TPA31xxD2系列：高效無濾波D類立體聲放大器的全面解析

在音頻放大器的領域中，D類放大器以其高效節能的特點備受關注。德州儀器（TI）的TPA31xxD2系列，包括TPA3116D2、TPA3118D2和TPA3130D2，就是這類放大器中的佼佼者。今天，我們就來深入探討一下這個系列產品的特性、應用以及設計要點。

文件下載：tpa3116d2.pdf

產品特性

多輸出配置與寬電壓范圍

TPA31xxD2系列支持多種輸出配置，能滿足不同功率需求。TPA3116D2可在21V電壓下為4Ω BTL負載提供2×50W的功率；TPA3118D2能在24V電壓下為8Ω BTL負載提供2×30W的功率；TPA3130D2則可在15V電壓下為8Ω BTL負載提供2×15W的功率。其寬電壓范圍為4.5V至26V，這使得它在不同電源環境下都能穩定工作。

高效D類運行

該系列產品采用高效D類運行模式，功率效率超過90%，且空閑損耗低，能大大減小散熱片的尺寸。先進的調制方案和多開關頻率選項，不僅能避免AM干擾，還支持主從同步，最高開關頻率可達1.2MHz。

高PSRR與可編程功率限制

反饋功率級架構具有高PSRR（電源抑制比），可降低對電源的要求。同時，它還具備可編程功率限制功能，能通過連接電阻分壓器來設置功率限制，為設計提供了更多的靈活性。

多種輸入與模式選擇

支持差分和單端輸入，以及立體聲和單聲道模式，還提供單濾波器單聲道配置。單電源供電減少了組件數量，降低了設計成本。

集成保護電路與熱增強封裝

集成了過壓、欠壓、過溫、直流檢測和短路等自保護電路，并能進行錯誤報告。采用熱增強封裝，如DAD（32引腳HTSSOP焊盤向上）和DAP（32引腳HTSSOP焊盤向下），能有效提高散熱性能，保證產品在-40°C至85°C的環境溫度范圍內穩定工作。

應用領域

TPA31xxD2系列的應用非常廣泛，涵蓋了迷你微型組件、條形音箱、擴展塢、汽車售后市場、CRT電視以及各種消費音頻應用。其高效、靈活的特點使其成為這些領域的理想選擇。

產品描述

TPA31xxD2系列是高效的數字放大器功率級，可驅動高達100W/2Ω的單聲道揚聲器。TPA3130D2在單層PCB上無需外部散熱片即可實現2×15W的功率輸出；TPA3118D2在雙層PCB上無需散熱片就能運行2×30W/8Ω的功率；TPA3116D2在頂部安裝小型散熱片后，可實現2×50W/4Ω的功率輸出。三款產品具有相同的引腳布局，可在不同功率級別上使用同一塊PCB，方便了設計和生產。

詳細設計要點

增益設置與主從模式

增益由連接到GAIN/SLV控制引腳的分壓器設置，同時該引腳還可控制主從模式。內部ADC用于檢測8種輸入狀態，前四個階段設置主模式下的增益，后四個階段設置從模式下的增益。在主模式下，SYNC端子為輸出；在從模式下，SYNC端子為時鐘輸入。

輸入阻抗與交流耦合

輸入級為全差分輸入級，輸入阻抗隨增益設置而變化，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正確的輸出電壓斜坡，輸入需要進行交流耦合。輸入交流耦合電容與輸入阻抗形成一個高通濾波器，可根據需要選擇合適的截止頻率。

啟動與關機操作

該系列產品具有關機模式，可在不使用時將電源電流降至最低。正常運行時，SDZ輸入端子應保持高電平；將SDZ拉低可使輸出靜音并進入低電流狀態。為了獲得最佳的關機性能，建議在移除電源之前將放大器置于關機模式。

PLIMIT操作

內置電壓限制器可將輸出電壓限制在電源軌以下，通過添加從GVDD到地的電阻分壓器來設置PLIMIT引腳的電壓。添加1μF電容可確保穩定性，在使用1SPW調制模式時，建議將PLIMIT連接到GVDD。

保護電路

具有過流、過溫、直流檢測、欠壓和過壓等保護功能。當檢測到故障時，FAULTZ引腳會發出低電平信號，并將輸出設置為高阻抗狀態。對于自動恢復功能，可將FAULTZ引腳直接連接到SDZ引腳。

調制方案

有BD調制和1SPW調制兩種模式可供選擇，通過MODSEL引腳設置。BD調制在驅動電感負載時可無需經典的LC重建濾波器；1SPW調制可提高效率，但需要注意THD（總諧波失真）和輸出濾波器的選擇。

效率與濾波器考慮

傳統D類放大器需要輸出濾波器來提高效率，而TPA3116D2的調制方案在無濾波器的情況下負載損耗較小。對于大多數應用，無需使用濾波器；但為了進一步提高效率，可使用截止頻率低于D類開關頻率的LC濾波器。此外，使用低成本的鐵氧體磁珠濾波器可減少對周圍電路的干擾，但需要仔細選擇鐵氧體磁珠的材料。

AM干擾避免

為了減少AM頻段的干擾，可通過AM<2:0>引腳改變開關頻率。根據不同的AM頻段，選擇合適的開關頻率，可有效消除因開關頻率解調而產生的音調。

設備功能模式

支持單聲道模式（PBTL），通過將INPL和INNL直接接地，將OUTPR和OUTNR連接在一起作為正揚聲器端子，OUTNL和OUTPL連接在一起作為負引腳，可實現高達100W的輸出功率。

設計流程

典型應用

以2.1解決方案為例，U1 TPA3116D2設置為主模式，采用400kHz、BTL模式，增益為20dB，未實現功率限制；U2設置為從模式，采用PBTL模式，增益為20dB，輸入采用差分輸入。

設計步驟

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，選擇最低的模擬增益設置，通過選擇Gain/SLV引腳上的分壓器電阻（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器，以提供適當的電壓裕度和足夠的電容來支持功率需求。
4. 選擇去耦電容：在每個PVCC輸入處添加高質量的去耦電容，以提高可靠性、音頻性能并滿足法規要求。
5. 選擇自舉電容：每個輸出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或更好質量的電容器。

布局建議

布局準則

為了滿足EMC（電磁兼容性）要求，在設計PCB布局時需要注意以下幾點：

• 去耦電容：高頻去耦電容應盡可能靠近PVCC和AVCC端子；大容量電源去耦電容應靠近TPA3116D2放置在PVCC電源上；局部高頻旁路電容應盡可能靠近PVCC引腳，并直接連接到IC GND焊盤。
• 電流環路：保持每個輸出通過鐵氧體磁珠和小濾波電容并返回GND的電流環路盡可能小而緊湊。
• 接地：PVCC去耦電容應連接到GND，所有接地應連接到IC GND，作為TPA3116D2的中心接地連接或星形接地。
• 輸出濾波器：鐵氧體EMI濾波器應盡可能靠近輸出端子放置，LC濾波器應靠近輸出放置，濾波器中的電容器應接地。

散熱片使用

EVM上使用的散熱片尺寸為14x25x50mm的擠壓鋁散熱片，帶有三個鰭片。對于連續輸出功率，該尺寸的散熱片已足夠；音樂的波峰因數和氣流可降低對散熱片尺寸的要求。

總結

TPA31xxD2系列產品以其高效、靈活、可靠的特點，為音頻放大器的設計提供了一個優秀的解決方案。在設計過程中，我們需要充分考慮其各種特性和設計要點，合理選擇參數和布局，以確保產品的性能和穩定性。你在使用類似產品時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。