小功率D类音频功放应用注意事项

向清亮 · 发表于 2019-2-19 11:09:58

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外围设计与板级Layout

1.电源、地线

1.1、电源端的设计
电源端的设计通常可采用以下两种方式。

图1. 电源端设计示意图一

图2. 电源端设计示意图二

适当的电源旁路电容能滤除高频，如上图PVDD旁的C3和AVDD旁的C2。旁路电容应该尽可能靠近芯片引脚放置。

另外，对于整个系统，比较好的做法是，模拟电源应从大电容端单独提供，如图2，而不是就近从PVDD提供，以防PVDD的纹波影响模拟电路。而不同的地在有必要时也需进行适当隔离。

1.2、电源设计
通常便携式产品会用到DC-DC的方式来提供电源。有时，DC-DC部分的设计不当，导致电源纹波过大，浪涌过大，会直接影响功放芯片的正常工作，甚至烧毁芯片（通常的现象是某个通道的输出管脚烧坏，如表现为二极管特性消失）。

2．音频输入端

2.1、接入方式
单端输入：即INL+和INR+（如果是单通道，则只有一个IN+）接至输入前级的两个正端（如果是单通道，则只接一个通道），INL-和INR-并联至输入前级的地。而INL-和INR-都接至功放的公共地。

差分方式：要求输入前级也是差分输出，即每个通道有正负两端，正好接入功放对应通道的正负端。

“伪差分”方式：由于现阶段一般的低端音频设备都是采用单端的输出方式，而我们的D类音频功放多采用差分输入方式。其与上述单端输入接法一致，即输入前级的两个正端接至INR+和INL+，输入前级的地接至INL-和INR-，不同的是，INL-与INR-并不接至功放的公共地。

图3. 单端输入方式与“伪差分”输入方式

如上图3，若把R3短接，即为上述所说的单端输入方式；而若把R3断开，则为“伪差分”输入方式。

一般而言，差分输入方式是最佳的输入方式，理论上能去除所有共模噪声。而由于现阶段一般的低端音频设备都是采用单端的输出方式，从而只能采用上面说的“伪差分”输入方式。一般的噪声问题使用“伪差分”输入方式能有效改善，除非干扰过大而超过了差分输入的抑制极限（由于差分输入方式很难使差分的两端完全一致，所以抑制共模噪声的能力是有限制的）。总而言之，需要综合考虑应用情况，来确定输入端使用的接入方式。

Note: 很多两线的电源（即浮地产品）的地线对三相电大地存在压差，有些劣质产品其压差能达到上百伏。如果用这样的劣质产品作为音频功放的电源，当音频输入为三相供电的接地产品时，其压差是一个非常大的干扰源，此时的“伪差分”输入方式改善噪声已较困难。

2.2、接入线
即音频输入线，有必要时，使用屏蔽线、缩短线长等都能改善噪声问题，而屏蔽线中屏蔽网的接法也需要根据实际应用情况仔细考虑。

2.3、电阻匹配RIN+-
在信号输入的正负端（IN+和IN-间）加一个RIN+- 电阻，可以有效降低相关噪声，如下图4的R1(下图是单端输入方式，“伪差分”输入方式时也适用)：

图4. 电阻匹配RIN+-

RIN+-的推荐值是1K，增大该值会略微增大音量，但也会是降低噪声的能力减弱，减小该值则相反。

2.4、输入电容CIN
关注低频的用户可以考虑使用钽电容或铝电解电容作为输入电容，陶瓷电容等高电压系数的电容可能会导致低频失真加剧。

2.5、输入滤波器衰减低频
通常，使用1uF的输入电容CIN能够满足应用需求，然而，由于客户使用喇叭情况的各异，有时需要不同处理。特别是有些客户在低端应用中使用的喇叭，对低频音乐的响应度不好，容易在低音音乐段出现音质问题，权衡的处理方式是把输入的音乐信号中的低频进行一定的衰减，以使喇叭能够胜任相应的低频响度。

我们推荐的输入音乐衰减方式主要是在输入端加入滤波器，以对低频进行不同程度的衰减，主要有以下几种方式：
①减小输入电容CIN。我们推荐的输入电容是1uF，在衰减低频的情况下，可以将其减小至0.1uF甚至1nF，主要视客户具体情况；
②将输入端接法改为如下图5（列出右声道，左声道同样处理），相关值需视具体情况微调；

图5. 音频输入端电路1

③将输入端接法改为如下图6（列出右声道，左声道同样处理），相关值需视具体情况微调；

图6. 音频输入端电路2

向清亮 · 发表于 2019-2-19 11:19:28

2.6、输入信号
需考虑音源输入的幅度不能过大，否则可能引起输出信号的破音，且导致芯片损伤。

3．音频输出端

3.1、输出滤波器
一般而言，输出端可直接接上负载。如果输出端的输出线较长，或者对EMI的要求较高，则可选择添置铁氧体磁珠或LC滤波器。
如果选择铁氧体磁珠，其高频时需有高阻抗（Z(100MHz) 100Ω以上）、低频时有低阻抗，额定电流也是需要考虑的参数之一（2A左右）。推荐：MPZ1608S221A，具体参数为：Z100MHz=220Ω, IMax=2.2A, RDC=0.05Ω.

