PCB设计D类放大器设计和PCB布局

2020-11-16

PCB设计中放大器可以有各种形状和尺寸，具体取决于其带宽，功耗和许多其他因素。D类放大器设计通常与高保真音频系统一起使用，并且D类放大器的电路在原理图中构建起来不太困难。如果您从未使用过D类放大器，或者您正在寻找有趣的音频项目，请遵循以下PCB布局。

一个简单的D类放大器设计原型

我将在这里展示的电路板在原理图中比在布局中更为复杂，但是您可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电感器TPA3138D2 D类音频放大器。我将显示的布局类似于该组件的分线模块，但是有些区别将有助于确保噪声抑制和EMC。此外，接线板上的香蕉夹插孔已由标准的3.5毫米音频插孔取代。

原理图

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

零件选择

除了主TPA3138D2立体声D类扬声器放大器之外，在继续进行PCB布局之前，无需执行许多特殊步骤。我们需要做的第一件事是从“制造商零件搜索”面板中获取TPA3138D2组件。从这里开始，我们可以将其直接放置在空白原理图中，并开始在设备中添加其他无源器件。

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

应该选择其他无源器件来处理适当的功率输出（电阻器）和具有适当电容的电压。由于我们不必担心该放大器的极高频率，因此可以使用电解电容器。

代号

就分配指示符而言，您应尝试使它们保持井井有条，尤其是在项目中要使用多个图纸的情况下。我将开始在原理图的左上角分配参考标记，然后沿图纸对角线进行操作。如果要在更广泛的系统中使用此电路，也可以用一些指向其他工作表的端口替换连接器。

差分输出

如果仔细观察原理图，您会注意到左右输出是差分对。在这里，如果我们需要对多个差分信号应用大量的设计规则，则可以放置一个差分对指令。由于我们不担心阻抗控制的布线，因此在此将其省略。我们只需要确保这些信号的长度匹配即可，这很容易在PCB布局中完成。

功率

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

PCB布局

尽管原理图看起来有些拥挤，但需要仔细放置和布线的主要组件是TPA3138D2，以及走线到我们输入/输出连接器的走线。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电平噪声。

由于我们处理的不是极高的速度（慢速PWM信号的带宽最高只能达到〜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。

电源：在内部层上使用连续的接地平面，并使平面远离PC板的边缘。对于该板，您可以使用电源板，但是我们的电流不是很高，因此没有必要。取而代之的是，我将使用一些较粗的走线来将功率从电源接头连接到组件，并将功率从放大器输出路由到扬声器连接器。

布线：保持放大器到扬声器的输出走线尽可能短。这些走线和扬声器导线将是最大的辐射EMI来源。

帽：在这种类型的低速设计的，正常的建议是使用1 nF的低ESR的上限附近的TPA3138D2 IC受潮地面反弹，使寄生电感最小。TPA3138D2芯片左上部分的PVCC引脚输入上有两个大电容器（0.1 mF / 50 V）（见图1）。可以使用径向电容器，以使其占用较小的电路板空间。对于PWM信号及其瞬态引起的中频噪声，您还可以使用一个0.1 µF电容，该电容应尽可能靠近PVCC引线放置。

寄生：在这里，我们主要担心将关键迹线的环路电感保持在较小水平。这是使用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所帮助，但是TPA3138D2足够大，可以在其上放置一个小的散热器。

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）。我使用的策略是将输出连接器放在电路板的边缘，然后向后移至电源端口。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线，并在它们周围放置了其他无源元件。最后，我将电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，因为它离音频输出走线很远。

图3. 3D中的成品组件布置。

在图4中，您将找到2D PCB布局。该评估板设计为两层，包括多个多边形，可为放大器部分供电。在此评估板上，使用多边形浇注将最粗的走线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，为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区域。这些走线对板子来说有点过大，但是该板子会承载高功率，因此可以选择较大的走线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电平，因此输入端的走线要小得多。