一、設計概述

PWM型D類音頻功率放大器是一種利用脈寬調制技術將音頻信號轉換為高頻方波信號，通過功率開關管進行功率放大，再經LC濾波器恢復成模擬音頻信號以驅動揚聲器的高效率放大電路方案。相比傳統AB類、B類放大器，D類放大器具有效率高、功耗低、發熱少、體積小等優點，非常適合便攜式音箱、車載音響、家用音頻等對功耗及散熱要求較高的場景。本方案旨在深入探討基于PWM調制的D類音頻功率放大器設計，系統地介紹性能需求、拓撲結構、關鍵元器件選型、PCB布局、散熱及EMI抑制、保護電路等方面的設計思路與實施細節，并在設計過程中推薦優選的元器件型號，詳細說明每種元器件的作用、選用理由及功能，以期為工程師提供完整的參考。

二、設計指標與需求分析

在設計PWM型D類音頻功率放大器之前，首先需要明確系統的性能指標與實際應用場景。考慮到現代音頻設備對高保真度、低失真、高功率輸出以及低成本要求，設計指標包括以下幾個方面：1）輸出功率：能夠滿足8Ω負載下輸出50W左右連續功率；2）頻率響應：20Hz20kHz范圍內增益平坦，±1dB以內；3）總諧波失真加噪聲（THD+N）：在額定功率下小于0.1%，優選達到0.05%以下；4）信噪比：大于100dB，以保證低噪聲底；5）效率：典型應用效率需達到90%以上；6）電源電壓：單電源供電12V24V范圍，以兼容車載及民用音響系統；7）保護功能：短路保護、過溫保護及過壓欠壓鎖定等；8）EMI設計：滿足CISPR-B級或FCC Class B輻射及傳導規范；9）成本控制：單片放大器系統元器件成本控制在合理范圍。

基于以上設計需求，需要依次確定系統框圖、主芯片選型、功率開關器件、外圍元件、PCB布局、散熱與EMI方案。下文將依次展開描述和推薦元器件。

三、D類放大器拓撲結構

PWM型D類放大器的基本結構如圖所示：輸入音頻信號經過前級濾波與增益電路后輸入至PWM調制器單元，調制單元將模擬音頻轉換為占空比可變的PWM高頻信號；之后，PWM信號通過功率驅動級（包含上、下橋臂的MOSFET功率開關）輸出大電流至揚聲器；最后，采用LC濾波器將PWM信號中的高頻分量濾除，僅保留基帶音頻信號呈現給揚聲器。系統還需配備反饋采樣電路，將輸出端經過采樣濾波后的模擬信號反饋至調制器，以實現閉環控制、降低非線性失真。整體框圖由以下關鍵模塊組成：

1. 前置增益與輸入濾波電路

2. PWM調制與驅動單元（調制器芯片 + 驅動器）

3. MOSFET功率開關級

4. 輸出LC低通濾波網絡

5. 反饋檢測與閉環校正

6. 電源管理與保護電路

7. PCB布局與散熱結構

8. EMI傳導/輻射抑制設計

下面分別對每個模塊進行詳細設計，并推薦優選元器件型號、說明選型理由與功能。

四、前置增益與輸入濾波電路

在D類放大器中，為保證PWM調制器能夠對輸入音頻信號進行精準的占空比調制，輸入級需提供合適的增益調整、直流偏移以及模擬濾波，去除直流分量與超出帶寬的干擾信號，避免調制失真或抖動。本模塊典型電路包括差分輸入緩沖、可調增益放大器、低通抗混疊濾波器及直流隔離。推薦方案如下：

1. 運算放大器：Texas Instruments TLV2372IDR

• 器件功能：TLV2372 是一顆雙通道軌到軌輸入/輸出的低功耗運放，典型增益帶寬產品參數為10MHz，安靜噪聲低，偏置電流小。被用于輸入信號緩沖與增益放大。

• 選用理由：其電源電壓范圍為2.0V~5.5V，噪聲性能優異，適合在單電源供電的D類放大器中用作前置放大器；另外，軌到軌輸入輸出特性保證了在低電壓下能夠處理音頻信號的全擺幅；成本適中，封裝小巧，便于PCB布局。

