浅析NAU8315单声道高效无滤波D类音频放大器

最近在研究音频放大器相关的硬件设计，发现了Nuvoton的NAU8315这款单声道高效无滤波D类音频放大器，觉得它在便携式设备应用中有着独特的优势，下面就和大家详细分析一下这款放大器。

文件下载：NAU8315YG.pdf

1. 综合概述

1.1 关键特性

NAU8315能驱动4Ω负载，输出功率高达3.2W，具备使能控制和I2S音频输入，且待机电流低、启动时间快。其80dB的电源抑制比（PSRR）、91%的效率、超低静态电流和出色的电磁干扰（EMI）性能，使其在便携式应用中表现出色。另外，通过引脚可进行增益设置、I2S左右声道选择以及PCM时隙选择，输出噪声低至12µVRMS，采样率范围从8K到96KHz。

1.2 适用场景

该放大器适用于多种便携式设备，如游戏控制器、无线（VR）耳机、智能遥控器、笔记本电脑/平板电脑、个人媒体播放器和超声波扬声器等。

2. 引脚设计

2.1 引脚布局

NAU8315提供三种封装形式，分别是12球微型晶圆级芯片规模封装（WLCSP）、9球微型WLCSP和20引脚四方扁平无引脚封装（QFN）。不同封装的引脚配置不同，大家在设计时要根据实际需求选择合适的封装。

2.2 引脚功能

各个引脚功能明确，像DACIN用于输入I2S接口的DAC数字音频数据，FSL和FSR分别用于设置I2S接口的左、右声道帧时钟，GAIN引脚用于增益选择等。这里需要注意的是，对于9球WLCSP封装，NC球C2可连接到VDD方便PCB布局；对于20引脚QFN封装，NC引脚可连接到VSS。

3. 电气特性

3.1 绝对最大额定值

在使用时需注意其绝对最大额定值，如VDD电池供电范围为 - 0.3V到6.0V，电压输入/输出范围为VSS - 0.3V到VDD + 0.3V等。长时间在接近或达到最大额定值的条件下工作，可能会影响产品可靠性，甚至导致产品故障。

3.2 工作条件

推荐的工作条件为：电池供电范围VDD为2.50V到5.25V，典型值为4.2V；数字I/O范围为1.8V到VDD；接地VSS为0V；工业工作温度范围为 - 40°C到 + 85°C。

3.3 电气参数

不同条件下的电气参数也有所不同，以VDD = 4.2V、RL = 8Ω + 33µH、f = 1kHz、48kHz采样率、BCLK = 12.288MHz、增益为12dB为例，在不同封装和负载情况下，输出功率、总谐波失真加噪声（THD + N）、输出噪声、电源抑制比（PSRR）等参数都有相应的典型值。此外，数字输入参数也有具体要求，如输入低电平VIL最大为0.4V，输入高电平VIH最小为1.4V等。

4. 功能解析

4.1 输入功能

通过I2S/PCM接口的FSL、FSR、BCLK和DACIN引脚获取和处理音频信号，EN引脚用于使能或禁用设备。GAIN输入引脚可配置5种增益模式，不同模式对应不同的增益值和输出电压。FSL和FSR引脚用于设置I2S和PCM接口模式，支持多种模式，如左声道I2S、右声道I2S、PCM时隙模式等。

4.2 输出功能

该放大器增益范围为3dB到12dB，由单独的电源VDD供电，最高可达5V，能向4Ω负载提供高达3.2W的功率。

4.3 数字接口

音频数据通过与行业标准I2S和PCM设备兼容的串行数据接口传输，使用FSL、FSR、BCLK和DACIN引脚，无串行控制输入接口，工作模式由外部引脚配置决定。

4.4 电源与复位

可在较宽的电源条件和开关机序列下可靠工作，但电源和I/O引脚之间的静电检测（ESD）保护二极管会影响电源应用。芯片内置电源开关复位电路，电源上电时复位内部逻辑控制，典型复位阈值在电源上升斜坡时VDD为1.88V，下降斜坡时为1.61V。此外，将使能引脚EN置低也可复位内部逻辑。

