TPA3136D2/TPA3136AD2：高效無電感立體聲D類音頻放大器的卓越之選

在音頻放大器領(lǐng)域，D類放大器憑借其高效、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為眾多電子設(shè)備的理想選擇。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的TPA3136D2和TPA3136AD2這兩款10 - W無電感立體聲（BTL）D類音頻放大器，了解它們的特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品特性剖析

1.1 強(qiáng)大的功率與效率表現(xiàn)

• 輸出功率：在不同電源電壓和負(fù)載阻抗下，TPA3136D2和TPA3136AD2能提供出色的輸出功率。例如，在12 - V電源下，可向6 - Ω負(fù)載提供2×10 W/ch的功率；在13 - V電源下，能向8 - Ω負(fù)載提供同樣的功率。
• 效率優(yōu)勢(shì)：高達(dá)90%的D類操作效率（8 Ω負(fù)載），這意味著在工作過程中能有效減少熱量產(chǎn)生，甚至無需額外的散熱片。在1 W/4 Q/1 kHz的條件下，THD + N低于0.05%，保證了音頻的高質(zhì)量輸出。

1.2 靈活的電源與工作模式

• 寬電源電壓范圍：TPA3136D2的工作電壓范圍為4.5 V至14.4 V，TPA3136AD2為8 V至14.4 V，這種寬范圍的電源設(shè)計(jì)使得它們能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
• 無電感操作：無需電感，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本和PCB空間占用。

1.3 優(yōu)秀的性能與保護(hù)機(jī)制

• 低EMI性能：采用擴(kuò)頻技術(shù)，有效增強(qiáng)了EMI性能，在滿足系統(tǒng)EMC要求的同時(shí)，可使用低成本的鐵氧體磁珠濾波器。
• 多重保護(hù)功能：具備SpeakerGuard?揚(yáng)聲器保護(hù)功能，包括功率限制器和直流保護(hù)，同時(shí)還有強(qiáng)大的引腳對(duì)引腳、引腳對(duì)地和引腳對(duì)電源的短路保護(hù)以及熱保護(hù)，確保了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。
• 固定增益與輸入方式：26 - dB的固定增益設(shè)計(jì)，以及單端或差分模擬輸入方式，為音頻信號(hào)的處理提供了便利。
• 無咔嗒聲啟動(dòng)：實(shí)現(xiàn)了無咔嗒聲和爆裂聲的啟動(dòng)過程，為用戶帶來更好的音頻體驗(yàn)。

二、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

TPA3136D2和TPA3136AD2由于其出色的性能和特性，適用于多種音頻相關(guān)設(shè)備，如電視機(jī)、藍(lán)牙和無線揚(yáng)聲器、迷你揚(yáng)聲器、USB揚(yáng)聲器以及各種消費(fèi)音頻設(shè)備等。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，它們能夠充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，為用戶提供高品質(zhì)的音頻輸出。

三、詳細(xì)的技術(shù)分析

3.1 功能框圖解析

TPA3136D2和TPA3136AD2的功能框圖涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵模塊，包括柵極驅(qū)動(dòng)、PWM邏輯、直流檢測(cè)、熱檢測(cè)等。這些模塊協(xié)同工作，確保了音頻信號(hào)的準(zhǔn)確處理和輸出。例如，直流檢測(cè)電路能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)中的直流成分，通過FAULT引腳報(bào)告故障并使放大器進(jìn)入高阻狀態(tài)，從而保護(hù)揚(yáng)聲器。

3.2 特性功能詳述

• 固定模擬增益：固定為26 dB的模擬增益，減少了外部電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，也保證了音頻信號(hào)的放大一致性。
• SD操作：通過SD輸入引腳可以控制放大器的開關(guān)狀態(tài)。在正常工作時(shí)，SD引腳應(yīng)保持高電平；拉低SD引腳則會(huì)使輸出靜音，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，建議在移除電源電壓之前將放大器置于關(guān)機(jī)模式。
• PLIMIT功能：PLIMIT功能可以限制輸出電壓水平，通過設(shè)置PLIMIT引腳電壓來設(shè)定限幅閾值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的有效控制。這一功能在需要對(duì)功率進(jìn)行精確控制的應(yīng)用中非常實(shí)用。
• 擴(kuò)頻和反相控制：內(nèi)置的擴(kuò)頻控制和PWM輸出反相功能，有效提高了EMI性能。擴(kuò)頻方案固定且始終開啟，反相功能則使兩個(gè)音頻通道的空閑輸出PWM波形反相，而不影響音頻信號(hào)及其極性。
• GVDD電源：GVDD電源用于為輸出全橋晶體管的柵極供電，在該引腳處添加1 - μF的電容器接地，有助于穩(wěn)定電源供應(yīng)。
• PBTL選擇：通過將PBTL引腳拉高，可實(shí)現(xiàn)并行BTL（PBTL）操作，將每個(gè)通道的正、負(fù)輸出同步同相，適用于需要更高功率輸出的單聲道應(yīng)用。

3.3 工作模式說明

該設(shè)備采用BD調(diào)制方案，在驅(qū)動(dòng)具有短揚(yáng)聲器線的感性負(fù)載時(shí)，無需傳統(tǒng)的LC重建濾波器。在無輸入信號(hào)時(shí)，OUTPx和OUTNx同相，揚(yáng)聲器中電流很??；正輸出電壓時(shí)，OUTPx占空比大于50%，OUTNx小于50%；負(fù)輸出電壓時(shí)則相反。這種工作模式能夠減少負(fù)載中的開關(guān)電流和(I^{2}R)損耗。

