D類(lèi)功放IC外圍設計與板級Layout

1. D類(lèi)功放IC電源、地線(xiàn)

1.1電源端的設計

D類(lèi)功放IC電源端的設計通�？刹捎靡韵聝煞N方式。

圖1. 電源端設計示意圖一

 圖2. 電源端設計示意圖二

適當的電源旁路電容能濾除高頻，如上圖PVDD旁的C3和AVDD旁的C2。旁路電容應該盡可能靠近D類(lèi)功放IC芯片引腳放置。

另外，對于整個(gè)系統，比較好的做法是，模擬電源應從大電容端單獨提供，如圖2，而不是就近從PVDD提供，以防PVDD的紋波影響模擬電路。而不同的地在有必要時(shí)也需進(jìn)行適當隔離。

1.2D類(lèi)功放IC電源設計

通常便攜式產(chǎn)品會(huì )用到DC-DC的方式來(lái)提供電源。有時(shí)，DC-DC部分的設計不當，導致電源紋波過(guò)大，浪涌過(guò)大，會(huì )直接影響D類(lèi)功放IC芯片的正常工作，甚至燒毀芯片（通常的現象是某個(gè)通道的輸出管腳燒壞，如表現為二極管特性消失）。

2．D類(lèi)功放IC音頻輸入端

2.1接入方式

單端輸入：即INL+和INR+（如果是單通道，則只有一個(gè)IN+）接至輸入前級的兩個(gè)正端（如果是單通道，則只接一個(gè)通道），INL-和INR-并聯(lián)至輸入前級的地。而INL-和INR-都接至功放的公共地。

D類(lèi)功放IC差分方式：要求輸入前級也是差分輸出，即每個(gè)通道有正負兩端，正好接入功放對應通道的正負端。

D類(lèi)功放IC“偽差分”方式：由于現階段一般的低端音頻設備都是采用單端的輸出方式，而我們的D類(lèi)功放IC多采用差分輸入方式。其與上述單端輸入接法一致，即輸入前級的兩個(gè)正端接至INR+和INL+，輸入前級的地接至INL-和INR-，不同的是，INL-與INR-并不接至D類(lèi)功放IC的公共地。 

圖3. 單端輸入方式與“偽差分”輸入方式

如上圖3，若把R3短接，即為上述所說(shuō)的單端輸入方式；而若把R3斷開(kāi)，則為“偽差分”輸入方式。

一般而言，差分輸入方式是最佳的輸入方式，理論上能去除所有共模噪聲。而由于現階段一般的低端音頻設備都是采用單端的輸出方式，從而只能采用上面說(shuō)的“偽差分”輸入方式。一般的噪聲問(wèn)題使用“偽差分”輸入方式能有效改善，除非干擾過(guò)大而超過(guò)了差分輸入的抑制極限（由于差分輸入方式很難使差分的兩端完全一致，所以抑制共模噪聲的能力是有限制的）�？偠�言之，需要綜合考慮應用情況，來(lái)確定輸入端使用的接入方式。

       Note: 很多兩線(xiàn)的電源（即浮地產(chǎn)品）的地線(xiàn)對三相電大地存在壓差，有些劣質(zhì)產(chǎn)品其壓差能達到上百伏。如果用這樣的劣質(zhì)產(chǎn)品作為D類(lèi)功放IC的電源，當音頻輸入為三相供電的接地產(chǎn)品時(shí)，其壓差是一個(gè)非常大的干擾源，此時(shí)的“偽差分”輸入方式改善噪聲已較困難。

2.2D類(lèi)功放IC接入線(xiàn)

即音頻輸入線(xiàn)，有必要時(shí)，使用屏蔽線(xiàn)、縮短線(xiàn)長(cháng)等都能改善噪聲問(wèn)題，而屏蔽線(xiàn)中屏蔽網(wǎng)的接法也需要根據實(shí)際應用情況仔細考慮。

2.3D類(lèi)功放IC電阻匹配RIN+-

在信號輸入的正負端（IN+和IN-間）加一個(gè)RIN+- 電阻，可以有效降低相關(guān)噪聲，如下圖4的R1(下圖是單端輸入方式，“偽差分”輸入方式時(shí)也適用)：