图7. 输出端接铁氧体磁珠

如果选择LC滤波器，其低通截止频率一般略大于20kHz。

图8. 输出端接LC滤波器

布板时，磁珠（电感）、电容紧靠芯片输出管脚放置，尽量减短输出管脚到磁珠（电感）的布线长度，且布线应尽量短而宽，尽量无弯角。

3.2输出Snubber电路与肖特基二极管（压敏电阻）的设计
如果电源电压较大，纹波较严重，浪涌较大，或者输入信号较大时，有必要在输出端加入Snubber电路（RC网络）和肖特基二极管(或压敏电阻)，以防输出端烧坏，亦有助于提高系统整机的ESD测试等级。电路如下图：

图9. Snubber电路与肖特基二极管

图10. Snubber电路与压敏电阻

4．其他外围设计

4.1、Pop声
芯片内部集成有Pop噪声抑制电路，专门抑制上电／掉电／待机／恢复等转换中出现的Pop噪声。

不过，即便如此，pop声还是无法彻底消除，特别是在上电时。若系统中存在MCU等控制芯片，则可通过软件方式很好的将pop声降到0：芯片上电时，一直启动Mute功能，等稳定（一般在200ms）以后，再关闭Mute功能；而在断电时，先启动Mute功能，再断电。

4.2、散热设计
HT设计的D类功放其封装底部一般会带有一个散热裸焊盘。该焊盘提供一个从管芯到PCB的导热通路，从而降低了封装热阻，一般使用一个大焊盘并通过多个孔将散热裸焊盘连接到地平面。裸焊盘是IC散热的主要途径，芯片底部的裸焊盘、PCB及其覆铜层构成了D类放大器的主要散热通道。将裸焊盘焊接在一个较大的覆铜区域，应尽可能扩大该覆铜区域与D类放大器及其它器件之间的覆铜面积，这些连线须具有相同电位。连线应尽可能宽，每个通路都会影响到系统的整体散热能力。与裸焊盘连接的覆铜区域应通过多个过孔连接到PCB另一层的覆铜区。在满足系统信号通路限制的条件下，应尽量扩大由过孔连接的另一层的覆铜面积。另外，尽可能加宽器件的所有引线，是改善器件散热的另一途径。虽然IC引脚不是主要的散热通道，只能提供少量散热（最多可以改善10%的散热能力），但却可以从根本上解决系统的散热问题，使系统的热性能指标达到可以接受的水平。如果系统工作在较高的环境温度下，可能需要添加额外的散热器，以改善PCB的散热能力。为了获得最佳性能，散热器的热阻必须保持在最小值。借助芯片底部的裸焊盘，具有最低热阻的通道位于PCB的底层。IC顶部对于器件散热没有明显影响，因此，不是安装散热器的理想位置。

4.3、WLCSP封装贴片注意事项
某些D类产品采用WLCSP封装，此封装技术在缩小芯片体积的同时，也存在相对容易损坏的隐患。芯片正面（引脚面）为裸片外加PI保护膜，容易损坏；芯片背面（引脚反面）未加背胶（一般产品均不带，否则容易出现静电问题），SMT时有必要加装缓震装置，以避免较大程度的碰到。

向清亮 · 发表于 2019-2-19 11:25:59

常规测试

1．功率测试

图11. 音频功放测试示意图

免滤波D类音频功放的测试（我公司标称的功率测试方式）采用如上方式，其中RL为负载。免滤波D类功放采用的调制方案无需滤波器便能正常工作，但在做相关测试时，由于大多数分析仪、测试仪无法正确处理快速变化的方波信号，需要在后端接入滤波器再接入分析仪，使得分析仪能正确测试。滤波器可以使用专业的音频滤波器，也可以使用简单的RC、LC低通滤波器。如上图11，采用的是LC低通滤波器，由于分析仪内阻很大，电感的阻值可忽略。

测试功率时，输入1KHz正弦波，幅度逐渐增大，直至THD = 10%，此时的输出功率即为我公司标称的功率。

鉴于无音频测试仪测试其功率的个别情况，建议使用示波器粗略估测。估测方法如下：

由于功率一般是指输入1KHz信号在THD=10%时输出的功率，可使用一定幅值的1KHz正弦波输入功放，按图11的方式接负载（用示波器替换音频测试仪），观察示波器波形。然后调节输入1KHz正弦波的幅值，使输出波形发生削顶。此时输出波形的周期应为1ms，在调节输入幅值的过程中测量其削顶宽度，使其正半周和负半周波形的削顶宽度皆为200±20 μs，记下此时电压有效值及负载，核算其功率即可。

2．频响测试
由于滤波器的存在，如果想得到较为真实的频响曲线，需要根据不同情况做不同的测试处理。

2.1、纯电阻负载
如果负载用纯电阻来测试，如下图：

图12. 负载为存电阻

此时，可将系统看作二阶系统，由相关知识可知，当L1=C1(RL/2)2时，频响曲线正好平滑。由于相关参数较难精确符合此式，粗略符合即可。经实测，当L1 = L2 = 22uH, C1 = C2 = 1uF, RL = 8ohm时测试基本无问题。

2.2、喇叭负载
如果用负载为喇叭来测试，由于喇叭可等效为电感和电阻的串联，即如下图：

图13. 负载为喇叭或R、L串联

此时，L1 = L2 = C1(RL/2)2 = C2(RL/2)2 , Rs = RL, Cs = Ls/(R2)
即能消除喇叭负载的感性而使频响曲线平滑。

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