TPA3100D2-Q1：高效立體聲D類音頻功率放大器的深度剖析

在音頻功率放大器的領(lǐng)域中，D類放大器憑借其高效節(jié)能的特點(diǎn)逐漸成為主流選擇。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的TPA3100D2-Q1，一款專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的20W立體聲D類音頻功率放大器。

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產(chǎn)品概述

TPA3100D2-Q1具備諸多出色特性，使其在音頻市場(chǎng)中脫穎而出。它能夠在不同電源電壓和負(fù)載條件下提供穩(wěn)定的功率輸出，例如在18V電源下，每通道可向8Ω負(fù)載輸出20W功率；在12V電源下，每通道可向8Ω負(fù)載輸出10W功率，向4Ω負(fù)載輸出15W功率。其工作電壓范圍為10V至26V，采用92%高效的D類操作模式，無需額外的散熱片，有效節(jié)省了空間和成本。此外，該放大器還提供四種可選的固定增益設(shè)置，支持差分輸入，并具備熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，同時(shí)帶有自動(dòng)恢復(fù)特性，還提供時(shí)鐘輸出用于多臺(tái)D類設(shè)備的同步。

關(guān)鍵特性分析

高效節(jié)能

TPA3100D2-Q1的92%高效D類操作模式是其一大亮點(diǎn)。傳統(tǒng)的音頻放大器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要配備散熱片來散熱，這不僅增加了成本和體積，還降低了系統(tǒng)的可靠性。而TPA3100D2-Q1通過高效的D類操作，大大減少了功率損耗，無需散熱片即可正常工作，為設(shè)計(jì)人員提供了更簡(jiǎn)潔、更高效的解決方案。

增益設(shè)置靈活

該放大器的增益通過GAIN0和GAIN1兩個(gè)輸入端子進(jìn)行設(shè)置，提供20dB、26dB、32dB和36dB四種可選增益。這種靈活的增益設(shè)置可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，例如在不同音量要求的情況下，能夠根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整放大器的增益，以達(dá)到最佳的音頻效果。

保護(hù)功能完善

TPA3100D2-Q1具備完善的保護(hù)功能，包括熱保護(hù)和短路保護(hù)。當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過150°C時(shí)，熱保護(hù)功能會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，將設(shè)備置于關(guān)機(jī)狀態(tài)，以防止設(shè)備損壞。當(dāng)檢測(cè)到輸出端出現(xiàn)短路時(shí)，短路保護(hù)電路會(huì)立即禁用輸出驅(qū)動(dòng)，避免設(shè)備受到損壞。同時(shí)，這些保護(hù)功能還具備自動(dòng)恢復(fù)特性，當(dāng)故障排除后，設(shè)備能夠自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

調(diào)制方案對(duì)比

傳統(tǒng)D類調(diào)制方案

傳統(tǒng)的D類調(diào)制方案中，輸出信號(hào)為差分信號(hào)，每個(gè)輸出與另一個(gè)輸出相位相差180°，且從地電壓變化到電源電壓(V_{CC})。在這種方案下，即使負(fù)載兩端的平均電壓為0V（占空比為50%），負(fù)載電流仍然很高，導(dǎo)致功率損耗較大，電源電流也相應(yīng)增加。

TPA3100D2調(diào)制方案

TPA3100D2采用的調(diào)制方案中，每個(gè)輸出仍然從0V切換到電源電壓，但OUTP和OUTN在無輸入時(shí)同相。對(duì)于正輸出電壓，OUTP的占空比大于50%，OUTN的占空比小于50%；對(duì)于負(fù)輸出電壓，情況則相反。在大部分開關(guān)周期內(nèi)，負(fù)載兩端的電壓保持為0V，大大降低了開關(guān)電流，從而減少了負(fù)載中的(I^{2}R)損耗。

輸出濾波器的選擇

傳統(tǒng)D類放大器與TPA3100D2的差異

傳統(tǒng)的D類放大器由于其開關(guān)波形會(huì)導(dǎo)致最大電流流動(dòng)，需要輸出濾波器來減少負(fù)載中的損耗，提高效率。而TPA3100D2的調(diào)制方案在無濾波器的情況下，負(fù)載中的損耗較小，因?yàn)槊}沖較短，電壓變化為(V{CC})而不是(2 × V{CC})。隨著輸出功率的增加，脈沖變寬，紋波電流增大，此時(shí)可以使用LC濾波器來提高效率，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，濾波器并不是必需的。