圖4. 電阻匹配RIN+-

RIN+-的推薦值是1K，增大該值會(huì )略微增大音量，但也會(huì )是降低噪聲的能力減弱，減小該值則相反。

2.4D類(lèi)功放IC輸入電容CIN

關(guān)注低頻的用戶(hù)可以考慮使用鉭電容或鋁電解電容作為輸入電容，陶瓷電容等高電壓系數的電容可能會(huì )導致低頻失真加劇。

2.5D類(lèi)功放IC輸入濾波器衰減低頻

通常，使用1uF的輸入電容CIN能夠滿(mǎn)足應用需求，然而，由于客戶(hù)使用喇叭情況的各異，有時(shí)需要不同處理。特別是有些客戶(hù)在低端應用中使用的喇叭，對低頻音樂(lè )的響應度不好，容易在低音音樂(lè )段出現音質(zhì)問(wèn)題，權衡的處理方式是把輸入的音樂(lè )信號中的低頻進(jìn)行一定的衰減，以使喇叭能夠勝任相應的低頻響度。

我們推薦的輸入音樂(lè )衰減方式主要是在輸入端加入濾波器，以對低頻進(jìn)行不同程度的衰減，主要有以下幾種方式：

減小輸入電容CIN。我們推薦的輸入電容是1uF，在衰減低頻的情況下，可以將其減小至0.1uF甚至1nF，主要視客戶(hù)具體情況；

將輸入端接法改為如下圖5（列出右聲道，左聲道同樣處理），相關(guān)值需視具體情況微調；

圖5. 音頻輸入端電路1

將輸入端接法改為如下圖6（列出右聲道，左聲道同樣處理），相關(guān)值需視具體情況微調；

圖6. 音頻輸入端電路2

2.6輸入信號

需考慮音源輸入的幅度不能過(guò)大，否則可能引起輸出信號的破音，且導致D類(lèi)功放IC芯片損傷。

3．音頻輸出端

3.1輸出濾波器

一般而言，輸出端可直接接上負載。如果輸出端的輸出線(xiàn)較長(cháng)，或者對EMI的要求較高，則可選擇添置鐵氧體磁珠或LC濾波器。

如果選擇鐵氧體磁珠，其高頻時(shí)需有高阻抗（Z(100MHz) 100Ω以上）、低頻時(shí)有低阻抗，額定電流也是需要考慮的參數之一（2A左右）。推薦：MPZ1608S221A，具體參數為：Z100MHz=220Ω, IMax=2.2A, RDC=0.05Ω.

圖7. 輸出端接鐵氧體磁珠

如果選擇LC濾波器，其低通截止頻率一般略大于20kHz。

圖8. 輸出端接LC濾波器

布板時(shí)，磁珠（電感）、電容緊靠芯片輸出管腳放置，盡量減短輸出管腳到磁珠（電感）的布線(xiàn)長(cháng)度，且布線(xiàn)應盡量短而寬，盡量無(wú)彎角。

3.2輸出Snubber電路與肖特基二極管（壓敏電阻）的設計

如果電源電壓較大，紋波較嚴重，浪涌較大，或者輸入信號較大時(shí)，有必要在輸出端加入Snubber電路（RC網(wǎng)絡(luò )）和肖特基二極管(或壓敏電阻)，以防輸出端燒壞，亦有助于提高系統整機的ESD測試等級。電路如下圖：

圖9. Snubber電路與肖特基二極管

 圖10. Snubber電路與壓敏電阻

4．D類(lèi)功放IC其他外圍設計

4.1 Pop聲

D類(lèi)功放IC內部集成有Pop噪聲抑制電路，專(zhuān)門(mén)抑制上電／掉電／待機／恢復等轉換中出現的Pop噪聲。

不過(guò)，即便如此，pop聲還是無(wú)法徹底消除，特別是在上電時(shí)。若系統中存在MCU等控制芯片，則可通過(guò)軟件方式很好的將pop聲降到0：芯片上電時(shí)，一直啟動(dòng)Mute功能，等穩定（一般在200ms）以后，再關(guān)閉Mute功能；而在斷電時(shí)，先啟動(dòng)Mute功能，再斷電。

