TI 提供的闭环低物料清单 (BOM) 放大器解决方案(TPA3140 和 TAS5720)

大家好 我是来自张江研发中心的 Peter 曹 中文名是曹华 我们这个就是研发中心主要是设计 Class D 包括模拟输入和数字输入的 Class D 然后还有那个高性能的 ADC Class D 包括就是家庭音响 然后消费类的其它的一些领域 还有汽车音响 汽车 Class D 主要是这些方面的一些产品 然后我们的 Class D 就是从一开始就是闭环的放大器 从最开始的 Class D 到现在最新的这产品系列 我们的 PSRR 还有 THD 还有 loyge 都是做的越来越低 然后包括以下要讲的 就是 EMI 的一些性能都是在不断的得到提升 现在我先介绍一下我们的一些产品系列 这个PPT主要就是讲 Class D 我们这个中心的其他的产品 包括 ADC 和一些汽车 Class D 产品 等下会有其他同事来介绍 大家现在看到的就是两类 Class D 一类是模拟的 包括我们现在最新的就是极低 EMI 性能的 Class D TPA3140 它主要是定位在 10W 输出的一个功率级别的功放 和我们现在 TAS5760 基于 TAS5760 平台的一个闭环 Class D 和最新的 TAS5766的 Smart PA 这两类 Class D 都是闭环的 Class D 大家等下会看到它的 PSRR 和 THD+Noise都是非常优异的 然后模拟的 Class D 像 TPA3140、TPA3130和 TPA3118以及 TPA3116 它们主要的差异是在就是输出功率的等级 15W 到 50W 然后 TPA3140 主要是面向一些就是 10W 功率级别的应用 以及就是 EMI 要求能在一个比较低成本的一个外围的情况下 实现一个比较优异的 EMI 性能 现在我们介绍一些细节的东西 就是闭环 Class D 和开环 Class D 在电源纹波方面的一个区别 现在的测试条件就是评估纹波 测试条件是 Class D 的输入是一个 10kHz 的一个 audio 信号 然后电源的纹波是一个 1kHz 500mV 的 Vpp 的一个信号 然后我们在 output 测这两个信号的交调 大家可以看到橘红色的是我们的就是闭环功放的结果 然后那个灰色背景黑色的是开环的输出结果 结果可以看到交调分量 是闭环 Class D 是远低于开环 Class D 的 所以这个区别相当明显 大家可以看到就是 -50、-30dB 到 -65dB 的差别 大概有二三十 dB 的差别 所以这是在 PSRR 就是纹波方面的一个表现 就是闭环 Class D 然后就是我们通过一些在芯片自身方面的一些改进 来降低这个 EMC 大家可以看到这两个曲线是 EMC 的测试结果 就是黑色的 EMC 的结果和那个绿色的这个结果 我们 improve 了一个很典型的一个改善 然后就是闭环 Class D 它可以实现一个更快的一个收敛 从声音从有到无它的一个收敛 就是我们现在是用一个 80Hz 的一个低频信号去测量 现在看到那个收敛速度更快 这是我们的闭环 Class D 接下来给一个放大图 那可以看到闭环的结构对于信号 当然这个这个如果是大家觉得这个 fade-in 和 fade-out 那是另外一个 function 有的朋友可能会认为这个信号从无到从有 从有到无需要有一个 fade-out 和 fade-in 那是我们功放里面另外一个 function 但是我们作为一个功放无失真的去反应信号的话 我们在硬件结构上 我要保证它的收敛速度更快 然后在 THD 方面 闭环结构和开环结构 在输出是 3W 的时候 1kHz 输出 3W 的时候 大家可以看到这个开环的 Class D THD 基本上接近 1% 但是我们的闭环 Class D 在 0.1% 以下 这是一个典型的开环结构和闭环结构的一个 在 Audio Performance 方面的差别 那 THD+N 如果开环的话 0.15% 但是闭环同样是闭环结构的话 0.02% 刚才前面大家看到了 PSRR 方面的区别是很明显的 PSRR 开环结构小于 40dB 但是闭环结构是大于 60dB Crosstalk 就是一个比如说从左通道对右通道的影响 开环结构是 55dB 但是闭环结构是 80dB 这是开环结构和闭环结构在 performance 