TPA313xD2 4 - W, 25 - W 無濾波器 D 類立體聲放大器設計解析

在電子設備的音頻系統設計中，放大器的選擇至關重要。德州儀器（TI）的 TPA3131D2 和 TPA3132D2 這兩款無濾波器 D 類立體聲放大器，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多音頻應用場景中得到了廣泛應用。今天，我們就來深入探討一下這兩款放大器的設計要點。

文件下載：tpa3132d2.pdf

產品特性與優勢

多輸出配置與寬電壓范圍

TPA3131D2 能在 7.4V 下為 8Ω BTL 負載提供 2×4W 的功率，而 TPA3132D2 則可在 19V 下為 8Ω BTL 負載提供 2×25W 的功率。同時，它們支持 4.5V 至 26V 的寬電壓范圍，這使得它們在不同電源環境下都能穩定工作，具有很強的適應性。

高效 D 類操作

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

AM 干擾避免與多開關頻率

通過先進的振蕩器/PLL 電路，TPA313xD2 提供了多種開關頻率選項，可有效避免 AM 干擾。同時，它還支持主從同步功能，能夠同步多個設備，進一步提升了系統的穩定性和抗干擾能力。

完善的保護電路

該放大器集成了過壓、欠壓、過溫、直流檢測和短路保護等多種自保護電路，并能進行錯誤報告。這使得設備在面對各種異常情況時能夠及時做出反應，保護自身和揚聲器不受損壞。

設計關鍵要點

增益設置與主從模式

TPA3131D2 的增益通過連接到 GAIN/SLV 控制引腳的分壓器來設置，同時該引腳還控制主從模式。內部 ADC 用于檢測 8 種輸入狀態，分別對應主從模式下的不同增益設置。在設計時，我們需要根據實際需求選擇合適的電阻值來設置增益。例如，在主模式下，當 R1 = 5.6kΩ，R2 開路時，增益為 20dB；而在從模式下，當 R1 = 51kΩ，R2 = 51kΩ 時，增益同樣為 20dB。

輸入阻抗與交流耦合

TPA313xD2 的輸入級是全差分輸入級，輸入阻抗會隨著增益設置的變化而變化，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閉時正確斜坡上升，輸入需要進行交流耦合。我們可以根據不同的增益設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，推薦使用 1.5μF 的電容，此時高通濾波器的截止頻率為 1.8Hz。

啟動/關機操作

為了節省電源，TPA313xD2 設計了關機模式。在正常工作時，SDZ 輸入端子應保持高電平；當將 SDZ 拉低時，輸出將靜音，放大器進入低電流狀態。需要注意的是，不建議讓 SDZ 懸空，否則放大器的工作狀態將不可預測。為了獲得最佳的關機效果，建議在移除電源之前將放大器置于關機模式。

PLIMIT 功能

TPA313xD2 內置了電壓限制器，可將輸出電壓限制在電源軌以下，從而限制輸出功率。通過在 GVDD 到地之間添加電阻分壓器來設置 PLIMIT 引腳的電壓，還可以根據需要使用外部參考來提高精度。同時，在 PLIMIT 引腳和地之間添加 1μF 電容可以確保穩定性。在實際應用中，我們可以根據負載電阻和輸入電壓來計算最大輸出功率，合理設置 PLIMIT 電壓，以避免過流保護導致的關機。

應用與布局建議

典型應用設計

在典型的立體聲揚聲器應用中，我們需要根據設計要求選擇合適的參數。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，最大輸出功率根據不同型號有所不同，TPA3132D2 為 25W×2，TPA3131D2 為 4W×2。在設計過程中，我們需要按照以下步驟進行：

1. 選擇 PWM 頻率：通過 AM0、AM1 和 AM2 引腳設置 PWM 頻率。
2. 選擇放大器增益和主從模式：根據最大功率目標和揚聲器阻抗，計算所需的輸出電壓擺幅，選擇合適的模擬增益設置，并通過選擇 Gain/SLV 引腳的分壓器電阻（R1 和 R2）來設置增益和主從模式。
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支持功率需求。
4. 選擇去耦電容：在每個 PVCC 輸入處添加高質量的去耦電容，以確保良好的可靠性、音頻性能和滿足法規要求。
5. 選擇自舉電容：每個輸出都需要自舉電容來為高端輸出 FET 提供柵極驅動，建議使用 0.22μF、25V 的 X5R 或更高質量的電容。

布局注意事項

由于 D 類放大器的開關邊沿較快，在進行 PCB 布局時需要特別注意。以下是一些布局建議：

1. 去耦電容：高頻去耦電容應盡可能靠近 PVCC 和 AVCC 端子放置，大容量電源去耦電容應靠近 TPA313xD2 放置在 PVCC 電源上。同時，在芯片兩端的 PVCC 連接上添加小的、高質量的低 ESR 陶瓷電容（220pF 至 1nF）和較大的中頻電容（100nF 至 1μF）。
2. 電流環路：保持每個輸出通過鐵氧體磁珠和小濾波電容再回到地的電流環路盡可能小而緊湊，以減少天線效應。
3. 接地：PVCC 去耦電容應連接到地，所有接地應在 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 濾波器也應靠近輸出放置，并且濾波器中的電容應接地。

總結

TPA3131D2 和 TPA3132D2 是兩款性能出色的無濾波器 D 類立體聲放大器，它們在多輸出配置、高效工作、抗干擾和保護功能等方面表現優秀。在設計過程中，我們需要根據實際應用需求，合理設置增益、輸入阻抗、PLIMIT 等參數，并注意 PCB 布局的細節，以充分發揮這兩款放大器的優勢，設計出高質量的音頻系統。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。