TPA311x功放噪声分析控制及TPA3116D2中文资料与引脚图等 -

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作者: yxw713 时间: 2018-8-2 11:26
标题: TPA311x功放噪声分析控制及TPA3116D2中文资料与引脚图等
TPA31xxD2引脚图：

TPA3116D2 具有AM 干扰抑制功能的15W、30W、50W
无滤波器D类立体声放大器系列

特性
支持多种输出配置
21V 电压、4Ω 桥接负载 (BTL) 负载条件下的功率为 2 × 50W (TPA3116D2)
24V 电压、8Ω BTL 负载条件下的功率为 2 × 30W (TPA3118D2)
15V 电压、8Ω BTL 负载条件下的功率为 2 × 15W (TPA3130D2)
宽电压范围：4.5V 至 26V高效 D 类运行
兼具 > 90% 的功率效率与低空闲损耗特性，大幅减小了散热器尺寸
高级调制系统配置，多重开关频率，AM 干扰防止，主从模式同步
高达 1.2MHz 的切换频率
采用具有高 PSRR 的反馈功率级架构，降低了 PSU 需求
可编程功率限制，差分和单端输入
立体声模式和单声道模式（采用单滤波器单声道配置）
由单电源供电运行，减少了元件数量
集成了具有错误报告功能的自保护电路，其中包括过压、欠压、过热、直流检测和短路等保护，耐热增强型封装
DAD（32 位引脚散热薄型小外形尺寸 (HTSSOP) 封装，焊盘朝上）
DAP（32 位 HTSSOP 封装，焊盘朝下）
-40°C 至 85°C 环境温度范围

应用
小型-微型组件、扬声器、扩展坞底座
汽车售后
阴极射线管 (CRT) TV
消费类音频应用

说明
TPA31xxD2 系列器件是用于驱动扬声器的高效立体声数字放大器功率级，单声道模式下的驱动功率高达 100W/2Ω。 TPA3130D2 的效率非常高，无需外部散热器即可在单层 PCB 板上提供 2 × 15W 的功率。 TPA3118D2 甚至可以在不使用外部散热器的情况下在双层 PCB 上提供 2 × 30W/8Ω 的功率。如果需要更高的功率，可以选用 TPA3116D2，这款器件在其顶层 PowerPAD 上连接一个小型散热器后可提供 2 × 50W/4Ω 的功率。所有这三款器件均使用同一种封装，这样一来，使用同一个 PCB 板即可满足不同功率级的需求。
TPA31xxD2 高级振荡器/PLL 电路采用多开关频率选项来抑制 AM 干扰；搭配使用主从模式选项时，还可使多个器件实现同步。
TPA31xxD2 器件针对短路、过热、过压、欠压和直流等故障提供了全面保护。在过载情况下，器件会将故障情况报告给处理器，从而避免自身遭到损坏。

TPA311x 系列模拟输入音频功放是德州仪器半导体公司（Texas Instruments）推出的中小功率的 Class D 音频功放产品。该产品具有 SpeakerGuard™保护功能及优秀的 EMI 性能。非常适合在在平板电视、iPhone Docking 等产品中使用。本文结合实际应用分析了常见 POP 声的原理及解决方案。

启动和关闭时序
为了优化开关机的 POP 声和避免 DC Detect 功能的误触发，在系统设计时需要注意主芯片和TPA311x 器件的启动时序。启动时序分为电源时序和使能时序两种，电源时序是指系统中各种芯片电源供电或断电的时序。而使能时序可理解为系统供电稳定后由系统主控决定的器件功能使能的先后次序。
对于电源时序来说，由于多数主芯片的音频输出在上电和断电过程中不太稳定，理想的上电次序是系统主芯片先于 TPA311x 上电。然后 TPA311x 的 PVCC 再供电。断电的理想时序正好相反，为 TPA311x 的电源先切断，然后再切断主控芯片的供电。
但是通常 TPA311x 的 PVCC 取自于系统的主电源，该电源一般在开机后最先输出。随后再通过DC/DC 或 LDO 降压给主芯片供电。所以 TPA311x 一般在主芯片稳定前已经供电并启动。这种设计中，上电时必须保证 TPA311x 的/SD 脚处于拉低状态，避免主芯片上电过程中的 POP 声输出。掉电时，也需要将 TPA311x 置于 standby 状态，避免主芯片掉电时的 POP 声输出。通常上电过程的 POP 声较容易解决，但系统掉电时需要使用掉电检测电路（详见 2.6.2 节）来强制将TPA311x 的/SD 快速拉低来解决掉电 POP 声的问题。

