TPA3116D2、TPA3118D2、TPA3130D2：高效音頻放大器的設(shè)計與應(yīng)用

在音頻放大器的領(lǐng)域中，TI的TPA31xxD2系列一直是備受關(guān)注的產(chǎn)品。今天就和大家深入探討一下TPA3116D2、TPA3118D2、TPA3130D2這三款放大器的特點(diǎn)、設(shè)計要點(diǎn)以及應(yīng)用場景。

文件下載：tpa3118d2.pdf

產(chǎn)品概述

TPA31xxD2系列是高效的數(shù)字放大器功率級，可用于驅(qū)動高達(dá)100W / 2Ω的單聲道揚(yáng)聲器。該系列包含三款產(chǎn)品：

• TPA3116D2：在21V電壓下，可實(shí)現(xiàn)2 × 50W的輸出功率，適用于對功率要求較高的場景。
• TPA3118D2：在24V電壓下，能提供2 × 30W的輸出功率，性能較為均衡。
• TPA3130D2：在15V電壓下，輸出功率為2 × 15W，對于一些小型設(shè)備來說是不錯的選擇。

這三款產(chǎn)品的一大亮點(diǎn)是具有相同的引腳布局，這使得我們可以在同一PCB上根據(jù)不同的功率需求靈活選擇不同的器件。

產(chǎn)品特性

輸出配置與電壓范圍

• 支持多種輸出配置，能滿足不同的應(yīng)用需求。
• 寬電壓范圍為4.5V至26V，增加了產(chǎn)品的適用性。

高效的D類操作

• 功率效率超過90%，同時具有低靜態(tài)損耗，大大減小了散熱片的尺寸。
• 采用先進(jìn)的調(diào)制方案，具備多種開關(guān)頻率，可避免AM干擾，還支持主從同步，最高開關(guān)頻率可達(dá)1.2MHz。

反饋功率級架構(gòu)

具有高PSRR（電源抑制比），降低了對電源的要求。

可編程功率限制

通過在PLIMIT引腳連接電阻分壓器，可以設(shè)置輸出功率的限制。

輸入與模式選擇

支持差分和單端輸入，具備立體聲和單聲道模式，還有單濾波器單聲道配置。

保護(hù)電路

集成了過壓、欠壓、過溫、直流檢測和短路保護(hù)等自保護(hù)電路，并能進(jìn)行錯誤報告。

熱增強(qiáng)封裝

提供DAD（32引腳HTSSOP焊盤向上）和DAP（32引腳HTSSOP焊盤向下）兩種封裝形式。

工作溫度范圍

環(huán)境溫度范圍為 -40°C至85°C，能適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境。

設(shè)計要點(diǎn)

增益設(shè)置與主從模式

增益通過連接到GAIN/SLV控制引腳的分壓器來設(shè)置，同時該引腳還能控制主從模式。內(nèi)部ADC用于檢測8種輸入狀態(tài)，前四個階段設(shè)置主模式下的增益，后四個階段設(shè)置從模式下的增益。需要注意的是，增益設(shè)置在通電時鎖定，通電期間無法更改。

輸入阻抗與耦合電容

輸入級是全差分輸入級，輸入阻抗會隨著增益設(shè)置而變化，范圍從36dB增益時的9kΩ到20dB增益時的60kΩ。為了最小化輸出直流偏移并確保輸出電壓在電源開啟和關(guān)閉期間正確斜坡上升，輸入需要進(jìn)行交流耦合。輸入交流耦合電容與輸入阻抗形成一個高通濾波器，根據(jù)所需的低頻響應(yīng)，可以選擇合適的電容值。

啟動與關(guān)機(jī)操作

在正常使用時，SDZ輸入端子應(yīng)保持高電平；將SDZ拉低會使輸出靜音，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，建議在移除電源之前將放大器置于關(guān)機(jī)模式。

PLIMIT操作

通過在PLIMIT引腳連接電阻分壓器，可以設(shè)置輸出電壓的限制，從而限制輸出功率。該電路通過將占空比限制在固定的最大值來實(shí)現(xiàn)功率限制，這個限制可以看作是一個“虛擬”電壓軌，低于連接到PVCC的電源電壓。

GVDD電源

GVDD電源用于為輸出全橋晶體管的柵極供電，也可用于為PLIMIT和GAIN/SLV分壓器供電。需要使用X5R陶瓷1μF電容將GVDD與GND去耦，并且不建議將其用于外部供電。

BSPx和BSNx電容

全H橋輸出級僅使用NMOS晶體管，因此每個輸出的高端需要自舉電容才能正確導(dǎo)通。必須將一個220nF、質(zhì)量為X5R或更好、額定電壓至少為16V的陶瓷電容從每個輸出連接到其對應(yīng)的自舉輸入。

差分輸入

差分輸入級可以消除出現(xiàn)在通道兩條輸入線上的任何噪聲。使用差分源時，將音頻源的正負(fù)極分別連接到相應(yīng)的輸入引腳；使用單端源時，將負(fù)輸入通過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。為了獲得良好的瞬態(tài)性能，兩個差分輸入所看到的阻抗應(yīng)該相同。

保護(hù)系統(tǒng)

該系列產(chǎn)品具有完善的保護(hù)系統(tǒng)，包括過流、過溫、直流檢測、欠壓和過壓保護(hù)等。當(dāng)檢測到故障時，F(xiàn)AULTZ引腳會發(fā)出低電平信號，輸出將變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。對于一些保護(hù)功能，如直流檢測保護(hù)和短路保護(hù)，可以通過將FAULTZ引腳直接連接到SDZ引腳來實(shí)現(xiàn)自動恢復(fù)。

應(yīng)用場景

• 小型微型組件、條形音箱和基座：TPA3130D2功率較小，適用于這些對空間和功率要求較低的設(shè)備。
• 汽車售后市場：TPA3116D2和TPA3118D2的高功率輸出和良好的性能，可滿足汽車音響系統(tǒng)的需求。
• CRT電視：為電視提供高質(zhì)量的音頻輸出。
• 消費(fèi)音頻應(yīng)用：如家庭影院、便攜式音響等，能帶來出色的聽覺體驗(yàn)。

布局建議

由于D類開關(guān)邊緣速度快，在規(guī)劃印刷電路板布局時需要格外小心。以下是一些布局建議：

• 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TPA3116D2附近放置大的（100μF或更大）電源去耦電容，同時在PVCC引腳附近放置局部高頻旁路電容。
• 電流環(huán)路：應(yīng)盡量減小每個輸出通過鐵氧體磁珠和小濾波電容回到GND的電流環(huán)路，以減少電磁干擾。
• 接地：PVCC去耦電容應(yīng)連接到GND，所有接地應(yīng)在IC的GND處連接，將其作為TPA3116D2的中央接地連接或星形接地。
• 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，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)

TPA3116D2、TPA3118D2、TPA3130D2系列產(chǎn)品憑借其高效的性能、豐富的功能和完善的保護(hù)機(jī)制，在音頻放大器領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件和設(shè)置參數(shù)，同時注意布局和布線，以確保產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。