高效音頻利器：TPA3156D2音頻放大器深度剖析

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的音頻放大器往往是提升音質(zhì)和效率的關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的TPA3156D2 2 x 70 - W，模擬輸入、立體聲、D類音頻放大器，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處能在音頻市場脫穎而出。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 強(qiáng)大的功率輸出與寬電壓范圍

TPA3156D2能夠在24V電壓下，為4 - Ω的BTL負(fù)載提供2 × 70W的功率，這一強(qiáng)大的輸出能力使得它在驅(qū)動各種音箱時(shí)都游刃有余。同時(shí)，其寬電壓范圍為4.5V至26V，這意味著它可以適配多種不同的電源，大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

2. 高效的D類操作

• 低靜態(tài)電流：對于推薦的LC濾波器配置，其靜態(tài)電流小于23mA，這一特性使得設(shè)備在閑置狀態(tài)下的功耗極低，有助于延長電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• 高功率效率：功率效率超過90%，這意味著在將電能轉(zhuǎn)換為音頻信號的過程中，能夠減少能量的損耗，提高能源利用效率。
• 自適應(yīng)調(diào)制方案：根據(jù)輸出功率采用自適應(yīng)調(diào)制方案，能夠更好地適應(yīng)不同的音頻信號，提供更穩(wěn)定、更優(yōu)質(zhì)的音頻輸出。

3. 多開關(guān)頻率選擇

提供300 - KHz至1.2 - MHz的開關(guān)頻率選擇，不僅可以避免AM干擾，還支持主從同步功能。這使得多個(gè)TPA3156D2設(shè)備可以協(xié)同工作，減少相互之間的干擾，提高音頻系統(tǒng)的整體性能。

4. 高PSRR反饋功率級架構(gòu)

該架構(gòu)具有高電源抑制比（PSRR），能夠有效減少電源紋波對音頻信號的影響，降低對電源的要求。同時(shí)，可編程功率限制功能可以根據(jù)實(shí)際需求對輸出功率進(jìn)行靈活調(diào)整，保護(hù)音箱和設(shè)備免受過大功率的損害。

5. 多種工作模式支持

支持并行BTL模式和單聲道模式，還可以同時(shí)支持單電源和雙電源模式，滿足不同音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。無論是立體聲音箱還是單聲道音頻設(shè)備，TPA3156D2都能輕松應(yīng)對。

6. 完善的自我保護(hù)電路

集成了過壓、欠壓、過溫、直流檢測和短路保護(hù)等自我保護(hù)電路，并能通過錯誤報(bào)告功能及時(shí)將故障信息反饋給處理器。這使得設(shè)備在遇到異常情況時(shí)能夠自動采取保護(hù)措施，避免損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

7. 熱增強(qiáng)型封裝

采用DAD（32 - 引腳HTSSOP Pad Up）封裝，具有良好的散熱性能，有助于降低設(shè)備的工作溫度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。同時(shí)，它與TPA3116D2和TPA3126D2引腳兼容，方便工程師進(jìn)行升級和替換。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TPA3156D2的低閑置功耗和高效性能使其在多個(gè)音頻應(yīng)用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用：

1. 藍(lán)牙/無線音箱

在藍(lán)牙和無線音箱中，續(xù)航能力是一個(gè)重要的指標(biāo)。TPA3156D2的低靜態(tài)電流和高功率效率能夠有效延長音箱的電池使用時(shí)間，同時(shí)提供高質(zhì)量的音頻輸出，滿足用戶對便攜音箱的需求。

2. 條形音箱（Soundbars）

條形音箱需要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高音質(zhì)和高功率輸出。TPA3156D2的強(qiáng)大功率輸出和高效性能能夠在小體積的條形音箱中發(fā)揮出色的音頻表現(xiàn)，為用戶帶來沉浸式的音樂體驗(yàn)。

3. 迷你/微型組件和底座

對于迷你和微型音頻組件以及底座，TPA3156D2的小尺寸封裝和低功耗特性使其成為理想的選擇。它可以在有限的空間內(nèi)集成到各種設(shè)備中，為用戶提供高品質(zhì)的音頻解決方案。