• 器件功能：該放大器可以用作輸入差分放大、增益調整或緩沖，并與后續的PWM調制器直接耦合。

2. 可調增益結構：在TLV2372 之上，可搭配精密電位器（如Bourns 3313J-1-103E）進行增益調節，確保用戶可靈活調節輸入音量。

• 器件功能：調整放大器增益，使后續PWM調制器在不同輸入電平時能夠工作在最佳占空比范圍，避免限幅失真。

• 選用理由：Bourns 3313J 系列為多圈精密電位器，線性度好、耐久性高，適合音頻信號增益微調。

3. 直流隔離與抗混疊濾波：在增益輸出后，增加RC低通濾波器（如R1：1kΩ，C1：100nF）構建約1.6kHz截止頻率的簡單低通，去除高頻噪聲。同時在輸入端利用耦合電容（Ccouple：4.7μF 音頻級電容）隔離直流偏移。

• 器件功能：Ccouple隔離直流，RC低通濾波提供初步帶寬限制，保障調制器穩定工作并避免超聲波干擾。

• 選用理由：電阻與電容參數需要保證音頻帶寬內損耗極小，而對超聲頻率有良好衰減；1kΩ與100nF 的組合簡易、成本低，能完成基本抗混疊需求。

通過上述輸入級設計，能夠有效將模擬音頻信號調整到PWM調制器所需的幅度與帶寬范圍，為后續調制器穩定工作奠定基礎。

五、PWM調制與驅動單元

PWM調制器是D類放大器的核心部件，負責將模擬音頻信號轉換成占空比可變的矩形波。調制方式通常分為三角波比較法（δ-Σ調制、誤差整形調制）、自激振蕩模式等。常見方案是采用集成D類音頻放大器芯片，如Texas Instruments TAS561x 系列、Maxim MAX9744、Infineon MERUS MA12070P，也可以采用通用PWM控制器（如Analog Devices ADAU1701）+外部MOSFET驅動。以下推薦一顆性能優異且成本合理的D類音頻放大器芯片：

1. PWM調制器芯片：Texas Instruments TAS5613A

• 器件功能：TAS5613A 是一顆高性能D類音頻功放PWM調制芯片，內部集成高精度Σ-Δ調制器、誤差整形邏輯、死區時間優化、電流限流保護及校準功能。支持單聲道或雙聲道輸出，最大輸出功率可達120W（4Ω，24V供電）。

• 選用理由：該芯片內部包含完整的PWM調制及保護功能，減少外圍元器件數量；具備低失真（THD+N < 0.03%）、高信噪比（>115dB），符合高保真音頻需求；集成過溫、輸出短路、過流保護，提升系統可靠性；支持I2C接口可編程增益、偏置校準等便于系統調試；24V供電下效率可達92%以上，滿負載情況下發熱量小。

• 器件功能：將前端經過運放處理的音頻信號進行Σ-Δ調制，輸出互補PWM信號驅動后級MOSFET。

2. 驅動級MOSFET柵極驅動：雖然TAS5613A內部集成MOSFET驅動器，但若設計需更高電流能力或隔離設計，可搭配專用柵極驅動芯片，如Texas Instruments UCC27324P（雙通道高邊/低邊驅動器）。

• 器件功能：UCC27324P 提供±4A 峰值柵極驅動能力，驅動速度快，配置為推挽形式，可用于外部MOSFET棧，降低驅動延遲，優化死區時間。

• 選用理由：當外部MOSFET功率管電容較大或需要更快切換時，UCC27324P 能保證開關管快速充放電，減少開關損耗；封裝小，熱阻低，成本合理。

3. 死區時間與保護邏輯：對于D類放大器，上下橋臂MOSFET切換時必須設置合理死區時間，防止導通沖突短路。TAS5613A 內部提供默認死區，但可通過外部電阻網絡微調。推薦在VSET引腳掛1kΩ至GND，內置調整網絡可設置典型死區400ns左右；若需要更精確控制，配合外部可調死區芯片Texas Instruments LM5109，實現死區時間可調，兼容性好。

