PCB设计D类放大器设计和PCB布局

2020-11-16

PCB设计中放大器可(kě)以有(yǒu)各种形状和尺寸，具體(tǐ)取决于其带宽，功耗和许多(duō)其他(tā)因素。D类放大器设计通常与高保真音频系统一起使用(yòng)，并且D类放大器的電(diàn)路在原理(lǐ)图中构建起来不太困难。如果您从未使用(yòng)过D类放大器，或者您正在寻找有(yǒu)趣的音频项目，请遵循以下PCB布局。

一个简单的D类放大器设计原型

我将在这里展示的電(diàn)路板在原理(lǐ)图中比在布局中更為(wèi)复杂，但是您可(kě)以从另一个经过验证的设计中创建。该评估板的核心组件是无電(diàn)感器TPA3138D2 D类音频放大器。我将显示的布局类似于该组件的分(fēn)線(xiàn)模块，但是有(yǒu)些區(qū)别将有(yǒu)助于确保噪声抑制和EMC。此外，接線(xiàn)板上的香蕉夹插孔已由标准的3.5毫米音频插孔取代。

原理(lǐ)图

该原理(lǐ)图具有(yǒu)围绕单个IC聚集的许多(duō)组件，如下图1所示。在这种类型的布置中，可(kě)以等到原理(lǐ)图完成后再分(fēn)配参考代号。因此，原理(lǐ)图中组件下方有(yǒu)红色误差線(xiàn)。只需忽略这些，就可(kě)以了，在您分(fēn)配了唯一的指示符之后，它们将消失。

零件选择

除了主TPA3138D2立體(tǐ)声D类扬声器放大器之外，在继续进行PCB布局之前，无需执行许多(duō)特殊步骤。我们需要做的第一件事是从“制造商(shāng)零件搜索”面板中获取TPA3138D2组件。从这里开始，我们可(kě)以将其直接放置在空白原理(lǐ)图中，并开始在设备中添加其他(tā)无源器件。

图2.在Altium Designer的“制造商(shāng)零件搜索”面板中找到TPA3138D2。

应该选择其他(tā)无源器件来处理(lǐ)适当的功率输出（電(diàn)阻器）和具有(yǒu)适当電(diàn)容的電(diàn)压。由于我们不必担心该放大器的极高频率，因此可(kě)以使用(yòng)電(diàn)解電(diàn)容器。

代号

就分(fēn)配指示符而言，您应尝试使它们保持井井有(yǒu)条，尤其是在项目中要使用(yòng)多(duō)个图纸的情况下。我将开始在原理(lǐ)图的左上角分(fēn)配参考标记，然后沿图纸对角線(xiàn)进行操作。如果要在更广泛的系统中使用(yòng)此電(diàn)路，也可(kě)以用(yòng)一些指向其他(tā)工作表的端口替换连接器。

差分(fēn)输出

如果仔细观察原理(lǐ)图，您会注意到左右输出是差分(fēn)对。在这里，如果我们需要对多(duō)个差分(fēn)信号应用(yòng)大量的设计规则，则可(kě)以放置一个差分(fēn)对指令。由于我们不担心阻抗控制的布線(xiàn)，因此在此将其省略。我们只需要确保这些信号的長(cháng)度匹配即可(kě)，这很(hěn)容易在PCB布局中完成。

功率

您会在这里注意到，我没有(yǒu)在此板上放置功率调节。不过，只要可(kě)以提供TPA3138D2数据表中指定的最大18.5 W最大输出功率，就可(kě)以在原理(lǐ)图中添加功率调节器。您可(kě)以在其他(tā)原理(lǐ)图中添加一个简单的電(diàn)源调节器单元，然后将其导入板中以提供5 V電(diàn)源。在该板上，我将通过引脚接头增加電(diàn)源，以使事情变得简单。

PCB布局

尽管原理(lǐ)图看起来有(yǒu)些拥挤，但需要仔细放置和布線(xiàn)的主要组件是TPA3138D2，以及走線(xiàn)到我们输入/输出连接器的走線(xiàn)。在开始布局之前，我们需要遵守一些重要的EMC规则，以防止向连接到此板的扬声器输出低電(diàn)平噪声。