使能时序：由于主芯片音频模拟输出的偏置电压一般在输出使能后建立，此时需要保持 TPA311x的/SD 拉低，等待主芯片模拟输出的偏置电压稳定后才可以将/SD 置高开启功放。相反，需要关闭主芯片音频模拟输出功能时，需要先拉低/SD 将功放关闭后，再关闭主芯片的模拟输出信号。这样的时序是为了保证主芯片模拟输出的偏置电压掉电时不会引起 POP 声。
2.2 输入级模型
TPA311x 是单电源供电的模拟输入 Class D 功放，这类功放的模拟输入必须工作在直流偏置（DC BIAS）点上才可以正常传输交流音频信号，简化的输入级模型如图 2 所示。TPA311x 的直流偏置电压设定在 3V。

功放在启动时，偏置电压会从 0V 上升到额定的偏置电压，该过程的时间长短取决于内部偏置电压源对外部阻抗网络的充电速度。

TPA311x 差分输入 INN 和 INP 的输入偏置电压建立的过程如图 3 所示，若差分输入 N 和 P 端的输入偏置电压建立速度不一样（如图 2A 所示）则两者之差会形成差分信号输入功放并被放大输出，形成启动时的 POP 声。差分输入端偏置电压建立过程的不平衡通常是因为输入级 INN 和 INP外部的阻抗不匹配所致。这种情况最容易出现在差分输入用作单端输入状态。
2.3 TPA311x 的单端输入方式
TPA311x 器件的模拟输入是标准的差分输入接口。在系统设计中，推荐使用差分输入方式来接驳主芯片的音频输出。使用差分输入方式可以不仅 POP 声的控制相对简单、信号抗干扰能力强，而且不会引起 DC Detection 功能的误动作。差分输入方式和单端输入方式的对比如下表所示：

不过在实际应用中，由于多数主芯片的音频模拟输出是单端模式， TPA311x 的差分输入必须配置为单端接法才能使用。如图 4 所示，单端输入时，主芯片输出通过耦合电容连接功放 INP 脚。INN 输入通过电容耦合到地即可。

使用单端输入模式时需注意以下几点：1. 单端输入模式应用时需要更加注意音频信号的走线和地平面的分布，因为单端输入模式没有能力抑制系统中的公模干扰信号。2. 相比差分信号输入模式下，单端输入，需要输入两倍的输入信号电平来达到相同的输出功率。3. 单端输入模式必须注意 P/N 脚电路网络的阻抗匹配，尽量不要在输入级使用复杂的滤波网络。不合适的阻抗网络不仅会引起开关机的 POP 声，也有可能引起 DC Detection 功能的误触发，导致功放锁死。若必须在输入级进行滤波或增益设置，请参考 2.5 节使用运放来进行滤波及增益的调节。2.4 输入阻抗网络的匹配若使用单端输入的方式连接 TPA311x，则必须注意输入阻抗网络的匹配问题。如图 5 所示，功放的 INN 输入端外部阻抗为 Zn，通常 Zn 为耦合电容。主芯片输出阻抗一般很小，可认为输出阻抗为零，则 INP 输入端外部阻抗约为 Zp。功放启动时内部的偏置电压会逐步建立，其过程即为向Zn 和 Zp 阻抗网络充电的过程。若 Zn 和 Zp 阻抗相差太大，INN 和 INP 之间就会形成较大的差分信号，该差分信号被功放放大之后则形成 POP 声。TPA311x 功放设计的启动时间为 14mS，该时间是从/SD 被拉高到功放输出声音的时间。若上述启动时对输入阻抗网络的充电稳定时间少于 14mS，则因阻抗不匹配引起的差分输入也不会被放大而带来 POP 声的问题。减小 Zn 和 Zp 中的电容参数可以缩短输入级稳定时间，但减小电容会使得低频增益降低，用户需酌情考虑。