濾波器的使用場(chǎng)景

• 當(dāng)放大器到揚(yáng)聲器的走線較短（<10cm）時(shí)，可以不使用濾波器。例如，在有源揚(yáng)聲器中，揚(yáng)聲器與放大器位于同一外殼內(nèi)，這種情況下可以不使用濾波器。
• 大多數(shù)應(yīng)用需要使用鐵氧體磁珠濾波器，以減少1MHz及以上的電磁干擾（EMI）。在選擇鐵氧體磁珠時(shí)，應(yīng)選擇在高頻下具有高阻抗、在低頻下具有低阻抗的類型。
• 當(dāng)存在低頻（<1MHz）的EMI敏感電路，或者放大器到揚(yáng)聲器的導(dǎo)線較長時(shí)，應(yīng)使用LC輸出濾波器。當(dāng)同時(shí)使用LC濾波器和鐵氧體磁珠濾波器時(shí)，LC濾波器應(yīng)盡可能靠近IC放置，然后再放置鐵氧體磁珠濾波器。

外圍電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輸入電阻與電容

TPA31Q00D2的輸入電阻會(huì)隨著增益設(shè)置的變化而變化，范圍從16kΩ±20%到32kΩ±20%。因此，在使用單個(gè)電容器作為輸入高通濾波器時(shí)，-3dB或截止頻率可能會(huì)隨著增益步驟的變化而改變。輸入電容器(C_{1})的選擇非常重要，它直接影響電路的低音性能。在選擇電容器時(shí)，應(yīng)考慮其泄漏路徑，以避免在放大器輸入處產(chǎn)生直流偏置電壓，降低有用的動(dòng)態(tài)范圍。建議使用低泄漏的鉭或陶瓷電容器，并確保電容器的極性正確。

電源去耦

TPA3100D2作為高性能CMOS音頻放大器，需要適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ顏泶_保輸出總諧波失真（THD）盡可能低，并防止放大器與揚(yáng)聲器之間的長引線長度引起振蕩。最佳的去耦方法是使用兩種不同類型的電容器，分別針對(duì)電源引線上的不同類型噪聲。對(duì)于高頻瞬變、尖峰或數(shù)字雜散，應(yīng)使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容器，通常為0.1μF至1μF，并盡可能靠近設(shè)備的(V_{CC})引腳放置。對(duì)于過濾低頻噪聲信號(hào)，建議在音頻功率放大器附近放置一個(gè)220μF或更大的鋁電解電容器，該電容器還可以作為本地存儲(chǔ)電容器，在放大器輸出出現(xiàn)大信號(hào)瞬變時(shí)提供電流。

其他外圍元件

• IC輸出緩沖器：從TPA3100D2 IC輸出到地的1nF電容器與20Ω電阻器串聯(lián)的元件是開關(guān)緩沖器，它們可以線性化開關(guān)過渡，減少過沖和振鈴，提高THD+N，并改善電磁兼容性（EMC），但會(huì)增加靜態(tài)電流。
• BSN和BSP電容器：全H橋輸出級(jí)僅使用NMOS晶體管，因此需要自舉電容器來正確開啟每個(gè)輸出的高端。必須從每個(gè)輸出連接一個(gè)220nF的陶瓷電容器到其相應(yīng)的自舉輸入。
• VCLAMP電容器：為確保NMOS輸出晶體管的最大柵源電壓不超過規(guī)定值，兩個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器會(huì)鉗位柵極電壓。必須從VCLAMPL（引腳30）和VCLAMPR（引腳31）連接兩個(gè)1μF的電容器到地，并確保其額定電壓至少為16V。
• 內(nèi)部穩(wěn)壓4V電源（VREG）：VREG端子（引腳15）是內(nèi)部產(chǎn)生的4V電源的輸出，用于振蕩器、前置放大器和增益控制電路。需要在該引腳附近放置一個(gè)10nF的電容器來保持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定。該穩(wěn)壓電壓可用于控制GAIN0、GAIN1、MSTR/SLV和MUTE端子，但不應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)外部電路。