4. 家庭影院

在家庭影院系統(tǒng)中，需要多個(gè)聲道的音頻放大器來實(shí)現(xiàn)環(huán)繞聲效果。TPA3156D2的多通道支持和良好的音頻性能能夠滿足家庭影院系統(tǒng)對高音質(zhì)和多聲道的要求，為用戶打造逼真的影院音效。

三、功能詳解

1. 增益設(shè)置與主從模式

TPA3156D2的增益通過連接到GAIN/SLV控制引腳的分壓器來設(shè)置，同時(shí)該引腳還可以控制主從模式。內(nèi)部ADC用于檢測8種輸入狀態(tài)，前四個(gè)階段分別設(shè)置主模式下的增益為20、26、32、36dB，后四個(gè)階段分別設(shè)置從模式下的增益為20、26、32、36dB。增益設(shè)置在電源啟動時(shí)鎖定，并且在設(shè)備通電期間不能更改。在主模式下，SYNC端子是輸出；在從模式下，SYNC端子是時(shí)鐘輸入，采用符合GVDD的TTL邏輯電平。

2. 輸入阻抗

TPA3156D2的輸入級是全差分輸入級，輸入阻抗會隨著增益設(shè)置的變化而變化，從36dB增益時(shí)的7.3kΩ到20dB增益時(shí)的50kΩ不等。輸入必須進(jìn)行交流耦合，以最小化輸出直流偏移，并確保在電源開啟和關(guān)閉期間輸出電壓的正確斜坡上升和下降。輸入交流耦合電容與輸入阻抗形成一個(gè)高通濾波器，根據(jù)不同的增益設(shè)置，需要選擇合適的交流耦合電容來滿足音頻系統(tǒng)的要求。

3. 啟動和關(guān)機(jī)操作

為了節(jié)省電源，TPA3156D2采用了關(guān)機(jī)模式。在正常工作時(shí)，SDZ輸入端子應(yīng)保持高電平；將SDZ拉低會使輸出靜音，并使放大器進(jìn)入低電流狀態(tài)。為了獲得最佳的關(guān)機(jī)效果，建議在移除電源之前將放大器置于關(guān)機(jī)模式。增益設(shè)置在啟動周期結(jié)束時(shí)選定，并且直到下一次電源啟動之前都不能更改。

4. PLIMIT操作

TPA3156D2內(nèi)置了電壓限制器，可以將輸出電壓水平限制在電源軌以下，從而限制輸出功率。通過在GVDD和地之間添加一個(gè)分壓器來設(shè)置PLIMIT引腳的電壓，也可以使用外部參考來獲得更嚴(yán)格的容差。添加一個(gè)1 - μF的電容從PLIMIT引腳到地可以確保穩(wěn)定性。PLIMIT電路通過限制占空比來設(shè)定輸出峰 - 峰值電壓的限制，這個(gè)限制可以看作是一個(gè)低于連接到PVCC的電源的“虛擬”電壓軌。

5. GVDD電源

GVDD電源用于為輸出全橋晶體管的柵極供電，也可以為PLIMIT和GAIN/SLV分壓器供電。需要使用一個(gè)1 - μF的X5R陶瓷電容將GVDD與地去耦。GVDD電源不適合作為外部電源使用，建議使用100kΩ或更大的電阻分壓器來限制GAIN/SLV和PLIMIT的電流消耗。

6. BSPx和BSNx電容

全H橋輸出級僅使用NMOS晶體管，因此每個(gè)輸出的高端需要自舉電容才能正確導(dǎo)通。必須從每個(gè)輸出連接一個(gè)至少16V額定電壓、質(zhì)量為X5R或更好的220 - nF陶瓷電容到相應(yīng)的自舉輸入。這些自舉電容在每個(gè)高端開關(guān)周期內(nèi)保持柵 - 源電壓足夠高，以保持高端MOSFET導(dǎo)通，起到浮動電源的作用。

