TPA313xD2 4 - W, 25 - W 無(wú)濾波器 D 類(lèi)立體聲放大器設(shè)計(jì)解析

在電子設(shè)備的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，放大器的選擇至關(guān)重要。德州儀器（TI）的 TPA3131D2 和 TPA3132D2 這兩款無(wú)濾波器 D 類(lèi)立體聲放大器，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多音頻應(yīng)用場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入探討一下這兩款放大器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

多輸出配置與寬電壓范圍

TPA3131D2 能在 7.4V 下為 8Ω BTL 負(fù)載提供 2×4W 的功率，而 TPA3132D2 則可在 19V 下為 8Ω BTL 負(fù)載提供 2×25W 的功率。同時(shí)，它們支持 4.5V 至 26V 的寬電壓范圍，這使得它們?cè)诓煌?a target="_blank">電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

高效 D 類(lèi)操作

D 類(lèi)放大器以其高效率而聞名，TPA313xD2 也不例外。其功率效率超過(guò) 90%，并且具有低靜態(tài)損耗，這意味著在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量較少，甚至可以無(wú)需散熱片。這種特性不僅降低了系統(tǒng)成本，還減小了設(shè)備的體積。

AM 干擾避免與多開(kāi)關(guān)頻率

通過(guò)先進(jìn)的振蕩器/PLL 電路，TPA313xD2 提供了多種開(kāi)關(guān)頻率選項(xiàng)，可有效避免 AM 干擾。同時(shí)，它還支持主從同步功能，能夠同步多個(gè)設(shè)備，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

完善的保護(hù)電路

該放大器集成了過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、直流檢測(cè)和短路保護(hù)等多種自保護(hù)電路，并能進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)告。這使得設(shè)備在面對(duì)各種異常情況時(shí)能夠及時(shí)做出反應(yīng)，保護(hù)自身和揚(yáng)聲器不受損壞。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)

增益設(shè)置與主從模式

TPA3131D2 的增益通過(guò)連接到 GAIN/SLV 控制引腳的分壓器來(lái)設(shè)置，同時(shí)該引腳還控制主從模式。內(nèi)部 ADC 用于檢測(cè) 8 種輸入狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)主從模式下的不同增益設(shè)置。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的電阻值來(lái)設(shè)置增益。例如，在主模式下，當(dāng) R1 = 5.6kΩ，R2 開(kāi)路時(shí)，增益為 20dB；而在從模式下，當(dāng) R1 = 51kΩ，R2 = 51kΩ 時(shí)，增益同樣為 20dB。

輸入阻抗與交流耦合

TPA313xD2 的輸入級(jí)是全差分輸入級(jí)，輸入阻抗會(huì)隨著增益設(shè)置的變化而變化，范圍從 36dB 增益時(shí)的 9kΩ 到 20dB 增益時(shí)的 60kΩ。為了最小化輸出直流偏移并確保輸出電壓在電源開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)正確斜坡上升，輸入需要進(jìn)行交流耦合。我們可以根據(jù)不同的增益設(shè)置選擇合適的輸入交流耦合電容，以形成合適的高通濾波器。例如，在 20dB 增益時(shí)，推薦使用 1.5μF 的電容，此時(shí)高通濾波器的截止頻率為 1.8Hz。

啟動(dòng)/關(guān)機(jī)操作

為了節(jié)省電源，TPA313xD2 設(shè)計(jì)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；當(dāng)將 SDZ 拉低時(shí)，輸出將靜音，放大器進(jìn)入低電流狀態(tài)。需要注意的是，不建議讓 SDZ 懸空，否則放大器的工作狀態(tài)將不可預(yù)測(cè)。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。

PLIMIT 功能

TPA313xD2 內(nèi)置了電壓限制器，可將輸出電壓限制在電源軌以下，從而限制輸出功率。通過(guò)在 GVDD 到地之間添加電阻分壓器來(lái)設(shè)置 PLIMIT 引腳的電壓，還可以根據(jù)需要使用外部參考來(lái)提高精度。同時(shí)，在 PLIMIT 引腳和地之間添加 1μF 電容可以確保穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)負(fù)載電阻和輸入電壓來(lái)計(jì)算最大輸出功率，合理設(shè)置 PLIMIT 電壓，以避免過(guò)流保護(hù)導(dǎo)致的關(guān)機(jī)。

應(yīng)用與布局建議

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在典型的立體聲揚(yáng)聲器應(yīng)用中，我們需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的參數(shù)。例如，輸入電壓范圍為 4.5V 至 26V，PWM 輸出頻率可以選擇 400kHz、500kHz、600kHz、1MHz 或 1.2MHz，最大輸出功率根據(jù)不同型號(hào)有所不同，TPA3132D2 為 25W×2，TPA3131D2 為 4W×2。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要按照以下步驟進(jìn)行：

1. 選擇 PWM 頻率：通過(guò) AM0、AM1 和 AM2 引腳設(shè)置 PWM 頻率。
2. 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，選擇合適的模擬增益設(shè)置，并通過(guò)選擇 Gain/SLV 引腳的分壓器電阻（R1 和 R2）來(lái)設(shè)置增益和主從模式。
3. 選擇輸入電容：在 PVCC 輸入處選擇合適的大容量電容，以提供足夠的電壓裕度和電容值來(lái)支持功率需求。
4. 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，以確保良好的可靠性、音頻性能和滿(mǎn)足法規(guī)要求。
5. 選擇自舉電容：每個(gè)輸出都需要自舉電容來(lái)為高端輸出 FET 提供柵極驅(qū)動(dòng)，建議使用 0.22μF、25V 的 X5R 或更高質(zhì)量的電容。

布局注意事項(xiàng)

由于 D 類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)邊沿較快，在進(jìn)行 PCB 布局時(shí)需要特別注意。以下是一些布局建議：

1. 去耦電容：高頻去耦電容應(yīng)盡可能靠近 PVCC 和 AVCC 端子放置，大容量電源去耦電容應(yīng)靠近 TPA313xD2 放置在 PVCC 電源上。同時(shí)，在芯片兩端的 PVCC 連接上添加小的、高質(zhì)量的低 ESR 陶瓷電容（220pF 至 1nF）和較大的中頻電容（100nF 至 1μF）。
2. 電流環(huán)路：保持每個(gè)輸出通過(guò)鐵氧體磁珠和小濾波電容再回到地的電流環(huán)路盡可能小而緊湊，以減少天線(xiàn)效應(yīng)。
3. 接地：PVCC 去耦電容應(yīng)連接到地，所有接地應(yīng)在 IC 的 GND 處連接，將其作為 TPA313xD2 的中心接地或星形接地。
4. 輸出濾波器：鐵氧體 EMI 濾波器應(yīng)盡可能靠近輸出端子放置，以獲得最佳的 EMI 性能；LC 濾波器也應(yīng)靠近輸出放置，并且濾波器中的電容應(yīng)接地。

總結(jié)

TPA3131D2 和 TPA3132D2 是兩款性能出色的無(wú)濾波器 D 類(lèi)立體聲放大器，它們?cè)诙噍敵雠渲?、高效工作、抗干擾和保護(hù)功能等方面表現(xiàn)優(yōu)秀。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，合理設(shè)置增益、輸入阻抗、PLIMIT 等參數(shù)，并注意 PCB 布局的細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮這兩款放大器的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的音頻系統(tǒng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。