4.5 电源操作顺序

上电时，先给电源供电，然后将使能引脚EN置高使设备进入待机状态。之后BCLK检测电路激活，应用外部时钟和数据，检测到有效BCLK/FS比率后，进入4毫秒静音期，随后软静音逐渐增加DAC数字音量到满量程。播放结束时，建议在DACIN输入添加2048个零样本以实现无爆音关机。当FS和/或BCLK时钟停止时，时钟检测电路会关闭设备。

4.6 时钟与采样率

内部时钟源自外部BCLK时钟源，可由BCLK直接设置或通过以BCLK为参考的时钟乘法器生成。时钟检测电路用于控制音频路径的开启和关闭，自动功率控制和静音功能通过满足特定条件来实现。输入时钟范围为：帧同步（FS）8kHz到96kHz，位时钟BCLK为1.4112MHz到24.576MHz。BCLK/FS比率不同，对应的过采样率、采样频率和BCLK速率也不同。

4.7 自动电平控制（ALC）

ALC功能支持NAU8315的DAC数字音频路径，将GAIN引脚设置为12dB增益并启用ALC后，可自动调整输入信号的增益，防止输出信号削波，适用于电池供电设备，能在电池电压下降时保持音质并降低电池峰值功耗。

4.8 设备保护功能

具备过流保护（OCP）、欠压锁定（UVLO）、过温保护（OTP）和时钟终止保护（CTP）等功能。过流保护在检测到输出驱动上的短路持续至少14µs时，会禁用输出驱动100ms，然后再检查。欠压锁定在VDD低于2.1V时禁用输出驱动，低于1.61V时激活内部上电复位。过温保护在设备内部结温达到143°C时禁用输出驱动，降温到123°C并保持至少100µs后重新启用。时钟终止保护在FS和/或BCLK时钟停止时自动关闭D类驱动，防止输出端出现直流电压。

5. 设计考量

5.1 旁路电容

为去除VDD引脚上的交流纹波，需要使用旁路电容，其值取决于VDD走线长度，多数情况下2 x 4.7µF和0.1µF的电容即可实现良好性能。

5.2 PCB布局

良好的PCB布局和接地技术对音频性能至关重要。使用VSS平面屏蔽时钟并减少EMI，确保VSS引脚与平面有良好连接，VDD连接使用实心铜片，尽量缩短和加粗扬声器连接，避免使用过孔，合理使用过孔进行散热等。

5.3 滤波器

NAU8315可无滤波器使用，适用于扬声器与放大器距离近的便携式应用。若因扬声器尺寸或布局原因导致走线较长，可使用铁氧体磁珠滤波器、LC滤波器、低通LCR滤波器和高通滤波器等减少EMI影响。

6. 控制方式

6.1 数字音频接口

作为I2S或PCM时隙从设备，在I2S从模式下，外部控制器提供BCLK和FS信号，数据在BCLK上升沿锁存。可读取24位I2S数据，对于BCLK/FS比率为32的情况，仅读取16位最高有效位（MSB）。在I2S模式下，MSB在FS转换后的第二个BCLK上升沿时钟输入；PCM时隙模式可延迟DAC数据时钟输入时间，便于多芯片共享音频总线。

6.2 数字音频接口时序参数

不同条件下的接口时序参数有明确要求，如BCLK周期时间、高脉冲宽度、低脉冲宽度等都有相应的最小值和典型值。

7. 封装与订货信息

7.1 封装规格

提供20引脚QFN、12球WLCSP和9球WLCSP三种封装，每种封装都有详细的尺寸和公差要求，大家在设计时要根据实际需求进行选择。

7.2 订货信息

不同的产品编号对应不同的封装形式和尺寸，如NAU8315YG为4mm x 4mm的QFN - 20封装，NAU8315A31VG为1.95mm x 1.18mm的9球WLCSP封装等。

总的来说，NAU8315在音频放大方面表现出色，具备多种实用功能和良好的电气特性，但在使用过程中，大家还是要根据具体的应用场景和设计要求，合理选择引脚配置、封装形式和滤波器等，以确保其性能的充分发挥。大家在实际设计中有没有遇到过类似音频放大器的设计难题呢？欢迎在评论区分享交流。