PCB設計D類(lèi)放大器設計和PCB布局

2020-11-16

PCB設計中放大器可以有各種形狀和尺寸，具體取決于其帶寬，功耗和許多其他因素。D類(lèi)放大器設計通常與高保真音頻系統一起使用，并且D類(lèi)放大器的電路在原理圖中構建起來(lái)不太困難。如果您從未使用過(guò)D類(lèi)放大器，或者您正在尋找有趣的音頻項目，請遵循以下PCB布局。

一個(gè)簡(jiǎn)單的D類(lèi)放大器設計原型

我將在這里展示的電路板在原理圖中比在布局中更為復雜，但是您可以從另一個(gè)經(jīng)過(guò)驗證的設計中創(chuàng )建。該評估板的核心組件是無(wú)電感器TPA3138D2 D類(lèi)音頻放大器。我將顯示的布局類(lèi)似于該組件的分線(xiàn)模塊，但是有些區別將有助于確保噪聲抑制和EMC。此外，接線(xiàn)板上的香蕉夾插孔已由標準的3.5毫米音頻插孔取代。

原理圖

該原理圖具有圍繞單個(gè)IC聚集的許多組件，如下圖1所示。在這種類(lèi)型的布置中，可以等到原理圖完成后再分配參考代號。因此，原理圖中組件下方有紅色誤差線(xiàn)。只需忽略這些，就可以了，在您分配了唯一的指示符之后，它們將消失。

零件選擇

除了主TPA3138D2立體聲D類(lèi)揚聲器放大器之外，在繼續進(jìn)行PCB布局之前，無(wú)需執行許多特殊步驟。我們需要做的第一件事是從“制造商零件搜索”面板中獲取TPA3138D2組件。從這里開(kāi)始，我們可以將其直接放置在空白原理圖中，并開(kāi)始在設備中添加其他無(wú)源器件。

圖2.在Altium Designer的“制造商零件搜索”面板中找到TPA3138D2。

應該選擇其他無(wú)源器件來(lái)處理適當的功率輸出（電阻器）和具有適當電容的電壓。由于我們不必擔心該放大器的極高頻率，因此可以使用電解電容器。

代號

就分配指示符而言，您應嘗試使它們保持井井有條，尤其是在項目中要使用多個(gè)圖紙的情況下。我將開(kāi)始在原理圖的左上角分配參考標記，然后沿圖紙對角線(xiàn)進(jìn)行操作。如果要在更廣泛的系統中使用此電路，也可以用一些指向其他工作表的端口替換連接器。

差分輸出

如果仔細觀(guān)察原理圖，您會(huì )注意到左右輸出是差分對。在這里，如果我們需要對多個(gè)差分信號應用大量的設計規則，則可以放置一個(gè)差分對指令。由于我們不擔心阻抗控制的布線(xiàn)，因此在此將其省略。我們只需要確保這些信號的長(cháng)度匹配即可，這很容易在PCB布局中完成。

功率

您會(huì )在這里注意到，我沒(méi)有在此板上放置功率調節。不過(guò)，只要可以提供TPA3138D2數據表中指定的最大18.5 W最大輸出功率，就可以在原理圖中添加功率調節器。您可以在其他原理圖中添加一個(gè)簡(jiǎn)單的電源調節器單元，然后將其導入板中以提供5 V電源。在該板上，我將通過(guò)引腳接頭增加電源，以使事情變得簡(jiǎn)單。

PCB布局

盡管原理圖看起來(lái)有些擁擠，但需要仔細放置和布線(xiàn)的主要組件是TPA3138D2，以及走線(xiàn)到我們輸入/輸出連接器的走線(xiàn)。在開(kāi)始布局之前，我們需要遵守一些重要的EMC規則，以防止向連接到此板的揚聲器輸出低電平噪聲。

由于我們處理的不是極高的速度（慢速PWM信號的帶寬最高只能達到?1 MHz），因此在規劃PCB布局時(shí)應遵循一些標準的PI，EMI和EMC準則。

電源：在內部層上使用連續的接地平面，并使平面遠離PC板的邊緣。對于該板，您可以使用電源板，但是我們的電流不是很高，因此沒(méi)有必要。取而代之的是，我將使用一些較粗的走線(xiàn)來(lái)將功率從電源接頭連接到組件，并將功率從放大器輸出路由到揚聲器連接器。

布線(xiàn)：保持放大器到揚聲器的輸出走線(xiàn)盡可能短。這些走線(xiàn)和揚聲器導線(xiàn)將是最大的輻射EMI來(lái)源。

帽：在這種類(lèi)型的低速設計的，正常的建議是使用1 nF的低ESR的上限附近的TPA3138D2 IC受潮地面反彈，使寄生電感最小。TPA3138D2芯片左上部分的PVCC引腳輸入上有兩個(gè)大電容器（0.1 mF / 50 V）（見(jiàn)圖1）?？梢允褂脧较螂娙萜?，以使其占用較小的電路板空間。對于PWM信號及其瞬態(tài)引起的中頻噪聲，您還可以使用一個(gè)0.1 μF電容，該電容應盡可能靠近PVCC引線(xiàn)放置。

寄生：在這里，我們主要擔心將關(guān)鍵跡線(xiàn)的環(huán)路電感保持在較小水平。這是使用連續接地并將揚聲器輸出放置在靠近放大器的另一個(gè)原因。

散熱片：在4或8歐姆（標準揚聲器阻抗）和額定功率輸出下，您需要制定散熱策略。將接地層放在模塊下方會(huì )有所幫助，但是TPA3138D2足夠大，可以在其上放置一個(gè)小的散熱器。

下面的圖3顯示了3D的最終布局（在PCB編輯器打開(kāi)的情況下，通過(guò)在鍵盤(pán)上按“ 3”來(lái)訪(fǎng)問(wèn)此布局）。我使用的策略是將輸出連接器放在電路板的邊緣，然后向后移至電源端口。放置輸出連接器后，我放置了TPA3138D2放大器，在放大器和揚聲器輸出之間布置了走線(xiàn)，并在它們周?chē)胖昧似渌麩o(wú)源元件。最后，我將電源連接保持在板子的左下方。如果您想包括一個(gè)板載開(kāi)關(guān)穩壓器，那么這將是一個(gè)不錯的選擇，因為它離音頻輸出走線(xiàn)很遠。

圖3. 3D中的成品組件布置。

在圖4中，您將找到2D PCB布局。該評估板設計為兩層，包括多個(gè)多邊形，可為放大器部分供電。在此評估板上，使用多邊形澆注將最粗的走線(xiàn)路由至揚聲器輸出是最簡(jiǎn)單的。底層包含一個(gè)堅固的接地層，并且在布局中放置了多個(gè)導通柵欄，以在板的左側和右側之間提供一定的隔離。您會(huì )注意到，頂層也被地面填充，為輸入音頻信號提供屏蔽。

圖4. D類(lèi)放大器設計的PCB布局。

需要注意的一點(diǎn)是通向輸出連接器的較大的銅填充區域。這些走線(xiàn)對板子來(lái)說(shuō)有點(diǎn)過(guò)大，但是該板子會(huì )承載高功率，因此可以選擇較大的走線(xiàn)來(lái)幫助保持較低的溫度。相反，由于我們假設輸入信號將是一個(gè)相當低的電平，因此輸入端的走線(xiàn)要小得多。