7. 差分輸入

放大器的差分輸入級可以抵消出現(xiàn)在通道兩個(gè)輸入線上的任何噪聲。如果使用差分音頻源，將音頻源的正端連接到RINP或LINP輸入，負(fù)端連接到RINN或LINN輸入；如果使用單端音頻源，將負(fù)輸入通過一個(gè)與正輸入電容值相等的電容交流接地，并將音頻源應(yīng)用到任一輸入。為了獲得最佳的噪聲性能，在單端輸入應(yīng)用中，未使用的輸入應(yīng)在音頻源處交流接地，而不是在設(shè)備輸入處接地。為了保證良好的瞬態(tài)性能，兩個(gè)差分輸入看到的阻抗應(yīng)該相同。同時(shí)，輸入看到的阻抗應(yīng)盡量限制在1ms或更小的RC時(shí)間常數(shù)內(nèi)，以確保輸入直流阻斷電容在40ms的上電時(shí)間內(nèi)能夠完全充電。

8. 設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)

TPA3156D2包含一套完整的保護(hù)電路，能夠有效保護(hù)設(shè)備免受短路、過載、過溫、欠壓等各種故障的損害。FAULTZ引腳會根據(jù)檢測到的錯誤發(fā)出信號，不同的故障類型會觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動作，有些故障是鎖存型的，有些則是自清除型的。例如，過流、過溫、過高直流偏移等故障是鎖存型的，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，輸出會變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)，直到故障被清除；欠壓和過壓故障是自清除型的，當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，設(shè)備會自動恢復(fù)工作。

9. DC檢測保護(hù)

該功能可以保護(hù)音箱免受由于輸入電容故障或印刷電路板輸入短路而可能產(chǎn)生的直流電流的損害。當(dāng)檢測到直流偏移超過閾值且持續(xù)時(shí)間超過640ms時(shí)，F(xiàn)AULT引腳會報(bào)告DC檢測故障，并將放大器輸出設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果需要自動從短路保護(hù)鎖存中恢復(fù)，可以將FAULTZ引腳直接連接到SDZ引腳，這樣FAULTZ引腳的功能會自動將SDZ引腳拉低，從而清除DC檢測保護(hù)鎖存。

10. 短路保護(hù)和自動恢復(fù)功能

TPA3156D2具有短路保護(hù)功能，當(dāng)輸出級發(fā)生短路導(dǎo)致過流時(shí)，F(xiàn)AULTZ引腳會報(bào)告短路保護(hù)故障，放大器輸出會切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)。通過將SDZ引腳拉低再拉高可以清除短路保護(hù)鎖存。如果需要自動恢復(fù)功能，同樣可以將FAULTZ引腳直接連接到SDZ引腳。

11. 熱保護(hù)

當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過150°C時(shí)，熱保護(hù)功能會啟動，將設(shè)備置于關(guān)機(jī)狀態(tài)并禁用輸出。熱保護(hù)故障會在FAULTZ端子上以低電平狀態(tài)報(bào)告。如果需要自動從熱保護(hù)鎖存中恢復(fù)，可以將FAULTZ引腳直接連接到SDZ引腳。

12. 設(shè)備調(diào)制方案

TPA3156D2可以在BD調(diào)制或低閑置損耗模式下運(yùn)行。BD調(diào)制是一種特殊的調(diào)制方案，當(dāng)放大器驅(qū)動具有短揚(yáng)聲器線的感性負(fù)載時(shí)，可以在不使用傳統(tǒng)LC重建濾波器的情況下工作。在這種模式下，每個(gè)輸出在0V和電源電壓之間切換，OUTPx和OUTNx在沒有輸入時(shí)同相，揚(yáng)聲器中的電流很小或?yàn)榱?。對于正輸出電壓，OUTPx的占空比大于50%，OUTNx的占空比小于50%；對于負(fù)輸出電壓，情況則相反。負(fù)載兩端的電壓在大部分開關(guān)周期內(nèi)保持在0V，從而減少了開關(guān)電流和負(fù)載中的(I^{2}R)損耗。

