TPA313xD2 4 - W, 25 - W 无滤波器 D 类立体声放大器设计解析

在电子设备的音频系统设计中，放大器的选择至关重要。德州仪器（TI）的 TPA3131D2 和 TPA3132D2 这两款无滤波器 D 类立体声放大器，凭借其出色的性能和丰富的功能，在众多音频应用场景中得到了广泛应用。今天，我们就来深入探讨一下这两款放大器的设计要点。

文件下载：tpa3132d2.pdf

产品特性与优势

多输出配置与宽电压范围

TPA3131D2 能在 7.4V 下为 8Ω BTL 负载提供 2×4W 的功率，而 TPA3132D2 则可在 19V 下为 8Ω BTL 负载提供 2×25W 的功率。同时，它们支持 4.5V 至 26V 的宽电压范围，这使得它们在不同电源环境下都能稳定工作，具有很强的适应性。

高效 D 类操作

D 类放大器以其高效率而闻名，TPA313xD2 也不例外。其功率效率超过 90%，并且具有低静态损耗，这意味着在工作过程中产生的热量较少，甚至可以无需散热片。这种特性不仅降低了系统成本，还减小了设备的体积。

AM 干扰避免与多开关频率

通过先进的振荡器/PLL 电路，TPA313xD2 提供了多种开关频率选项，可有效避免 AM 干扰。同时，它还支持主从同步功能，能够同步多个设备，进一步提升了系统的稳定性和抗干扰能力。

完善的保护电路

该放大器集成了过压、欠压、过温、直流检测和短路保护等多种自保护电路，并能进行错误报告。这使得设备在面对各种异常情况时能够及时做出反应，保护自身和扬声器不受损坏。

设计关键要点

增益设置与主从模式

TPA3131D2 的增益通过连接到 GAIN/SLV 控制引脚的分压器来设置，同时该引脚还控制主从模式。内部 ADC 用于检测 8 种输入状态，分别对应主从模式下的不同增益设置。在设计时，我们需要根据实际需求选择合适的电阻值来设置增益。例如，在主模式下，当 R1 = 5.6kΩ，R2 开路时，增益为 20dB；而在从模式下，当 R1 = 51kΩ，R2 = 51kΩ 时，增益同样为 20dB。

输入阻抗与交流耦合

TPA313xD2 的输入级是全差分输入级，输入阻抗会随着增益设置的变化而变化，范围从 36dB 增益时的 9kΩ 到 20dB 增益时的 60kΩ。为了最小化输出直流偏移并确保输出电压在电源开启和关闭时正确斜坡上升，输入需要进行交流耦合。我们可以根据不同的增益设置选择合适的输入交流耦合电容，以形成合适的高通滤波器。例如，在 20dB 增益时，推荐使用 1.5μF 的电容，此时高通滤波器的截止频率为 1.8Hz。

启动/关机操作

为了节省电源，TPA313xD2 设计了关机模式。在正常工作时，SDZ 输入端子应保持高电平；当将 SDZ 拉低时，输出将静音，放大器进入低电流状态。需要注意的是，不建议让 SDZ 悬空，否则放大器的工作状态将不可预测。为了获得最佳的关机效果，建议在移除电源之前将放大器置于关机模式。

PLIMIT 功能

TPA313xD2 内置了电压限制器，可将输出电压限制在电源轨以下，从而限制输出功率。通过在 GVDD 到地之间添加电阻分压器来设置 PLIMIT 引脚的电压，还可以根据需要使用外部参考来提高精度。同时，在 PLIMIT 引脚和地之间添加 1μF 电容可以确保稳定性。在实际应用中，我们可以根据负载电阻和输入电压来计算最大输出功率，合理设置 PLIMIT 电压，以避免过流保护导致的关机。

应用与布局建议

典型应用设计

在典型的立体声扬声器应用中，我们需要根据设计要求选择合适的参数。例如，输入电压范围为 4.5V 至 26V，PWM 输出频率可以选择 400kHz、500kHz、600kHz、1MHz 或 1.2MHz，最大输出功率根据不同型号有所不同，TPA3132D2 为 25W×2，TPA3131D2 为 4W×2。在设计过程中，我们需要按照以下步骤进行：

1. 选择 PWM 频率：通过 AM0、AM1 和 AM2 引脚设置 PWM 频率。
2. 选择放大器增益和主从模式：根据最大功率目标和扬声器阻抗，计算所需的输出电压摆幅，选择合适的模拟增益设置，并通过选择 Gain/SLV 引脚的分压器电阻（R1 和 R2）来设置增益和主从模式。
3. 选择输入电容：在 PVCC 输入处选择合适的大容量电容，以提供足够的电压裕度和电容值来支持功率需求。
4. 选择去耦电容：在每个 PVCC 输入处添加高质量的去耦电容，以确保良好的可靠性、音频性能和满足法规要求。
5. 选择自举电容：每个输出都需要自举电容来为高端输出 FET 提供栅极驱动，建议使用 0.22μF、25V 的 X5R 或更高质量的电容。

布局注意事项

由于 D 类放大器的开关边沿较快，在进行 PCB 布局时需要特别注意。以下是一些布局建议：

1. 去耦电容：高频去耦电容应尽可能靠近 PVCC 和 AVCC 端子放置，大容量电源去耦电容应靠近 TPA313xD2 放置在 PVCC 电源上。同时，在芯片两端的 PVCC 连接上添加小的、高质量的低 ESR 陶瓷电容（220pF 至 1nF）和较大的中频电容（100nF 至 1μF）。
2. 电流环路：保持每个输出通过铁氧体磁珠和小滤波电容再回到地的电流环路尽可能小而紧凑，以减少天线效应。
3. 接地：PVCC 去耦电容应连接到地，所有接地应在 IC 的 GND 处连接，将其作为 TPA313xD2 的中心接地或星形接地。
4. 输出滤波器：铁氧体 EMI 滤波器应尽可能靠近输出端子放置，以获得最佳的 EMI 性能；LC 滤波器也应靠近输出放置，并且滤波器中的电容应接地。

总结

TPA3131D2 和 TPA3132D2 是两款性能出色的无滤波器 D 类立体声放大器，它们在多输出配置、高效工作、抗干扰和保护功能等方面表现优秀。在设计过程中，我们需要根据实际应用需求，合理设置增益、输入阻抗、PLIMIT 等参数，并注意 PCB 布局的细节，以充分发挥这两款放大器的优势，设计出高质量的音频系统。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。