• 器件功能：死區時間調整與短路檢測邏輯，確保上下橋臂不會產生直通；當檢測到過流或過溫時，立即禁止輸出，保護功率管安全。

• 選用理由：LM5109 支持高側和低側死區設定，耐壓100V，可應用于24V48V電源場景；與TAS5613A結合可構建更靈活的保護機制；若系統電壓僅12V24V，可直接使用TAS5613A 內部死區，簡化設計。

通過采用TAS5613A 這類一體化D類功放芯片并配合高性能柵極驅動，可大幅簡化PWM調制與驅動電路，提升集成度與穩定性，同時保證高保真音質與可靠保護功能。

六、功率開關器件選型

D類放大器輸出級采用互補式半橋拓撲，通常選用N溝MOSFET來組成推挽式輸出開關。關鍵選型指標包括：低導通電阻（R_DS(on)），低柵極電荷（Qg），快速開關速度，高溫穩定性，高電壓余量，以及封裝熱阻指標等。以下推薦幾款既常見又性能優異的功率MOSFET適合用于12V~24V應用場景：

1. Infineon BSC614N04LS

• 器件型號說明：BSC614N04LS 是一顆N溝功率MOSFET，額定電壓40V，典型R_DS(on) = 4mΩ（V_GS=10V），柵極電荷Qg ≈ 18nC。采用超級結工藝，導通電阻低、開關損耗小。

• 器件功能：作為D類放大器上下橋臂的功率開關，承受PWM方波驅動，實現大電流快速切換，將調制信號轉換為揚聲器驅動電流。

• 選用理由：40V的耐壓裕度適合24V電源應用且具有安全余量；低導通電阻極大地降低導通損耗，優化效率；柵極電荷適中，可與TAS5613A或UCC27324P 柵驅配合，實現亞納秒級開關速度；托盤封裝熱阻低，有利于散熱設計。

2. ON Semiconductor NTMFS5C628NL

• 器件型號說明：NTMFS5C628NL 為30V N溝MOSFET，R_DS(on) = 6mΩ（V_GS=10V），柵極電荷Qg ≈ 14nC，封裝為8x8mm D2PAK。

• 器件功能：同樣用于D類放大器輸出橋臂，提供大電流開關能力。

• 選用理由：30V耐壓適合12V~24V電源有限余量應用；柵極電荷較低，適合高速驅動；開關特性優良，封裝耐熱性能好，可承受大量動態損耗；封裝體積適中，有利于PCB設計。

3. Vishay SiR846DP

• 器件型號說明：SiR846DP 為30V N溝MOSFET，超低R_DS(on)=2.8mΩ（V_GS=10V），Qg ≈ 20nC，封裝為PowerPAK SO-8。

• 器件功能：極低的R_DS(on) 降低導通損耗，可在高電流場合下保持更高效率；適合對效率要求極高的D類系統。

• 選用理由：當系統要求高效率（>92%）且希望減輕散熱器尺寸時，選擇超低R_DS(on) 的SiR846DP 可使輸出級損耗最小化；PowerPAK SO-8 封裝熱阻低，易在單面銅大板設計中擴散熱量。若使用24V電源，需確認耐壓余量，但30V與實際電源匹配且在浪涌情況下留有安全裕度。

在實際設計中，可以根據系統輸出功率及散熱預算，選擇上述MOSFET組合：主開關管選用R_DS(on) ≤ 5mΩ 的型號，配合高速驅動器可以獲得理想的開關特性。考慮成品的物理體積與成本，可靈活搭配BSC614N04LS 或 NTMFS5C628NL。