13. 效率與LC濾波器

傳統(tǒng)的基于AD調(diào)制的D類放大器需要輸出濾波器，因?yàn)槠溟_關(guān)波形會導(dǎo)致最大電流流動，從而在負(fù)載中產(chǎn)生更多的損耗，降低效率。而TPA3156D2的調(diào)制方案在不使用濾波器的情況下，負(fù)載中的損耗較小，因?yàn)槊}沖較短，電壓變化為VCC而不是2 × VCC。隨著輸出功率的增加，脈沖變寬，紋波電流增大。為了提高效率，可以使用截止頻率低于D類開關(guān)頻率的LC濾波器，使開關(guān)電流通過濾波器而不是負(fù)載，從而減少功率損耗。

14. 鐵氧體磁珠濾波器考慮

TPA3156D2采用了先進(jìn)的輻射抑制技術(shù)，可以使用低成本的鐵氧體磁珠濾波器來設(shè)計(jì)高效的D類音頻放大器，同時(shí)減少對周圍電路的干擾。在選擇鐵氧體磁珠時(shí)，需要注意其材料類型，應(yīng)選擇在10 - MHz至100 - MHz范圍內(nèi)有效的材料。鐵氧體磁珠濾波器可以用于阻擋30 - MHz及以上頻率的輻射，同時(shí)可以與一個(gè)1000pF左右的小電容配合使用，將信號的頻譜降低到可接受的水平。為了獲得最佳性能，鐵氧體磁珠/電容濾波器的諧振頻率應(yīng)小于10MHz。此外，鐵氧體磁珠的尺寸應(yīng)足夠大，以確保在放大器的峰值電流下保持其阻抗。同時(shí)，需要使用高質(zhì)量的陶瓷電容，低ESR、具有良好溫度和電壓特性的電容效果最佳。還可以通過在每個(gè)D類輸出到地之間添加緩沖網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步改善電磁兼容性。

15. 何時(shí)使用輸出濾波器進(jìn)行EMI抑制

在某些情況下，需要添加完整的LC重建濾波器。例如，如果附近有對噪聲敏感的電路，或者系統(tǒng)對電源的去耦能力較弱且受到線路傳導(dǎo)干擾（LCI）法規(guī)的限制，如由“墻式電源適配器”或“電源磚”供電的系統(tǒng)。在這些情況下，LC重建濾波器是通過LCI測試的低成本方法，使用低頻鐵氧體材料的共模扼流圈也可以有效防止線路傳導(dǎo)干擾。

16. AM避免EMI降低

通過選擇合適的開關(guān)頻率，可以避免與AM廣播頻段的干擾。TPA3156D2提供了多個(gè)開關(guān)頻率選項(xiàng)，可以根據(jù)不同地區(qū)的AM頻率范圍進(jìn)行選擇。例如，在美國和歐洲的不同AM頻段，可以通過設(shè)置AM2、AM1和AM0引腳來選擇合適的開關(guān)頻率，從而減少對AM廣播的干擾。

四、設(shè)備功能模式

1. PBTL模式

在PBTL模式下，TPA3156D2可以連接以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100W的輸出功率。具體連接方法是：將INPL和INNL直接接地（不使用電容），這樣在電源啟動時(shí)將設(shè)備設(shè)置為單聲道模式；將OUTPR和OUTNR連接在一起作為揚(yáng)聲器的正極端子，將OUTNL和OUTPL連接在一起作為負(fù)極端子；模擬輸入信號應(yīng)用到INPR和INNR。

2. 單聲道模式（單通道模式）

將INPR和INNR直接接地（不使用電容），在電源啟動時(shí)將設(shè)備設(shè)置為單聲道模式；將OUTPL和OUTNL連接到揚(yáng)聲器，就像正常的BTL模式一樣；模擬輸入信號應(yīng)用到INPL和INNL。單聲道模式可以將閑置功耗降低近一半。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用示例