PCB布局建議

由于TPA3100D2是一款高頻開關(guān)的D類放大器，PCB布局的優(yōu)化對(duì)于獲得最佳性能至關(guān)重要。以下是一些布局建議：

• 去耦電容器：高頻1μF去耦電容器應(yīng)盡可能靠近PVCC（引腳26、27、34和35）和AVCC（引腳48）端子放置。VBYP（引腳16）電容器、VREG（引腳15）電容器和VCLAMP（引腳30和31）電容器也應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。大（220μF或更大）的大容量電源去耦電容器應(yīng)放置在TPA3100D2附近的PVCCL、PVCCR和AVCC端子上。
• 接地：AVCC（引腳48）去耦電容器、VREG（引腳15）電容器、VBYP（引腳16）電容器和ROSC（引腳14）電阻器應(yīng)分別接地到模擬地（AGND，引腳17）。PVCC去耦電容器和VCLAMP電容器應(yīng)分別接地到電源地（PGND，引腳28、29、32和33）。模擬地和電源地應(yīng)在散熱墊處連接，散熱墊應(yīng)作為TPA3100D2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，以獲得最佳的EMI性能。LC濾波器應(yīng)靠近輸出放置。鐵氧體和LC濾波器中使用的電容器應(yīng)接地到電源地。如果同時(shí)使用兩個(gè)濾波器，LC濾波器應(yīng)首先放置在輸出之后。
• 散熱墊：散熱墊必須焊接到PCB上，以確保適當(dāng)?shù)臒嵝阅芎妥罴训目煽啃?。散熱墊和熱焊盤的尺寸應(yīng)為5.1mm×5.1mm。應(yīng)在熱焊盤下方均勻分布五排實(shí)心過孔（每排五個(gè)過孔，直徑為0.3302mm或13密耳）。過孔應(yīng)連接到PCB的內(nèi)部層或底層的實(shí)心銅平面。過孔必須是實(shí)心過孔，而不是熱 relief或網(wǎng)狀過孔。

測(cè)量系統(tǒng)與方法

在對(duì)TPA3100D2進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要使用特定的設(shè)備和方法。常用的設(shè)備包括音頻分析儀或頻譜分析儀、數(shù)字萬用表（DMM）、示波器、雙絞線、信號(hào)發(fā)生器、功率電阻器、線性穩(wěn)壓電源和濾波器組件。輸入信號(hào)通常使用正弦波，因?yàn)樗话l，沒有其他諧波。在測(cè)量過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 發(fā)生器輸出和放大器輸入必須交流耦合，但評(píng)估模塊（EVM）已經(jīng)有交流耦合電容器，因此無需額外的耦合。
• 發(fā)生器輸出阻抗應(yīng)較低，以避免衰減測(cè)試信號(hào)，因?yàn)橐纛l功率放大器（APA）的輸入電阻不高。相反，分析儀輸入阻抗應(yīng)較高。
• 對(duì)于D類放大器，由于其輸出信號(hào)為脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，一些分析儀可能無法準(zhǔn)確處理，因此在大多數(shù)情況下需要使用低通濾波器來測(cè)量音頻輸出波形。TPA3100D2雖然在操作時(shí)不需要輸出濾波器，但在進(jìn)行測(cè)量時(shí)有時(shí)需要使用RC低通濾波器，以去除調(diào)制波形，使分析儀能夠測(cè)量輸出正弦波。

總結(jié)

TPA3100D2-Q1是一款性能出色的立體聲D類音頻功率放大器，具有高效節(jié)能、增益設(shè)置靈活、保護(hù)功能完善等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)其特點(diǎn)和要求，合理選擇外圍元件，優(yōu)化PCB布局，并采用正確的測(cè)量方法，以確保設(shè)備能夠發(fā)揮最佳性能。希望本文能夠?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/125/" target="_blank">電子工程師在使用TPA3100D2-Q1進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有用的參考。你在使用這款放大器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。