解读SSM2537：高性能PDM数字输入单声道2.7W D类音频放大器

在音频放大器领域，不断追求高性能、低功耗和小型化是不变的目标。今天，我将为大家详细介绍一款来自Analog Devices的产品——SSM2537，一款PDM数字输入单声道2.7W D类音频放大器，看看它在设计和性能上有哪些亮点。

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产品概述

SSM2537是一款PDM数字输入的D类功率放大器，相较于现有的DAC加D类解决方案，它提供了更高的性能。该放大器非常适合对功率敏感的应用场景，比如手机和便携式媒体播放器，在这些应用中，系统噪声可能会干扰发送到放大器的小模拟信号。

它将音频数模转换器（DAC）、功率放大器和PDM数字接口集成在单个芯片上。这种集成的DAC加上模拟Σ - Δ调制器架构，使得它在处理数字音频源时，能够实现极低的实际功耗，同时保持出色的音频性能。通过数字方式将音频传输到音频放大器，能显著降低GSM干扰或其他数字信号等噪声源对传输音频的影响。

产品特性

这款放大器具备诸多出色的特性，使其在同类产品中脱颖而出：

1. 免滤波数字D类放大器：采用脉冲密度调制（PDM）数字输入接口，无需外部LC输出滤波器，简化了设计。
2. 高功率输出：在5.0V电源供电时，能够向4Ω负载提供2.7W功率，向8Ω负载提供1.4W功率，且总谐波失真加噪声（THD + N）小于1%。
3. 高效节能：在8Ω负载、满量程输出时，效率可达93%。输出噪声低至25μV rms（3.6V，A加权），在1kHz、100mW输出功率下，THD + N仅为0.005%。
4. 小封装：采用9球、1.2mm×1.2mm、0.4mm间距的WLCSP封装，非常适合对空间要求苛刻的应用。
5. 完善的保护功能：具备爆音和咔嗒声抑制功能、可配置的PDM模式输入、短路和热保护（带自动恢复功能），当检测到PDM停止条件或无时钟输入时，还能实现智能掉电。
6. 多种工作模式：支持(64 ×f{s})或(128 ×f{s})操作，可支持3MHz和6MHz时钟，用户还可选择超低EMI辐射和低延迟模式。
7. 其他特性：内置直流阻断高通滤波器和静态输入直流保护，具有上电复位（POR）功能，且只需极少的外部无源元件。

性能指标

电气参数

在(PVDD = 5.0V)、(VDD = 1.8V)、(f{s} = 128 ×)、(T{A} = 25^{circ}C)、(R_{L} = 8Ω + 33μH)的条件下，其输出功率、THD + N、效率等参数表现出色。例如，在不同负载和电源电压下，输出功率有所不同；在特定条件下，THD + N可低至0.005%，效率最高可达93%。

电源相关

放大器电源PVDD的工作电压范围为2.5V至5.5V，数字电源VDD的工作电压范围为1.65V至1.95V。电源抑制比（PSRR）在不同频率下表现良好，如在217Hz时可达80dB。

数字输入/输出

输入电压高（(V{IH})）和低（(V{IL})）有明确的范围，输入泄漏电流和电容也有相应的规格。PDM接口的数字时序也有严格要求，如时钟下降时间（(t{CF})）和上升时间（(t{CR})）均为10ns，数据建立时间（(t{DS})）为10ns，数据保持时间（(t{DH})）为7ns。

绝对最大额定值

包括电源电压、输入电压、ESD敏感度、温度范围等都有明确的限制，在使用时必须严格遵守，以避免对器件造成永久性损坏。

工作原理

时钟与电源

SSM2537需要在PCLK输入引脚提供时钟信号才能正常工作，时钟频率必须在1.84MHz至3.23MHz或3.68MHz至6.46MHz范围内。它需要两个电源，PVDD为MOSFET全桥功率级及其相关驱动、控制和保护电路、DAC和D类PDM调制器供电，工作范围为2.5V至5.5V；VDD为数字逻辑电路供电，工作范围为1.65V至1.95V。

功率控制

上电时，必须先给PVDD供电，以锁定指定的GAIN_FS引脚功能。该器件具有智能掉电功能，当检测到PDM停止条件（至少129个重复的0xAC字节，即1024个时钟周期）时，会进入待机模式，此时可移除PCLK，实现完全掉电。当再次开启PCLK并接收到非停止条件输入时，将恢复正常工作。

增益与频率设置

GAIN_FS引脚用于设置内部增益和滤波配置，以适应不同的采样率。该引脚可以设置为四种状态，通过连接到PVDD或PGND，并可选择是否使用47kΩ电阻。内部增益和滤波也可以通过PDM模式控制进行设置。

PDM模式控制

通过向器件发送重复的8位模式，可以设置低功耗状态和控制功能。不同的模式对应不同的功能，如优化增益、设置超低EMI模式、低延迟模式等。任何模式必须至少重复129次，检测到模式时，器件会自动静音，以避免模式转换产生的爆音或咔嗒声。

EMI噪声控制

采用专有的调制和扩频技术，可将器件的EMI辐射降至最低。对于难以通过FCC Class B辐射测试的应用，还可以启用超低EMI辐射模式，显著降低D类输出的辐射，特别是在100MHz以上的频率。

输出调制

使用三级Σ - Δ输出调制，每个输出可以在PGND和PVDD之间摆动。在没有输入信号时，理想情况下输出差分电压为0V，但由于实际存在噪声源，会根据需要产生差分脉冲。当输入信号时，会生成输出脉冲（OUT +和OUT -）以跟随输入电压，通过提高输入信号电平可以增加差分脉冲密度。

应用建议

布局设计

随着输出功率的增加，在放大器、负载和电源之间正确布局PCB走线和导线至关重要。应使用短而宽的PCB走线，以减少电压降和电感。尽量避免接地环路，以减少与不同接地路径相关的共模电流。确保走线宽度至少为每英寸200密耳，以获得最低的直流电阻，并使用1盎司或2盎司的铜PCB走线，以进一步降低IR降和电感。良好的接地有助于提高音频性能，减少通道间的串扰，并防止开关噪声耦合到音频信号中。

电源去耦

为确保高效率、低总谐波失真（THD）和高PSRR，需要进行适当的电源去耦。电源输入必须使用高质量、低ESL、低ESR的电容进行去耦，最小值为4.7μF，用于旁路低频噪声。对于高频瞬态噪声，应在PVDD和VDD引脚附近使用0.1μF的电容。

总结

SSM2537以其高性能、低功耗、小封装和丰富的功能特性，为音频放大器设计提供了一个优秀的解决方案。无论是在手机、便携式媒体播放器还是其他对功率和空间有要求的应用中，都能发挥出色的作用。在实际应用中，正确理解其工作原理和应用建议，能够充分发挥其性能优势，为产品带来更好的音频体验。你在使用类似音频放大器时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享。