以一個(gè)2.1聲道的音頻系統(tǒng)為例，主設(shè)備（U1）配置為立體聲輸出，從設(shè)備（U2）配置為單聲道PBTL輸出。主設(shè)備采用TPA3156D2工作在主模式，開關(guān)頻率為400KHz，BTL模式，增益為26dB，未實(shí)現(xiàn)功率限制；從設(shè)備也采用TPA3156D2工作在PBTL模式，增益為26dB。輸入采用差分輸入方式。

2. 設(shè)計(jì)要求與步驟

• 設(shè)計(jì)要求：輸入電壓范圍為4.5V至26V，PWM輸出頻率可選300kHz、400kHz、500kHz、600kHz、1MHz或1.2MHz，最大輸出功率為2 × 70W。
• 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
  • 選擇PWM頻率：通過設(shè)置AM0、AM1和AM2引腳來選擇PWM頻率。
  • 選擇放大器增益和主從模式：根據(jù)最大功率目標(biāo)和揚(yáng)聲器阻抗，計(jì)算所需的輸出電壓擺幅，選擇能夠產(chǎn)生大于最大功率所需輸出擺幅的最低模擬增益設(shè)置。通過選擇Gain/SLV引腳的分壓器電阻（R1和R2）來設(shè)置模擬增益和主從模式。
  • 選擇輸入電容：在PVCC輸入處選擇合適的大容量電容，以提供適當(dāng)?shù)碾妷涸６群妥銐虻碾娙輥碇С止β市枨蟆Ｍǔ?，兩個(gè)100 - μF、50 - V的電容應(yīng)該足夠，一個(gè)電容應(yīng)放置在設(shè)備兩側(cè)的PVCC輸入附近。PVCC電容應(yīng)選擇低ESR類型，以適應(yīng)高速開關(guān)應(yīng)用。
  • 選擇去耦電容：在每個(gè)PVCC輸入處添加高質(zhì)量的去耦電容，以提供良好的可靠性、音頻性能并滿足法規(guī)要求。建議使用X5R或更好等級的電容，同時(shí)要考慮溫度、紋波電流和電壓過沖等因素。這些去耦電容應(yīng)靠近設(shè)備的PVCC和GND連接，以最小化串聯(lián)電感。
  • 選擇自舉電容：每個(gè)輸出需要自舉電容來為高端輸出FET提供柵極驅(qū)動。建議使用0.22 - μF、25 - V的X5R質(zhì)量或更好的電容。

六、電源供應(yīng)建議

TPA3156D2需要一個(gè)較高電壓的電源來為揚(yáng)聲器放大器的輸出級供電，同時(shí)芯片內(nèi)部集成了多個(gè)穩(wěn)壓器來為音頻路徑的內(nèi)部電路生成所需的電壓。這些集成的電壓穩(wěn)壓器僅能提供足夠的電流來為內(nèi)部電路供電，外部引腳僅作為片外旁路電容的連接點(diǎn)，用于過濾電源。連接外部電路到這些穩(wěn)壓器輸出可能會導(dǎo)致性能下降和設(shè)備損壞。高電壓電源范圍為4.5V至26V，為模擬電路（AVCC）和功率級（PVCC）供電。AVCC電源為內(nèi)部LDO（包括GVDD）供電，LDO輸出連接到外部引腳用于濾波，但不應(yīng)連接到外部電路。GVDD LDO輸出的大小僅能滿足內(nèi)部功能的電流需求，不能用于外部負(fù)載。TPA3156D2支持單電源和雙電源模式，雙電源模式在低PVCC功率消耗方面具有優(yōu)勢。在雙電源模式應(yīng)用中，當(dāng)AVCC提供4.5V電源時(shí)，建議PVCC低于20V；當(dāng)PVCC提供大于20V的電源時(shí)，建議AVCC高于6V。

七、布局建議

1. 布局指南

由于D類開關(guān)邊沿較快，印刷電路板的布局需要仔細(xì)規(guī)劃，以滿足EMC要求：

• 去耦電容：高頻去耦電容應(yīng)盡可能靠近PVCC和AVCC端子放置。在PVCC電源上，應(yīng)在TPA3156D2附近放置大容量（100μF或更大）的