方面的一个主要的区别 三个方面 然后闭环结构还可以降低成本 刚才我们在门口有一个 demo 就是我们现在我们的 5760 的那个参考板 5760 的参考板上是没有那个大的电解电容的 刚才有的朋友看到了 就是为什么没有大的电解电容了 因为它的纹波抑制比是大于 80dB 刚才看到开环的 所以即使你的电源纹波差一点 我的 Audio 的性能依旧可以很好 因为闭环结构可以对这个纹波 就是器件本身会它的纹波进行一些抑制 所以到了我的输出端的时候 实际上的电源的纹波噪声对我的输出影响很小 但是如果我是开环结构的话 那我为了改善纹波 我就需要很多的就是大的电解电容 或者说比较昂贵的一些大容积的陶瓷电容 来改善这个电源 这样的话就是无形中会造成一些外围的成本 更重要的是会让我的 PCB layout 的面积会增加 这个 PPT 上写的是开环结构的一些外围元件可能要到 43 个 然后我们现在的 TAS5756 同样是一个闭环结构 是基于 5760 的一个闭环结构 加了一些 audio 的一些处理功能的一个 Class D 它的评估板上就只需要 27 个元件 省了成本 0.2 美金 然后我们现在的就是 Class D 分为两类 一类是模拟 一类是数字输入的 像数字输入的 我们是把 DAC 以及后面的放大器 还有 Class D 的 PWM 调制器 三个结合在一块 这样的话 就是大的降低了这个板上分立元件的数量 节省了 PCB 面积 就是张江 R&D 中心设计的就是 TAS5760 大家可以看到它的内部框图 就是 I2S DAC 然后 Digital Clipping 就是我们前面有其他同事介绍过 可以进行一些就是我们进行一些 speaker 的保护 我不想的输出过大损伤 speaker 或者说我可以设置一定的就是门限来保护它 我们可以在那个 Digital Clipper 在里面设置它的门限 然后这个 speaker 这个扬声器还提供了各种的保护 像 OT OC 就是 over current 过流保护、过压保护、过温保护这些保护的措施 这款芯片因为它是闭环结构 所以它的 THD 很低 在 0.02% 左右 然后它的优点就是首先 闭环结构刚前面提了优异的 THD+ noise 然后它还有一个亮点就是可调 PWM 时钟 时钟可以在 384kHz 一直到 1.2MHz 左右 一直可以调节 这样的话大家可以根据你的具体应用 你需要的这个 PWM 的频率来进行调节 可以通过 register 或者通过外围引脚直接控制 然后噪声是非常低的 基本上是低于 65μVrms 它的供电范围也很宽 支持到最低可以支持到 4.5V 然后可以工作在软件模式和硬件模式 可以通过 I2C 去控制 也可以通过外面的一些引脚的高低电平的 setting 去控制它的一些工作状态 这个前面有个同事介绍 但是我再介绍一下 大家有什么问题可以提问 12V/8Ω 的时候可以支持 10W 立体声 然后 16V/8Ω 可以到 20W 立体声 它的采样频率支持的范围比较宽 32kHz 到 96 kHz 闭环结构开关频率我刚才说了 就是可以从 300kHz 一直调到 1.2M 然后还集成了一个高性能的耳放 当然了如果大家对这个高性能的耳放不愿意用的东西 这个芯片还有一个就是没有集成耳放的一个版本 仅仅只有 Class D 然后硬件控制和软件控制 硬件控制实际上就是通过外部的一些高低电平的管脚的 setting 来给它做一些你想要的一些配置 然后软件配置可以通过 I2C 功率限制大家看到前面有个 Digital Clipper 可以通过你的 register 去控制 然后硬件外面也可以由相应的分压电阻网络 去设置你的硬件削波的门限 音量控制的是可以进行到 24dB 调节，步进 0.5dB 然后它闭环结构注定它有高性能的 THD+Noise 还有那个 Crosstalk 它带来的好处就是它现在主要定位是中功率的家庭音响产品 然后改进了 EMI，降低对滤波器的需求 低 BOM 成本 然后是集成的 DAC 和放大器 减少了外围成本和 PCB 面积 芯片控制方法有软件和硬件 喇叭保护还有音量可调 适合于一些就是对 THD+Noise 要求比较高的一些应用 这是它的一些总结 首先无需散热片 我们现在就是送出 20W×2 只要小于等于 20W×2 就是 20W 的单通道输出的立体声的话 都是不需要散热片的 然后更小旁路电容 