TPA2037D1：高效單聲道D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)中，選擇一款合適的功率放大器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的TPA2037D1 3.2W單聲道D類(lèi)音頻功率放大器，看看它在硬件設(shè)計(jì)中能為我們帶來(lái)哪些優(yōu)勢(shì)和便利。

文件下載：tpa2037d1.pdf

一、產(chǎn)品概述

TPA2037D1是一款具有6dB固定增益的高效無(wú)濾波器D類(lèi)音頻功率放大器，采用1.21mm x 1.16mm晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WCSP）。它僅需一個(gè)外部組件，就能實(shí)現(xiàn)出色的音頻性能，非常適合用于無(wú)線或蜂窩手持設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、便攜式導(dǎo)航設(shè)備以及一般便攜式音頻設(shè)備等。

二、產(chǎn)品特性

強(qiáng)大的功率輸出

TPA2037D1能夠提供多種功率輸出，以滿(mǎn)足不同負(fù)載和失真要求。例如，在4Ω負(fù)載、5V電源電壓、10%總諧波失真加噪聲（THDN）的條件下，可輸出3.24W功率；在8Ω負(fù)載、5V電源電壓、1% THDN時(shí)，能輸出1.46W功率。

高集成度與低噪聲

它集成了鏡像抑制濾波器，可有效降低DAC噪聲。同時(shí)，具有低輸出噪聲（20mV）和低靜態(tài)電流（1.5mA）的特點(diǎn)，差分輸入阻抗為300kΩ，有助于提高音頻信號(hào)的質(zhì)量。

多重保護(hù)功能

具備自動(dòng)恢復(fù)短路保護(hù)和熱過(guò)載保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生短路事件時(shí)，放大器會(huì)進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，并啟動(dòng)自動(dòng)恢復(fù)過(guò)程，每100ms檢查一次短路情況，一旦短路消除，便立即恢復(fù)正常工作，保護(hù)設(shè)備免受大電流損壞，提高長(zhǎng)期可靠性。

無(wú)濾波器設(shè)計(jì)與小封裝

采用無(wú)濾波器設(shè)計(jì)，減少了外部元件的使用，節(jié)省了電路板空間。9球1.21mm × 1.16mm、0.4mm間距的WCSP封裝，非常適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。

三、電氣與工作特性

電氣特性

在TA = 25°C的條件下，TPA2037D1的各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)出色。例如，開(kāi)關(guān)頻率在250 - 350kHz之間，增益為5.5 - 6.5dB，高電平EN輸入電流最大為50μA等。

工作特性

在不同的電源電壓、負(fù)載電阻和失真條件下，輸出功率有所不同。以8Ω負(fù)載為例，在VDD = 5V、THD + N = 10%、f = 1kHz時(shí)，輸出功率可達(dá)1.80W；在VDD = 3.6V、THD + N = 1%、f = 1kHz時(shí)，輸出功率為0.74W。此外，噪聲輸出電壓、總諧波失真加噪聲、電源抑制比等參數(shù)也都能滿(mǎn)足大多數(shù)音頻應(yīng)用的需求。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

短路自動(dòng)恢復(fù)

當(dāng)出現(xiàn)短路情況時(shí)，TPA2037D1會(huì)自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)模式，并在短路消除后自動(dòng)恢復(fù)。這一特性對(duì)于保護(hù)設(shè)備和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要。

鏡像抑制濾波器

在使用DAC驅(qū)動(dòng)D類(lèi)放大器的應(yīng)用中，TPA2037D1的集成鏡像抑制濾波器可有效衰減DAC圖像頻率處的帶外噪聲能量，根據(jù)系統(tǒng)噪聲要求，可能無(wú)需外部濾波，節(jié)省電路板空間和成本。

組件選擇

• 去耦電容：為保證放大器的高效率和低總諧波失真，需要使用合適的去耦電容。對(duì)于高頻瞬變、尖峰或數(shù)字噪聲，應(yīng)在靠近VDD引腳處放置一個(gè)0.1μF的低等效串聯(lián)電阻（ESR）陶瓷電容CS1；對(duì)于低頻噪聲信號(hào)，可在音頻功率放大器附近放置一個(gè)10mF或更大的電容CS2，但由于該器件具有較高的電源抑制比（PSRR），在大多數(shù)應(yīng)用中CS2并非必需。
• 輸入電容：如果設(shè)計(jì)使用的是差分源，且偏置在共模輸入電壓范圍內(nèi)，則無(wú)需輸入耦合電容；否則，如使用單端源或需要將輸入用作高通濾波器時(shí)，則需要輸入耦合電容。為獲得最佳的“噗噗”聲性能，IN+和IN - 應(yīng)使用相同值的電容。輸入耦合電容C1和輸入電阻R1（通常為150kΩ）形成的濾波器的3dB高通截止頻率可通過(guò)公式計(jì)算。

效率與熱管理

TPA2037D1的最大環(huán)境工作溫度取決于負(fù)載電阻、電源電壓和PCB系統(tǒng)的散熱能力。YFF封裝的降額因子可在散熱額定表中查看。通過(guò)計(jì)算θJA，可以估算出最大環(huán)境溫度。此外，該放大器具有熱保護(hù)功能，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以防止IC損壞。需要注意的是，使用低于4Ω的揚(yáng)聲器可能會(huì)導(dǎo)致熱性能顯著下降。

輸出濾波器的使用

如果放大器到揚(yáng)聲器的走線較短，TPA2037D1可以不使用電感/電容（LC）輸出濾波器，如無(wú)線手持設(shè)備和PDA等應(yīng)用。對(duì)于短揚(yáng)聲器連接（約100mm或更短），通常不需要LC輸出濾波器。如果在無(wú)LC濾波器的情況下輻射發(fā)射測(cè)試不通過(guò)，且對(duì)頻率敏感的電路大于1MHz，可以使用鐵氧體磁珠。選擇鐵氧體磁珠時(shí)，應(yīng)選擇在高頻時(shí)具有高阻抗、低頻時(shí)具有低阻抗的產(chǎn)品，并考慮通過(guò)磁珠的電流。

PCB布局

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，建議使用非阻焊定義（NSMD）焊盤(pán)，以提高焊接可靠性。電路走線寬度應(yīng)在75 - 100mm之間，PWB層壓板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)高于預(yù)期應(yīng)用的工作范圍。推薦使用Type 3或Type 4的焊膏，對(duì)于使用Ni/Au表面處理的PWB，金的厚度應(yīng)小于0.5mm，以避免熱疲勞性能下降。阻焊層厚度應(yīng)小于20mm，使用激光切割并電拋光的鋼網(wǎng)可獲得最佳的焊膏印刷效果。此外，從WCSP器件引出的走線應(yīng)在X和Y方向上保持平衡，以避免因焊料潤(rùn)濕力導(dǎo)致元件意外移動(dòng)。

五、總結(jié)

TPA2037D1以其強(qiáng)大的功率輸出、高集成度、多重保護(hù)功能和出色的電氣性能，成為電子工程師在音頻設(shè)備設(shè)計(jì)中的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇組件、優(yōu)化PCB布局，并注意熱管理和輸出濾波器的使用，以充分發(fā)揮該放大器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻設(shè)計(jì)。

你在使用TPA2037D1進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過(guò)哪些問(wèn)題或有哪些獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。