七、輸出LC低通濾波網絡設計

D類放大器的輸出電平直接為PWM高頻方波信號，揚聲器需要的是低頻基帶信號，因此在輸出端必須加裝LC低通濾波器，將PWM高頻成分濾除，僅保留音頻部分。設計濾波網絡時需綜合考慮阻抗匹配、諧振頻率、濾波階數、組件品質因數Q值、諧振尖峰抑制與成本等因素。常見方案是二階或三階Butterworth濾波器。以下介紹二階LC濾波設計，并推薦優選元器件：

1. 濾波拓撲結構：二階L-C濾波器，其拓撲由兩只串聯電感與一只并聯電容構成，也可采用電感、電容、電感的π型結構，適合低頻阻帶深度更好。本文采用簡單的二階π型結構：上橋輸出信號先經過電感L1，之后并聯電容C1接地，之后再串聯電感L2，最后連接揚聲器。

• 選用理由：π型結構相比T型或單電感+電容組合能獲得更好的阻帶衰減；對揚聲器阻抗匹配更精準，失真更低。

2. 電感選型：優選繞線電感（功率電感）或磁芯電感，推薦型號：Coilcraft SER2915H-4R7M

• 器件型號說明：SER2915H 系列是一款高功率表面貼裝功率電感，額定電流可達10A以上，直流電阻（DCR）僅為10mΩ，電感量4.7μH，尺寸2.9x2.6mm。

• 器件功能：在PWM輸出端阻隔高頻開關諧波，與并聯電容形成低通網絡，濾除高于音頻帶的PWM載波。

• 選用理由：4.7μH 電感量結合PWM載波頻率（典型250kHz500kHz）時可實現約15kHz20kHz的截止頻率；高額定電流保證在大功率輸出情況下不會磁飽和；表貼封裝降低磁場干擾，DCR極低，減少功率損耗；Coilcraft品質穩定。

3. 并聯電容選型：優選薄膜電容（Polypropylene Film Capacitor）或高品質電解電容。推薦型號：WIMA MKP4 2.2μF/100V

• 器件型號說明：WIMA MKP4 系列是一種金屬化聚丙烯薄膜電容，2.2μF電容量，額定電壓100V，容差±5%，溫度系數及漆包特性優異。

• 器件功能：與上下級電感配合形成LC諧振點，確保在PWM載波頻率處出現最大衰減，使高頻成分降至最低，從而輸出的音頻信號更純凈。

• 選用理由：薄膜電容具有極低的等效串聯電阻（ESR），Q值高，線性度好；在高電流沖擊和高頻率下表現穩定；封裝小巧易于PCB布置；100V額定電壓在12V~24V電路中留有裕度。

4. 阻尼電阻器與阻尼網絡：為了抑制LC濾波的諧振峰值，需要在電感與電容之間串聯阻尼電阻，或者并聯阻尼電阻。推薦使用薄膜無感繞線功率電阻器：Vishay Dale WSLP2512R0200FEA（0.02Ω，2W）

• 器件功能：在濾波器中提供適當的阻尼，防止諧振峰值導致頻率響應在高頻段出現峰值，降低系統振鈴和濾波器失真。

• 選用理由：0.02Ω 的超低阻值對音頻信號不會引入明顯衰減；2W 功率額定及無感繞線結構保證大電流下溫升可控，同時不會影響高頻濾波性能。

通過合理計算與測試，確定LC濾波器的切除頻率應略高于音頻上限（約25kHz左右），以避免對音頻信號造成衰減，而對PWM載波（典型250kHz）有足夠抑制。此外，需要在濾波器輸入側與輸出側分別加裝共模電感與Y電容進行額外的EMI抑制，以滿足輻射和傳導規范。

八、反饋檢測與閉環控制

閉環反饋在D類放大器中用于糾正非線性失真、穩定增益、降低輸出失真以及校準輸出偏置。反饋策略通常分為模擬反饋與數字反饋兩種；前者將濾波后的音頻信號與原始輸入比較，后者則在PWM調制級內完成誤差整形。對于本設計，采用模擬反饋方式，反饋信號在LC濾波之后采樣并送回調制器輸入端的差分輸入引腳，以實現閉環控制。