然后更小旁路电容 我刚才说了就是 PSRR 因为很好 所以就不需要一个大的那种就是铝电解电容放在板上了 还有可调开关频率,宽电压的范围是 4.5 到 26.4V 闭环结构功放 信噪比、THD+Noice、Crosstalk 比较好 支持那个 BTL 和 PBTL 两种模式 各种保护做的就是 TI 一直强调自己的可靠性 就是过温/过流/过直流,时钟这种保护 然后就是配置方法很灵活 这里一个就是 TI 的前一款产品和最新的闭环 Class D 的 在 performance 上的对比 可以看到 PSR从 50dB 到 70dB 然后 THD 从原来 0.1% 到 0.02% Crosstalk 是从 60dB 到 90dB EMI 也有改善 然后这是 5760 的一个外围 大家可以看到它的外围是很少的 除了一个 filter 以外 其他的就只剩下那个就是 boost 电容了 电阻电容和外面设那个喇叭保护门限的这种分压电阻 当然如果你采用那个软件模式去设喇叭保护门限的话 这个分压电阻就可以简单很多 刚才是那个数字输入的 Class D 现在介绍了 TPA3140 前面有一些同事也提到过 这款产品也是张江的研发中心 就是在去年年底的时候完成设计的 所以这款产品最主要的特点 首先就是前面提到的就是无需电感 可以省很多的就是外部的成本 然后就是自动增益限制 这个自动增益限制主要是防止那个 因为我们以前的那种传统的喇叭保护 是直接把它的输出的电压给限制住了 这样的话当有一个大的音量进来的时候 就会造成一个比较大的一个 THD 就是耳朵听上去感觉那个音乐就失真比较严重 但是像这种自动增益控制的话 就是自动增益限制 就一旦你检测到一个大的输入的音量进来了 当即将产生那个比较大的失真的情况下 我会把增益降下来 但是声音一旦变小之后 增益就会立即恢复 但是保证你的 THD 要在你耳朵能接受范围百分之一以内 这就是一个就是无失真的一个自动增益限制 所以这个芯片主要是两个亮点 然后它的特性是首先是相信大家前面看这个图 然后再详细解释解释一下 一个无需电感 之前有很多 Class D 说 filter free 但是这个东西是有一个限制的 限制在一个什么条件呢 就是说你的这个 意思是说你的喇叭线有一个限制 因为我们知道这个辐射是跟线长有关系的 如果喇叭线很长的话 它那个辐射的那个环就是电流环会比较大 喇叭线越长辐射越厉害 所以 filter free 对喇叭的线长 有一个要求 一般来说小于 10cm 像很小的这种音箱可能可以适合这种应用 就是小于 10cm 但是我们的像比较大的音箱 或者说是电视机 它的喇叭线一般都是比较长的 可能在一米或者说更长都有可能 就是大尺寸电视机 但是这种这种电视机 我们要实现一个无电感的应用 就是无电感意味着 我的那个低通滤波器的这个 cut-off frequency 就是那个滤波器的截止频率 3dB 的截止频率将会往高频移 这样的话你的 Class-D 自身的这个 EMI 噪声要求就更高 所以 3140 它主要是在芯片自身做了很多努力 包括就是为了改善 EMI 做的一些像扩频、错向 还有一些就是从芯片的的 PWM 波 就是切换自身做的一些努力来就是降低芯片自身的 就相当于从源头上把这个噪声减小了 这样的话就降低了 filter 设计的负担 所以它现在的特点就是无需电感 无需电感就意味着并不是说没有 filter 要一个什么 filter 前面也讲了 就是用磁珠，像我们现在的多层贴片的磁珠 但是磁珠跟电感线的价格相差还是比较大的 所以 3140 是一个就是极低外围成本的一个 Class D 然后它同样的还是跟以前的 Class D一样 是闭环功率放大器 所以它的 THD 依旧是比较低 包括前面有一些就是保护 像过直流、过温、过流保护依然是 就是 TI 一贯作风是在可靠性方面做的比较好的 然后低功耗，支持极低的供电电压 这款模拟的 Class D 是可以支持到 4.5V 的 所以它能支持一些便携式的应用 28pin 的封装还是跟以前的 可能大家比较熟悉的 TPA3110 是一样的 然后有两款不同的功率等级 就是 10W×2 和 6W×2 可以满足不同的应用 而它的优点就是 BOM 成本很低 所以大家现在看到这块 EVM 它的 filter 的面积实际上是省了很多 芯片的右边这四颗小的磁珠 大家可以看一下这个跟芯片的对比 这四个小磁珠是非常小的 如果是一个电感的话 可能跟芯片的面积差不多了是吧？ 