REF_MA5332BTLSPS：高性能D类音频功率放大器参考设计解析

在音频系统设计领域，一款优秀的音频功率放大器至关重要。今天，我们就来深入了解一下REF_MA5332BTLSPS参考板，它是一款适用于家庭音频系统的单BTL通道、200W/ch（4Ω负载，40V供电）的D类音频功率放大器。

文件下载：Infineon Technologies REF_MA5332BTLSPS参考板.pdf

一、设计概述

REF_MA5332BTLSPS参考板主要是为了展示如何使用MA5332M IC搭配单电源，并利用英飞凌集成D类IC设计出最佳的PCB布局。在正常工作状态下（连续额定功率的八分之一），该参考设计无需额外的散热片或风扇进行散热，同时还提供了所有必要的辅助电源，使用起来非常方便。

应用场景

• 智能音箱：为智能音箱提供强劲的音频输出，提升音质体验。
• 条形音箱：满足条形音箱对高功率、高品质音频的需求。
• 低音炮：为低音炮提供足够的功率，增强低频效果。
• 有源音箱：适用于各种有源音箱，提升整体性能。
• 乐器放大器：为乐器提供清晰、有力的放大效果。
• 汽车音频放大器：在汽车音频系统中发挥作用。

主要特性

• 输出功率：单通道可输出200W（10% THD+N，4Ω负载，40V供电）。
• 多重保护功能：具备过流保护（OCP，高低侧）和过温保护（OTP），保障系统安全稳定运行。
• 脉冲宽度调制器（PWM）：采用自振荡半桥拓扑，支持可选的时钟同步，有效降低组件数量，提升性能。

二、技术规格

通用测试条件

条件	数值	说明
电源电压	+40V	单极性电源
额定负载阻抗	4Ω	电阻性负载
自振荡频率	400kHz	无输入信号，可调节
电压增益	23dB	1VRs输入产生额定功率

电气数据

数据	典型值	说明
英飞凌器件	MA5332集成D类IC	-
调制器	自振荡、二阶sigma - delta调制、模拟输入	-
输出功率（1% THD+N）	150W	1kHz，RL = 4Ω
输出功率（10% THD+N）	200W	1kHz，RL = 4Ω
额定负载阻抗	4Ω	电阻性负载
空载电源电流	+75mA	无输入信号，+40V
信噪比（SNR）	96dB	滤波器：A加权（12017），20kHz SPCL，增益设置：23dB
残余噪声	140μV	滤波器：A加权（12017），20kHz SPCL，增益设置：23dB
通道效率	90%	单通道驱动，200W，D类级

三、拓扑结构

REF_MA5332BTLSPS采用单BTL通道自振荡型PWM，具有组件数量少、单电源方便、性能高和设计稳健等优点。其拓扑结构是二阶sigma - delta调制的模拟版本，D类开关级位于环路内部。与基于载波信号的调制相比，sigma - delta调制能将可听频率范围内的所有误差自然地转移到不可听的高频范围，同时还能进行充分的误差校正。

该自振荡拓扑结构主要由以下几个关键功能模块组成：

• 前端积分器：对输入信号进行积分处理。
• PWM比较器：实现脉冲宽度调制。
• 电平转换器：进行电平转换。
• 集成栅极驱动器和MOSFET：驱动输出级。
• 输出低通滤波器：滤除高频噪声。

四、使用指南

硬件连接

参考板上有几个重要的连接器，分别用于模拟输入、输出和电源连接：	连接类型	连接器	说明
模拟输入	J3	模拟平衡输入
输出	J1	模拟输出
电源	J8	单电源供电

音频分析仪设置

在进行音频测试时，需要正确连接音频分析仪。具体连接方式可参考文档中的相关图示。

操作步骤

测试设置

1. 将4Ω、250W的假负载连接到输出连接器（J1），并与音频分析仪的输入并联。
2. 将音频信号发生器连接到J3，提供模拟信号。
3. 设置电源电压为40V，电流限制为7A。
4. 在连接到被测单元（UUT）的“on”之前，先关闭电源。
5. 将电源连接到J8。