4.2D類(lèi)功放IC散熱設計

HT設計的D類(lèi)功放IC其封裝底部一般會(huì )帶有一個(gè)散熱裸焊盤(pán)。該焊盤(pán)提供一個(gè)從管芯到PCB的導熱通路，從而降低了封裝熱阻，一般使用一個(gè)大焊盤(pán)并通過(guò)多個(gè)孔將散熱裸焊盤(pán)連接到地平面。裸焊盤(pán)是IC散熱的主要途徑，芯片底部的裸焊盤(pán)、PCB及其覆銅層構成了D類(lèi)放大器的主要散熱通道。將裸焊盤(pán)焊接在一個(gè)較大的覆銅區域，應盡可能擴大該覆銅區域與D類(lèi)放大器及其它器件之間的覆銅面積，這些連線(xiàn)須具有相同電位。連線(xiàn)應盡可能寬，每個(gè)通路都會(huì )影響到系統的整體散熱能力。與裸焊盤(pán)連接的覆銅區域應通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接到PCB另一層的覆銅區。在滿(mǎn)足系統信號通路限制的條件下，應盡量擴大由過(guò)孔連接的另一層的覆銅面積。另外，盡可能加寬器件的所有引線(xiàn)，是改善器件散熱的另一途徑。雖然IC引腳不是主要的散熱通道，只能提供少量散熱（最多可以改善10%的散熱能力），但卻可以從根本上解決系統的散熱問(wèn)題，使系統的熱性能指標達到可以接受的水平。如果系統工作在較高的環(huán)境溫度下，可能需要添加額外的散熱器，以改善PCB的散熱能力。為了獲得最佳性能，散熱器的熱阻必須保持在最小值。借助芯片底部的裸焊盤(pán)，具有最低熱阻的通道位于PCB的底層。IC頂部對于器件散熱沒(méi)有明顯影響，因此，不是安裝散熱器的理想位置。

4.3 WLCSP封裝貼片注意事項

某些D類(lèi)功放IC產(chǎn)品采用WLCSP封裝，此封裝技術(shù)在縮小芯片體積的同時(shí)，也存在相對容易損壞的隱患。芯片正面（引腳面）為裸片外加PI保護膜，容易損壞；芯片背面（引腳反面）未加背膠（一般產(chǎn)品均不帶，否則容易出現靜電問(wèn)題），SMT時(shí)有必要加裝緩震裝置，以避免較大程度的碰到。

常規測試

1．功率測試

圖11. 音頻功放測試示意圖

免濾波D類(lèi)功放IC的測試（我公司標稱(chēng)的功率測試方式）采用如上方式，其中RL為負載。免濾波D類(lèi)功放IC采用的調制方案無(wú)需濾波器便能正常工作，但在做相關(guān)測試時(shí)，由于大多數分析儀、測試儀無(wú)法正確處理快速變化的方波信號，需要在后端接入濾波器再接入分析儀，使得分析儀能正確測試。濾波器可以使用專(zhuān)業(yè)的音頻濾波器，也可以使用簡(jiǎn)單的RC、LC低通濾波器。如上圖11，采用的是LC低通濾波器，由于分析儀內阻很大，電感的阻值可忽略。

測試功率時(shí)，輸入1KHz正弦波，幅度逐漸增大，直至THD = 10%，此時(shí)的輸出功率即為我公司標稱(chēng)的功率。

鑒于無(wú)音頻測試儀測試其功率的個(gè)別情況，建議使用示波器粗略估測。估測方法如下：

由于功率一般是指輸入1KHz信號在THD=10%時(shí)輸出的功率，可使用一定幅值的1KHz正弦波輸入功放，按圖11的方式接負載（用示波器替換音頻測試儀），觀(guān)察示波器波形。然后調節輸入1KHz正弦波的幅值，使輸出波形發(fā)生削頂。此時(shí)輸出波形的周期應為1ms，在調節輸入幅值的過(guò)程中測量其削頂寬度，使其正半周和負半周波形的削頂寬度皆為200±20 μs，記下此時(shí)電壓有效值及負載，核算其功率即可。

2．頻響測試

由于濾波器的存在，如果想得到較為真實(shí)的頻響曲線(xiàn)，需要根據不同情況做不同的測試處理。

2.1純電阻負載

如果負載用純電阻來(lái)測試，如下圖：

圖12. 負載為存電阻

此時(shí)，可將系統看作二階系統，由相關(guān)知識可知，當L1=C1(RL/2)2時(shí)，頻響曲線(xiàn)正好平滑。由于相關(guān)參數較難精確符合此式，粗略符合即可。經(jīng)實(shí)測，當L1 = L2 = 22uH, C1 = C2 = 1uF, RL = 8ohm時(shí)測試基本無(wú)問(wèn)題。

2.2喇叭負載

如果用負載為喇叭來(lái)測試，由于喇叭可等效為電感和電阻的串聯(lián)，即如下圖： 

圖13. 負載為喇叭或R、L串聯(lián)

此時(shí)，L1 = L2 = C1(RL/2)2 = C2(RL/2)2 , Rs = RL, Cs = Ls/(R2)

即能消除喇叭負載的感性而使頻響曲線(xiàn)平滑。

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