所以就是我们降低了外围的 BOM 成本 同时也降低了 PCB 的面积 然后它是低的 THD 以及喇叭保护我们前面说过的 AGL 就是自动增益限制来保护我们的喇叭 还有就是 THD非常好 然后高的纹波抑制比 因为它依旧是一个闭环的功放 保护喇叭免受直流损坏 如果输入有一个很大的直流的话 芯片会告警 然后把芯片 shutdown 来保护我们的喇叭不要受直流损坏 电池供电应用的理想选择 因为我们的就是电源的工作范围 已经就是可以支持到 4.5V 了 所以电池供电的应用 我们可以就是也适合一些电池供电的应用 然后就是它的典型工作像电视机里面可能是 12V 然后可能一些还可以支持一些电池供电系统 因为它的宽的电源供电范围 工作方式比较灵活 大家可以看到右边这个上 就是左边的这些 setting 高低电平的一些 setting 以及电压分压电阻网络的一些 setting 都可以很灵活地去设置这个芯片的一些模式 然后设计可能会拓展 支持 PBTL 的模式 PBTL 和 BTL 可以调 简单总结一下 就是首先它不需要散热片 可以输出 10W×2 的功率 然后无需电感，可以省掉很多的 BOM 成本 因为大家知道功率电感是比较贵的 特别是就是支持这种大电流 2A 2A 以上的这种功率电感是非常贵的 然后它的输出噪声是小于70μVrms 供电电压范围是 4.5V 到 15V 这个是业界真正意义上的增强型的 EMI 性能 因为它可以在无需电感的情况下 通过我们的 EMI 标准 就是家庭的消费类的这些 EMI 标准 然后就是有 Speaker Guard 喇叭保护 包括我们前面说的就是自动增益限制 优异的信噪比、THD+Noise、Crosstalk 过温、过流、过直流保护 支持 BTL、PBTL 两种模式 刚才讲的话 Inducor Free 之所以能实现 Inducor Free 是因为芯片采取了一些技术 包括扩频技术 还有边缘的控制 还有一些更先进的环路滤波器的控制 改善 EMI 用贴片磁珠取代常规的电感 当然这些贴片磁珠 其实我们现在看到的价格确实是远低于电感的 就是无失真的 AGL 功率门限是可调的 我们外面可以有一个分压电阻网络 可以调节最终你想保护的输出功率究竟是多少 Attack 还有 Release Rate 是可以调节的 就是来了一个大信号 衰减的速度和信号变小之后恢复的那个速度是可以调的 我们是有三个档位可以调节 你可以选择高中低 来根据你的不同的就是调节不同的音效 还有就是无削波，就是基本上是无失真的 优点是可以保护喇叭 更优异的 THD 低的静态功耗 另外一个就是它的低电压 可以支持 4.5V 静态功耗 无需电感 可以提高 Class D 的效率 延迟我们的电池续航时间 这是一个就是 EMI 测试的一个 setup 这是一个电视机里面的 电视机里面 这是一个左右立体声的一个电视机 然后左声道的喇叭线 右声道喇叭线是现在捆在一块的 然后 power supply 大家看下面一个是那个电源线 这个 TV 板是工作在 12V 然后我们测试的时候是放音乐 从静音一直到不同大小的输出功率 可以看一下这个就是我们在测试到的 EMI 的性能 这个是传导的一个性能 大家看到在这两根线 一个是 peak 一个是那个准峰值 都有相当大的 margin 相当大的余量 在十几个 dB 以上 所以但是这个我们是基于磁珠作为配合的 而不是基于这个电感 这样一个 Non-clipplig 的功率限制 大家可以看到这里面两根线分别代表 input 和 output input 就是突然间从小信号变大 然后 output 是一个放大后的信号 突然之间冲到第一个开口的时候有点 clipping 但是立马就被 因为这时候我的电解就开始往下衰了 然后让这个信号回归到一个正常的模式 没有一个 clip 的过程 就没有一个就是不被保持 clipping 所以这个就是我们保护喇叭的方式之一 同样它不光是保护喇叭 同样也是为了让这个音质听起来就是没有失真更好 就是那个 其实左边这个图是信号从小突然变大 然后右边这个图是信号从小变大但是又恢复正常了 这样的时候它会把这个增益又继续把它恢复成正常 把 gain 慢慢变大 这是个 ralease 的图 左边是一个 attack 然后这是一个就是使用这个 