体管的功率损耗加大，散热器发烫，从扬声器里可听到夹杂在信号中间的噪声。由于这种打穿只在大音量时瞬间发生，所以晶体管还不至于马上就损坏。但如连续使用下去，晶体管继续发热，反向特性更加变劣，则会最终导致击穿损坏。
考虑到实际扬声器的阻抗并非纯电阻，并且有的电路（例如新甲类放大电路）里的输出级晶体管在集一射间皮向电压最高时仍不会进入截止状态，所以我们选管时必须把反向击穿特性不好的晶体管剔除。
原因四、功率放大器有高频自激。功率放大器如有自激，将引起输出管的集电极电流增大，其散热器也随之发热。那么，怎样区分散热器发热的原因呢？用手摸一下阻抗补偿电阻。如果该电阻发烫，发热原因是高频自激。但如该电阻正常，则最大功率管出观大的静态电流所致。
原因五、散热条件不良。 这是装配工艺方面的门见例如散热器被不透风的物品所包围，机壳没开通风孔等。只要设法让散热器的热量辐射出去，并加强空气流通便可解决。
走进科学——天气不好就会异常的三极管
1、现象、问题描述：
板在环境试验低温存储后（机框下电，-40°存储24h，恢复到常温25°，在25°条件下保持2h）上电，发现有4块单板未正常启动。监控单板电源，发现所有问题单板的5V电源异常（测试值为2.6V），而3V3、3V3_STBY、5V_STBY等电压输出正常；过了20分钟后（未对问题单板进行插拔），问题单板都恢复正常。
下图中5V异常，Q44没有充分导通。
我们在低温实验之后，一直没有找到规律。在实验室复现的时候，喷上液氮模拟低温，总觉得这个现象，时有时无。很难琢磨。后来郁闷至极，跟同事讨论说：你觉不觉得跟天气有关？天气不好的时候，就容易出现这个现象？
情急之下，用手指抹了一下口水涂抹在三极管封装表面。然后喷上液氮，问题复现了。
一个奇怪的跟天气有关电路：
2、关键过程、根本原因分析：
图1 5V&3V3控制电路
分析过程：
单板故障时，5V_STBY输出正常，而5V输出只有2.6V，分析图1电路的MOS管Q44（15060203）可知，此时该MOS管的Vgs小于导通阀值Vgs(th)（查看器件手册，低温下Vgs(th)大概为2.3V，见图2），处于未完全导通状态。要使5V输出正常，则Q44的G点电压Vg（即VEN_5V_3V3）必须大于7.3V（5V+2.3V）；反之，单板出现故障时，VEN_5V_3V3 <7.3V。
图1，3V3和5V输出的MOS管G点使用同一个信号EN_5V_3V3来控制。单板发生故障时，3V3输出正常，因此Q1的Vgs>2.3V；VEN_5V_3V3>5.6V(3V3+2.3V)。
根据上面的分析可知，由于VEN_5V_3V3处于5.6V~7.3V之间，导致单板5V输出异常，3V输出正常。以下对VEN_5V_3V3输出降低的原因进行分析，图3为分析过程。
图2 MOS管Q44（15060203）Vgs曲线图
图3VEN_5V_3V3输出降低原因分析过程
2.1 排除Q15（15050026）三极管处于放大区
理论分析：
当单板启动时，SLP_S3会输出3V3电平，此时Q14的ib=（3.3-0.7）/2K=1.3mA；按三极管处于放大区时hFE=100计算，ic=100*1.3mA=130mA，已经超过了ic的饱和电流1.2mA（12V/10K），因此，Q15的B点电压应接近于0V，三极管应该处于关闭状态，不可能处于放大区。而根据三极管的温度特性（见图4），温度越低，三极管开启电压阀值越高，更不容易开启。因此，理论分析，此时三极管Q15不是处于放大区。
实测结果：
单板故障复现时，实测Q15的B点电压只有12mV，因此，三极管Q15不可能处于放大区。
图4 三极管Q15（15050026）Ic电流曲线图
2.2 排除三极管Q15的CE漏电流或MOS管Q1、Q44的GS漏电流导致
查看MOS管（15060203）数据手册可知，MOS管的GS漏电流最大只有100nA（见图5）。
图5 MOS管（15060203）GS漏电流
查看三极管Q15（15050026）的CE漏电流最大为100nA（见图6）。
图6 三极管Q15（15060203）CE漏电流
从上可知，三极管Q15的CE漏电流或MOS管Q1、Q44的GS漏电流，最多使VEN_5V_3V3的电压下降3mV（100nA*3*10K），所以也不是故障产生的根因。