1. 反饋網絡設計：從輸出端（揚聲器負載兩端）取樣，通過分壓電阻網絡（如Rfb1=100kΩ，Rfb2=10kΩ）將高達齊壓減少到調制器輸入可接受范圍（通常1V~2V）。

• 器件功能：Rfb1 與 Rfb2 構成反饋分壓器，對輸出端音頻信號進行衰減并隔離直流；后續加入隔直電容（如Cfb=4.7μF）濾除直流偏置；并通過運放進行差分放大校正。

• 選用理由：精密電阻具備0.1% 容差，能確保反饋比例準確，增益穩定；4.7μF 音頻級鋁電解電容保證低頻通透并隔離直流，同時成本可控。

2. 反饋運放：推薦使用高精度運放：Analog Devices ADA4528-2

• 器件功能：ADA4528-2 為雙通道零漂移運放，漂移電壓極低（典型0.125μV/℃），輸入偏置電流僅0.1pA，帶寬10MHz，噪聲超低。用于將分壓后反饋信號與輸入信號進行差分運算，為調制器提供誤差信號。

• 選用理由：零漂移運放可在長時間工作及溫度變化時保證偏差最小，提高系統穩定性；高帶寬保證音頻信號在20kHz帶寬內無失真；低噪聲與低失真特性充分滿足高保真要求；采用緊湊雙色聲道封裝便于布局。

3. 反饋環路穩定性與補償：需在運放負反饋環路中加入相位補償網絡以保證系統穩定。通常采用電容與電阻并聯形式的補償網絡，如在運放反饋回路并聯Cc=47pF與Rc=1kΩ，用于限制閉環帶寬至適當范圍（≈100kHz），避免與LC濾波器諧振產生環路不穩定。

• 器件功能：Cc 與 Rc 與運放構成補償網絡，提供必要的相位裕度，避免振蕩；保證在全功率輸出時系統穩定運行。

• 選用理由：47pF 與1kΩ 的組合在工藝容差下具有良好一致性，對音頻信號帶寬影響極小，但對高頻反饋能有效衰減，確保環路穩定。

通過上述反饋網絡設計，D類放大器能在輸出開關損耗與音質之間實現最佳平衡，確保在不同負載及輸出功率情況下維持低失真、高線性度。

九、電源管理與濾波

電源系統為D類放大器提供穩定的直流電壓，對系統性能影響至關重要。設計中需要關注電源濾波、穩壓、及保護。典型D類系統電源采用單電源或雙電源架構：本設計選擇單電源供電方案，電源輸入為12V~24V直流（可支持車載及家用兩種場景）。關鍵元器件如下：

1. 電源輸入濾波與壓敏保護：在電源輸入端使用TVS二極管與MOV相結合保護電路，推薦型號：

• 功能：吸收高能級浪涌，防止電源干擾或浪涌進入放大器電路。

• 選用理由：高能量吸收能力，動態電阻低，可配合TVS分擔浪涌電壓；便于車載環境下應對負載突變。

• 功能：在電源線上發生浪涌電壓時，TVS瞬態將多數能量吸收，保護后級電路不被沖擊損壞。

• 選用理由：寬溫度范圍（-55℃~150℃），快速響應，封裝易焊接；雙向結構可應對正負極性浪涌。

• TVS二極管：SMBJ33CA，為雙向33V TVS，峰值脈沖功率600W。

• MOV壓敏電阻：Littelfuse MVU07KR3，耐壓約7V RMS（相當約20V 峰值），浪涌耐受能量高。

2. LDO穩壓器或DC-DC降壓模塊：為了給PWM調制器（如TAS5613A）、邏輯控制部分及運放提供精確、低噪聲的參考電壓，需要在主電源旁引出低噪聲5V或3.3V。可選用高性能LDO：Texas Instruments TPS7A4700（輸出電壓1.2V~20V可調，1A 輸出電流，噪聲僅4μVRMS）。