AGL 和不使用 AGL 的一个区别 那左边这个图是这个是我们那个 Speaker Guard On 右边这个图是 Speaker Guard Off 的 左边这个图大家可以看到 这个音乐的这个动态范围是更大 然后右边这个图音乐就是被压缩了 当然如果大家想这个音乐放的更大的话 因为我们现在 gain 也是可以调节的 gain 是 26dB 我们的 gain 也是有4档 20dB、26dB、30dB、36dB，这样可以调节 当然可以使增值功率更大 但是用这个功能就是可以使音乐的这个动态范围 更加接近它的真实情况 不像这种就是 hard clipping 会导致一些失真 同时压缩音乐的动态范围 所以针对 3140 的几个问题 首先这是一项新技术 就是 TI 的我们现在 3140 的无电感技术 是在保证 EMI 性能的同时 依旧保持其他的音频性能 依旧是业界最优 采用无电感技术 主要是可以省掉大量的就是芯片的外围成本 同时可以节省大量的 PCB 面积 如何实现无电感的设计的 我们主要是采用这么几个技术 一个是扩展频谱技术、边沿控制 然后 TI 的特殊的闭环结构 然后可调开关频率 可调开关频率这个东西就是我们 现在会根据客户的需求 实际上我们在芯片出厂的时候 就把这个开关频率调到了一个最优的一个品质 就是从各方面综合来评定 包括效率、EMI 性能这些东西 什么是 AGL 功能 就是我们刚刚提到的自动增益限制 是一个它是一项特殊功能 可以保证输出信号无削顶的功率控制 从而获得比较高保真度的音质 这种智能功率限制能够有效保护喇叭 保证了优异 THD 性能 它的这个功率限制门限 可以通过外部的分压电阻进行调节 可以通过外部的分压电阻进行调节 所以总体来说 3140 它的优点主要是 一是无需电感 省掉大量的 BOM 成本和 PCB 面积 还有就是 AGL 功能保护 小喇叭不受损坏 另外还能够保证优异的 THD 性能 还有就是低的静态功耗 支持低电压到 4.5V 支持电池供电 还有就是高性能的闭环结构 拥有极佳的音频性能 另外就是纹波抑制比高 这样的话可以在比较差纹波供电电源下 获得优异的音频性能 降低系统的设计难度 另外纹波抑制比也可以降低外围对电解电容的需求 可以降低外围电路成本 然后我们再介绍一下就是 15W 的高性能小封装 单声道的 D 类音频功率放大器 它同样是 I2S 输入的 前面同事也有介绍 就是这这个芯片它的典型的特征 就是首先它是闭环结构 它的 THD 和 noise 非常好 然后 TAS 纹波抑制比非常好 另外它的 size 非常小 就是 4×4 平方毫米的 QFN 封装 就是节省了很多的 BOM 成本和 PCB 面积 小型化设计 支持工作电压范围可以在 12V、24V 因为它可以支持到 4.5V 所以同样可以就是用在电池供电系统中 还有就是因为闭环结构 所以它提到这个纹波抑制比 可以有很好的一个音频的线性度 这个芯片还有一个典型特征是它的输入接口可以灵活配置 可以为 TDM 和 I2S 的接口 还有就是外部元件少 就是一贯的闭环结构的 Class D 它的典型特征就是 BOM 成本少 PCB 面积也可以做到更小 然后它是可调外部的开关频率 就是如果我们 fs 固定 它可以从 fs 的 8 倍调到 22 倍 根据你的具体应用灵活调节 还有就是这个器件可以减小或者消除 filter 获得更低的静态功耗 更平坦的频响取线 可调节开关频率 避开敏感频段 比如我们的就是广播电视接收这种敏感 就是 AM 和 FM 的这种接收频段 散热性能优异 4×4mm 的 QFN 封装 不需要那个外部的散热片 四层板可以支持到 15W 的连续功率 闭环结构设计可以提高电源的纹波抑制比 然后因为我很好的功放线性度 也就是 THD 增益稳定 工作支持的 PVDD 范围是 4.5-26V 可以支持那个特定的供电电压和电池的一些供电系统 这些大家都可以在网上可以查到它的多项性质 现在这个 PCB 的 THD+Noise 现在大家可以看到它的 THD+Noise 依旧是比较优异 可以达到 80dB，在 1kHz的时候 然后输出来的 noise 也很低 低于 60μVrms Rdson 就是也比较小 在 120mΩ 就是保证它的比较高的效率 可以看一下这个 size 比较小 这是前面我们提到过的就是可以 多片一样可以去设置它的一些器件基准 我的讲话就这里了 好，谢谢