上电顺序

1. 打开电源。
2. 电源的静态电流在40V时应为75mA ± 10mA。
3. 打开开关S1（中间位置）。

音频功能测试

1. 将音频分析仪的模拟分析仪设置为20kHz AES17滤波器。
2. 将音频信号从音频分析仪连接到J3。
3. 将音频信号电压从15mVRMS扫描到1.5VRMS。
4. 按照文档中的图示运行音频分析仪测试。

下电顺序

1. 关闭开关S1（侧边位置）。
2. 关闭电源。
3. 当辅助电源关闭时，所有LED指示灯熄灭。

五、性能测试

功率与THD+N关系

在特定测试条件下（Vbus = 40V，输入信号 = 1kHz，负载阻抗 = 4Ω，FPWM = 400kHz），测试输出功率与总谐波失真加噪声（THD+N）的关系。通过测试结果可以评估放大器在不同功率输出下的失真情况。

频率响应

在Vbus = 40V、输出功率 = 1W、负载阻抗 = 4Ω、FPWM = 400kHz的条件下，测试放大器的频率响应。频率响应曲线可以反映放大器在不同频率下的增益情况，对于评估音频质量非常重要。

本底噪声

分别测试无输入信号和输出为1VRMS（1kHz）时的本底噪声。本底噪声越低，说明放大器的噪声性能越好。

效率测试

在特定条件下（Vbus = 40V，输出 = 1VRMS（1kHz），负载阻抗 = 4Ω，FPWM = 400kHz）测试放大器的效率。高效率意味着在输出相同功率的情况下，消耗的功率更少，发热也会相应减少。

热性能测试

在Vbus = 40V、输入信号 = 1kHz、双声道驱动、FPWM = 400kHz、负载 = 4Ω的条件下，测试放大器的热性能。测试结果显示，在不同输出功率下，放大器的温度会有所变化。例如，输出功率为18.75W时，30分钟后温度稳定在71.4°C；输出功率为200W时，1分钟后温度达到109°C，5分钟后达到144°C。在设计时，需要根据实际需求考虑是否添加散热片。

六、增益设置

REF_MA5332BTLSPS参考板针对单电源应用有两种增益设置，分别是交流增益设置和直流增益设置。

增益设计流程

1. 设置目标额定功率和负载阻抗。
2. 根据额定功率和负载阻抗计算Vbus。
3. 计算所需的交流增益和RACin。
4. 计算RDCin。

Vbus计算

Vbus通过负载阻抗和削波功率（通常为RMS功率的75%）计算得出。在本设计中，计算得到的Vbus约为38.5V，实际使用40V作为Vbus。

交流增益设置

交流增益是输出信号幅度与输入信号幅度的平均比值。在设计中，假设最大输入信号为5Vp - p平衡输入，根据削波电压和输入信号计算出期望的总电压增益，然后再分配给运算放大器级和D类级。

直流增益设置

直流增益用于将输出直流工作点设置为Vbus的一半。通过相关公式计算出RDCin的值。

七、PCB设计

PCB规格

• 层数：两层SMT PCB，带有通孔。
• 厚度：1/16英寸。
• 铜箔厚度：2/0 oz。
• 材料：FR4。
• 线路和间距：10mil。
• 阻焊层：绿色珐琅EMP110 DBG（外壳）或Enthone端板DSR - 3241或等效材料。
• 丝印层：白色环氧非导电，符合IPC–RB 276标准。
• 铜表面处理：锡铅Sn 60或63，厚度为100µ英寸。
• 尺寸公差：±0.010英寸。
• 孔公差：±0.003英寸。
• 验收标准：符合II类PCB标准。

PCB布局

合理的PCB布局对于放大器的性能至关重要。参考板的PCB布局经过精心设计，以减少干扰和噪声，提高放大器的稳定性和性能。具体布局可参考文档中的相关图示。

八、物料清单

文档中提供了详细的物料清单，包括各种电容、电阻、IC、晶体管等元件的型号、规格、数量和供应商等信息。工程师在进行设计和采购时，可以根据物料清单进行选择。

REF_MA5332BTLSPS参考板为音频系统设计提供了一个优秀的解决方案。通过对其设计原理、性能测试和使用方法的深入了解，电子工程师可以更好地将其应用到实际项目中，设计出高性能的音频系统。在实际应用中，大家可以根据具体需求对参考板进行适当的调整和优化，以满足不同的设计要求。你在使用类似参考板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。