• 器件功能：提供超低噪聲穩壓輸出，供給敏感模擬電路與數字控制模塊，降低電源噪聲對音質的影響。

• 選用理由：極低紋波噪聲、優秀的PSRR、較大輸出電流，可為運放與調制器提供穩定電壓；封裝肖形小，熱阻低，有利于散熱。

3. 電源旁路與去耦電容：在電源入口與各電壓軌同樣需要配置高頻去耦電容與大容量電解電容，例如在12V主電源處并聯22μF/50V鉭電容（如AVX TAJ 22μF）與0.1μF X7R 陶瓷電容（如Murata GRM32ER71H104KA88L）；在5V LDO 輸出并聯10μF/6.3V 陶瓷電容與4.7μF/10V 鉭電容。

• 器件功能：高頻旁路電容濾除高頻噪聲，電解電容平滑低頻波動，保證電源穩定、降低電源阻抗。

• 選用理由：鉭電容具有更小的體積與更高的溫度穩定性；X7R 陶瓷電容保證高頻去耦；布局上應做到150mil 范圍內放置，最小引線電感。

4. 電源保護與熔斷：在主電源輸入端并聯PTC自恢復保險絲（如Bourns MF-PSMF075-2）及快速熔斷保險絲（如Littelfuse 0451.250MRP 250mA），可在過流或故障時自動斷開電源，保護系統。

• 器件功能：當系統發生嚴重短路或功率管損壞時，保護元件熔斷，避免元器件燒毀；PTC 可在溫度下降后自動恢復，方便維護。

• 選用理由：MF-PSMF075-2 PTC 溫度系數適中，可靠性高；Littelfuse 0451.250MRP 具備快速響應的特性，可快速切斷過流情況。

通過以上電源管理與濾波設計，可有效確保D類系統在各種工作條件下獲得穩定、低噪聲的電源，為高保真音質提供前提。

十、保護電路設計

為提高系統穩定性和安全性，D類放大器設計中需要增加多種保護功能，包括過流保護、過溫保護、欠壓/過壓保護及輸出短路保護。本文推薦以下幾種保護元件與方案：

1. 過流與輸出短路保護：TAS5613A 內部集成過流檢測與短路保護功能，當電流超過設定閾值時，芯片會觸發故障模式并關斷輸出。外部可通過檢測MOSFET片上電阻采樣放大（如0.01Ω電流檢測電阻RSense +運放），當檢測到過流時生成信號喂給芯片的FAULT 引腳，實現二次保護。推薦運放用于電流采樣：Texas Instruments INA168。

• 器件功能：INA168 為單通道精密電流檢測放大器，可對0.01Ω 的RSense 薄膜電阻采樣電壓（幾毫伏級）進行放大并輸出至故障檢測電路；具有可編程增益、低漂移等特點。

• 選用理由：高精度、寬電壓范圍、帶寬足以檢測短路沖擊浪涌，無需額外偏置，集成度高；與TAS5613A 內部故障邏輯協同，使保護動作更可靠。

2. 過溫保護：在功率MOSFET與調制器芯片附近貼裝溫度傳感器，如Analog Devices ADT7301 數字溫度傳感器（精度±1℃，1-wire 接口），將溫度實時監測并通過MCU或數字邏輯控制保護。

• 器件功能：檢測MOSFET熱板及調制器芯片溫度，當溫度超過預設值（如85℃）時，通過啟用故障引腳或向MCU發出中斷信號，進入保護模式，關閉PWM輸出或強制PWM停機。

• 選用理由：ADT7301 支持單線總線通訊，接口簡單，精度高；工作溫度達到+150℃，可直接貼裝在器件引腳附近；寬電源電壓支持單電源應用；數字輸出設計減少模擬電壓誤差。

3. 欠壓/過壓保護：在電源輸入端通過TLV431（可調基準源）+MOSFET組成欠壓/過壓檢測電路，當電源電壓低于或者高于設定閾值時驅動P-FET或N-FET切斷電源或進入保護模式。

• 器件功能：TLV431 內部帶有可編程精密基準（Rref=1kΩ +Rset=10kΩ 設定典型4.4V基準），通過比較主電源與基準，檢測電壓閾值；當檢測到欠壓或過壓時，通過驅動功率MOSFET關閉電源。