四、設(shè)計(jì)與應(yīng)用注意事項(xiàng)

4.1 電源與電容選擇

• PCB材料：推薦使用FR - 4玻璃環(huán)氧樹脂材料（1 oz.，35 μm），它能提供更高的功率輸出、更好的熱性能和更低的EMI干擾。同時(shí)，在設(shè)備散熱焊盤下方設(shè)置多個(gè)GND連接到底層銅質(zhì)接地平面，可進(jìn)一步提升熱性能。
• PVCC電容：與每個(gè)全橋配合使用的PVCC電容，應(yīng)根據(jù)電源電壓和功率需求選擇合適的電壓余量和電容值。對(duì)于12 - V電源，100 μF、16 V的電容通常能滿足大多數(shù)應(yīng)用；對(duì)于高于12 V的電源，建議使用25 - V的電容。此外，這些電容應(yīng)選用低ESR類型，以適應(yīng)高速開關(guān)電路的要求。
• 去耦電容：為了保證放大器的性能，應(yīng)使用高質(zhì)量的去耦電容，如X7R類型。在選擇電容電壓時(shí)，需考慮溫度、紋波電流和電壓過沖等因素。對(duì)于12 - V電源，電容的最小電壓額定值應(yīng)為16 V。

4.2 輸入與輸出設(shè)計(jì)

• 鐵氧體磁珠濾波器：利用TPA3136D2和TPA3136AD2的先進(jìn)發(fā)射抑制技術(shù)，結(jié)合低成本的鐵氧體磁珠濾波器，可有效減少對(duì)周圍電路的干擾。在選擇鐵氧體磁珠時(shí)，要注意其材料在10至100 MHz范圍內(nèi)的有效性，并確保其能在放大器的峰值電流下保持足夠的阻抗。同時(shí)，配合使用高質(zhì)量的陶瓷電容，可進(jìn)一步優(yōu)化濾波器性能。
• 輸出濾波器使用場(chǎng)景：對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，TPA3136D2搭配簡(jiǎn)單的鐵氧體磁珠濾波器就能滿足需求。但在一些對(duì)噪聲敏感的電路中，可能需要添加完整的LC重建濾波器。此外，對(duì)于一些電源去耦不足且受線傳導(dǎo)干擾（LCI）法規(guī)限制的系統(tǒng)，LC重建濾波器是降低成本通過LCI測(cè)試的有效手段。
• 輸入電阻與電容：放大器的典型輸入電阻固定為30 kΩ±20%。輸入電容（(C{i})）與放大器輸入阻抗（(Z{i})）構(gòu)成高通濾波器，其值會(huì)直接影響電路的低頻性能。建議選擇低泄漏的鉭或陶瓷電容，并注意電容極性和電路板清潔，以避免直流偏置電壓的產(chǎn)生。
• BSN和BSP電容：全H橋輸出級(jí)使用NMOS晶體管，需要在每個(gè)輸出與其對(duì)應(yīng)的自舉輸入之間連接0.22 - μF、額定電壓至少為25 V的陶瓷電容，以確保高端N溝道功率MOSFET的正確導(dǎo)通。

4.3 布局與布線要點(diǎn)

• 去耦電容布局：高頻去耦電容應(yīng)盡量靠近PVCC和AVCC引腳放置，大容量的電源去耦電容應(yīng)靠近設(shè)備的PVCC電源，局部高頻旁路電容也應(yīng)靠近PVCC引腳，并直接連接到散熱焊盤以獲得良好的接地效果。
• 電流環(huán)路設(shè)計(jì)：保持每個(gè)輸出通過鐵氧體磁珠、小濾波電容并返回GND的電流環(huán)路盡可能小而緊湊，以減少其作為天線的輻射效應(yīng)。
• 接地處理：AVCC去耦電容和PVCC去耦電容應(yīng)連接到GND，模擬地和電源地應(yīng)在散熱焊盤處連接，將散熱焊盤作為設(shè)備的中心接地或星型接地。
• 輸出濾波器位置：鐵氧體EMI濾波器應(yīng)盡可能靠近輸出引腳，濾波器中的電容應(yīng)接地。
• 散熱焊盤處理：散熱焊盤必須焊接到PCB上，以確保良好的熱性能和可靠性。散熱焊盤和熱焊盤的尺寸應(yīng)為6.46 mm×2.35 mm，在熱焊盤下方均勻分布六排實(shí)心過孔（每排三個(gè)，直徑0.3302 mm或13 mils），過孔應(yīng)連接到PCB的實(shí)心銅平面。

五、總結(jié)

TPA3136D2和TPA3136AD2作為高效的無電感立體聲D類音頻放大器，憑借其出色的功率輸出、高效率、低EMI和多重保護(hù)功能，在眾多音頻應(yīng)用中具有廣闊的前景。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，我們需要充分考慮電源、電容、輸入輸出以及布局布線等方面的因素，以確保設(shè)備能夠發(fā)揮出最佳性能。各位電子工程師在實(shí)際項(xiàng)目中，不妨根據(jù)具體需求，對(duì)這兩款放大器進(jìn)行深入評(píng)估和實(shí)踐，相信它們會(huì)為你的音頻設(shè)計(jì)帶來意想不到的效果。你在使用類似音頻放大器時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。