由于我们处理(lǐ)的不是极高的速度（慢速PWM信号的带宽最高只能(néng)达到〜1 MHz），因此在规划PCB布局时应遵循一些标准的PI，EMI和EMC准则。

電(diàn)源：在内部层上使用(yòng)连续的接地平面，并使平面遠(yuǎn)离PC板的边缘。对于该板，您可(kě)以使用(yòng)電(diàn)源板，但是我们的電(diàn)流不是很(hěn)高，因此没有(yǒu)必要。取而代之的是，我将使用(yòng)一些较粗的走線(xiàn)来将功率从電(diàn)源接头连接到组件，并将功率从放大器输出路由到扬声器连接器。

布線(xiàn)：保持放大器到扬声器的输出走線(xiàn)尽可(kě)能(néng)短。这些走線(xiàn)和扬声器导線(xiàn)将是最大的辐射EMI来源。

帽：在这种类型的低速设计的，正常的建议是使用(yòng)1 nF的低ESR的上限附近的TPA3138D2 IC受潮地面反弹，使寄生電(diàn)感最小(xiǎo)。TPA3138D2芯片左上部分(fēn)的PVCC引脚输入上有(yǒu)两个大電(diàn)容器（0.1 mF / 50 V）（见图1）。可(kě)以使用(yòng)径向電(diàn)容器，以使其占用(yòng)较小(xiǎo)的電(diàn)路板空间。对于PWM信号及其瞬态引起的中频噪声，您还可(kě)以使用(yòng)一个0.1 µF電(diàn)容，该電(diàn)容应尽可(kě)能(néng)靠近PVCC引線(xiàn)放置。

寄生：在这里，我们主要担心将关键迹線(xiàn)的环路電(diàn)感保持在较小(xiǎo)水平。这是使用(yòng)连续接地并将扬声器输出放置在靠近放大器的另一个原因。

散热片：在4或8欧姆（标准扬声器阻抗）和额定功率输出下，您需要制定散热策略。将接地层放在模块下方会有(yǒu)所帮助，但是TPA3138D2足够大，可(kě)以在其上放置一个小(xiǎo)的散热器。

下面的图3显示了3D的最终布局（在PCB编辑器打开的情况下，通过在键盘上按“ 3”来访问此布局）。我使用(yòng)的策略是将输出连接器放在電(diàn)路板的边缘，然后向后移至電(diàn)源端口。放置输出连接器后，我放置了TPA3138D2放大器，在放大器和扬声器输出之间布置了走線(xiàn)，并在它们周围放置了其他(tā)无源元件。最后，我将電(diàn)源连接保持在板子的左下方。如果您想包括一个板载开关稳压器，那么这将是一个不错的选择，因為(wèi)它离音频输出走線(xiàn)很(hěn)遠(yuǎn)。

图3. 3D中的成品组件布置。

在图4中，您将找到2D PCB布局。该评估板设计為(wèi)两层，包括多(duō)个多(duō)边形，可(kě)為(wèi)放大器部分(fēn)供電(diàn)。在此评估板上，使用(yòng)多(duō)边形浇注将最粗的走線(xiàn)路由至扬声器输出是最简单的。底层包含一个坚固的接地层，并且在布局中放置了多(duō)个导通栅栏，以在板的左侧和右侧之间提供一定的隔离。您会注意到，顶层也被地面填充，為(wèi)输入音频信号提供屏蔽。

图4. D类放大器设计的PCB布局。

需要注意的一点是通向输出连接器的较大的铜填充區(qū)域。这些走線(xiàn)对板子来说有(yǒu)点过大，但是该板子会承载高功率，因此可(kě)以选择较大的走線(xiàn)来帮助保持较低的温度。相反，由于我们假设输入信号将是一个相当低的電(diàn)平，因此输入端的走線(xiàn)要小(xiǎo)得多(duō)。