2.3 确认漏电流往三极管Q15方向流
单板故障时，R382上有大概0.5mA（5V/10K）的电流流过，流往的方向只有两个：I1或I2方向，如图7所示。通过下面操作来确认漏电流流向。
操作方式如下：
1、用液氮对Q15降温操作，故障复现，VEN_5V_3V3逐渐降低时，检测到的电流I2逐渐增大，而电流I1始终为0。
2、用液氮对Q1、Q44降温操作，多次降温，未发现VEN_5V_3V3输出降低。检测到的I1 、I2电流都为0。
由此可以知道，三极管对低温敏感，造成单板故障。且单板故障时，R382上的电流都是往三极管Q15上流的。
图7 I1 、I2电流检测
2.4 分析三极管Q15产生漏电流的原因
1、怀疑三极管Q15上拉的电压（12V）过高；
2、三极管封装封装杂质；
3、怀疑是三极管本身的特性造成，改用相同封装的MOS管代替。
造成单板故障是三极管Q15在低温下引起，且R382上产生的电流都是流向Q15。因此为排查其他因素的影响，对单板上的电路做如图8处理：断开后级的Q1和Q44（去掉100欧姆电阻）；将Q15B点的直接拉地。
2.4.1排除三极管Q15上拉的电压（12V）过高；
为了验证该问题是否是Q15的C点上拉电压过高引起，因此将上拉电压从12V改为5V，用液氮对Q15进行降温处理。
图8 上拉电压更换为5V
结果：VEN_5V_3V3仍然会出现下降，因此，可以排除三极管Q15上拉的电压过高因素
2.4.2排除三极管封装杂质因素
此前其他产品线出现过MOS管器件内部污染导致漏电流超标的问题，但此类问题属于批次问题。将Q15更换为不同批次和不同厂家的三极管（15050026）进行测试，发现现象依然存在。因此，排查三极管封装杂质因素。
2.4.3怀疑三极管自身特性造成
其他单板类似电路在Q15处用MOS管(相同封装)代替，因此，怀疑是否是三极管自身的特性引起，于是用相同封装的MOS进行代替，并进行液氮降温测试。
图9 将Q15更换为同封装的MOS管
故障仍然存在，VEN_5V_3V3在低温下，从5V开始跌落，最低跌落到2V以下，且保持时间超过15分钟以上。排除三极管自身特性造成。
图10 VEN_5V_3V3 在低温下下降到1.44V
2.4.4确认是SOT23封装的三极管和MOS管在低温下阻抗减小导致
测试故障单板上MOS管Q15的DS阻值，发现只有7K；而单板正常时测试到的DS阻值为41K，因此怀疑是低温导致SOT23封装的MOS管DS阻值、三极管CE的阻抗变小，和上拉的10K电阻产生分压，导致输出VEN_5V_3V3降低。
为验证在低温下SOT23封装的MOS管DS阻抗、三极管CE阻抗会变小，取多个三极管、MOS管器件（SOT23封装，未焊在板上），用液氮进行降温，测试三极管CE、MOS管DS的阻抗。
降温前，测试到的阻抗为无穷大（100M欧以上）；降温后，测试到的阻抗会降低，测试到的最小阻抗只有10K。
因此，可以确认是SOT23封装的三极管和MOS管在低温下阻抗减小，和上拉的10K电阻产生分压，导致输出VEN_5V_3V3降低。
厂家已承认有这种问题，在低温、高湿度的环境下，SOT23封装的三极管和MOS管的阻抗会减小。
3 结论、解决方案及效果：
结论：在低温、高湿度情况下，SOT23这类小封装的三极管（或者MOS管）会呈现低阻抗特征，和上拉的10K电阻产生分压，导致VEN_5V_3V3输出变低。当三极管Q15的CE阻抗降低到小于14K时，由于分压，VEN_5V_3V3输出会小于7V，使5VMOS管的Vgs电压小于MOS管的导通要求，导致5V输出变低。
图13 5V输出变低过程
解决方案：
减小Q15三极管C点的上拉电阻，改为1K。减小封装在低温高湿的情况下，楼电流，影响输出端电压。
改为1K之后，Q15完全导通时电流比较大。要注意电阻的封装、额定功率。
4、经验总结、预防措施和规范建议
SOT23封装的MOS管、三极管在低温+高湿度的条件下，三极管的RCE、MOS管的RDS呈现低阻抗特征，如果选用此类器件来控制开关/使能信号，建议上拉的电阻不要太大，保证输出电压满足后级开启要求，同时需要注意上拉电阻的降额要求。
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