2.5 使用运放建立隔离系统
在某些系统中，主芯片的音频信号输出不仅需要连接到功放输入，还要输出到 Line Out（线路输出），或者其他的芯片进行处理。该种情况下输入级的网络比较复杂，单端输入模式的阻抗匹配不容易实现。为了解决这个问题，可以使用运放接成一个简单的跟随器来建立一个隔离的阻抗输入系统。跟随器的输入阻抗很高，对源信号没有影响。其输出阻抗非常低，可良好匹配 TPA311x的输入阻抗网络。
图 6 给出了使用跟随器来建立一个隔离的输入阻抗网络的电路。需要时，还可将运放用来调节信号增益及滤波。

2.6 TPA311X Pop 声分析及解决方案2.6.1 POP 的原因及调试方法TPA311x 的 Pop 声有两种可能的原因：输入阻抗不匹配及不合理的系统时序输入阻抗不匹配：输入阻抗不匹配会引起器件启动和关闭时差分输入端产生电压差，这种 POP 声是在/SD 电压变化时产生的，发生在 TPA311x 输入端的 Bias（偏置电压）的建立过程中。遵从 2.2 节匹配输入级阻抗网络的方法即可解决该种 POP 声。不合理的系统时序ZHCA4228 TPA311x 音频功放 POP 噪声分析及控制如 2.1 节所述，主芯片启动或关闭时，模拟输出的偏置电压也需要一个建立的过程，而且主芯片上电过程中也有可能输出不可控的 POP 声。所以在上电过程中，必须保证功放处于 Standby 状态下。避免将前级芯片产生的 POP 声放大输出到喇叭。POP 声的最终表现一样，但根本原因可能有不同，以下是推荐的查找 POP 声原因的调试方法：1. 隔离功放输入和主芯片输出；出现 POP 声后，首先要将主芯片的输出断开，并将功放输入电路部分通过电容交流短路到地。此时可以控制/SD 脚电平模拟开关机过程。若 POP 声仍然存在，则说明功放启动时 P/N 脚对外部网络的充电速度不一致，导致差分输入存在压差所致。若 POP 消失，则可进行下一步验证。2. 确认功放无输入情况下开关无 POP 声之后，可使用外部电源给主芯片供电。保持主芯片电源不切断是为了排除主芯片输出在掉电时产生 POP 声的影响。此时进行整个系统正常的开关机验证 POP 声。若 POP 声消除，则可判断主芯片掉电时序和功放的掉电时序不匹配，导致主芯片掉电时产生的 POP 声被功放放大输出。部分系统中电源并未完全关闭，系统有待机模式时可用待机芯片的 I/O 口进行时序的控制，若系统的开关机是电源硬关断模式则需要进行系统电源时序的优化。部分情况下，需要添加上电/掉电检测电路（详见 2.6.2 节）来控制 POP声。2.6.2 掉电检测电路在使用硬件开关直接关闭主电源的系统中，掉电时的 POP 声控制较为困难。因为该类系统无法提前预知系统掉电，无法在掉电之前使用控制器 I/O 口静音或关闭功放。这时就必须使用如图 7 所示的掉电检测电路来解决该问题。该电路可在系统电压跌落初期提供控制信号，使用该控制信号拉低/SD 脚即可在掉电初期快速关闭功放。掉电检测电路在正常供电时 PVCC 会通过二极管 D1 和电阻 R1 向 C1 大电容充电。掉电初期，Q1 的基极电压将随着 PVCC 的跌落降低，直到跌落到 Q1 三极管打开后，C1 的电压将通过 Q1送给 Q2 的基极，Q2 导通，/SD 被拉低。

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