• 選用理由：TLV431 精度高（初始誤差僅0.5%），可設定上下閾值；電路簡單，占用PCB空間小；與功率MOSFET配合可實現快速切斷；適用于12V~24V 供電場景。

通過在硬件層面加入上述保護設計，能夠在各種異常情況下快速切斷輸出，避免因過流、過熱、欠壓等故障對功放與揚聲器造成損害，并提升整機可靠性與壽命。

十一、PCB布局與走線設計

PCB布局對D類放大器性能有著極為重要的影響，尤其是高速開關環路與模擬音頻信號路徑容易相互干擾，若布線不當會導致開關噪聲耦合進入反饋環路，產生爆音、噪聲增加或系統不穩定。以下是PCB設計要點及推薦做法：

1. 分區布置：將PCB分為數字/邏輯區、模擬前端區、功率開關區、輸出濾波區、電源濾波區等功能區域，盡量避免信號重疊。

• 器件布局：將TAS5613A 芯片、反饋運放、分壓電阻集中在一起，保持反饋回路盡量短；將功率MOSFET與電感、電容放在同一區域；將高頻回流電流路徑形成最小回路面積，并與模擬信號區隔離。

• 選用理由：分區布置可減少不同功能區之間的電磁干擾；簡化測試定位與后續維護；便于散熱通道設計。

2. 地線設計：采用“星形地”或“分區地”策略，將模擬地（AGND）與功率地（PGND）分開，最后在電源處進行單點匯合，避免高電流回流產生的地電位升高影響模擬地參考。

• 器件功能：區分不同地線可防止噪聲通過地線耦合到敏感模擬電路；在多層板中可采用多層鋪銅、分層走線方式，將功率回流電流局限在特定層。

• 選用理由：AGND與PGND分離可減少噪聲耦合，保證運放與PWM調制器參考地穩定；多層板配合接地平面可顯著降低寄生電感。

3. 高頻環路優化：PWM開關信號及功率回流電流路徑形成高速環路，需要將開關晶體管、二極管（若采用半橋驅動RS 時）、電容以及電感靠近擺放，并將走線長度盡量縮短。

• 器件功能：通過最小化回流電流環路面積，降低噪聲輻射，降低開關尖峰對其他電路的干擾。

• 選用理由：通過合理布局與走線，可將開關電流的磁耦合與電容耦合干擾降低到最小；改善EMI性能，減輕后續板載濾波與外部EMI抑制負擔。

4. 電源走線：主電源12V~24V 走線需要足夠寬，以保證大電流通過時壓降小；同樣需要考慮電源旁路電容位置，將去耦電容盡量靠近芯片電源引腳布置，減少走線感抗。

• 器件功能：寬電源走線可降低電源阻抗，避免在電流突變時產生電壓跌落；緊湊旁路電容布局可提高電源抗噪能力。

• 選用理由：適當增加70mil~100mil 寬度的走線或鋪銅可滿足10A 以上的電流需求；采用多孔過孔連通上下層電源地平面降低分布電阻。

5. 熱管理：高功率MOSFET應采取過孔散熱設計（如在MOSFET底部金屬焊盤處增加多個過孔與底層大面積銅墊相連），并配合外加散熱片。功率電感WIMA MKP4 與輸出電容器件也應避免過于密集堆疊，以便散熱空氣流通。

• 器件功能：過孔與底層銅層形成熱通道，將熱量快速傳遞至板底與散熱片，避免局部溫度過高。

• 選用理由：良好的散熱設計可提升元器件可靠性，并使系統在長時間大功率輸出時保持穩定；配合散熱片與機殼風道設計可進一步降低結溫。

通過以上PCB布局與走線策略可在保證信號完整性和電源穩定性的同時，有效抑制電磁干擾，并為高效散熱奠定基礎。

十二、散熱方案設計

盡管D類放大器具有高效率特性，但在大功率長時間工作下仍會產生一定熱量，需合理設計散熱系統。散熱途徑主要包括：功率MOSFET芯片散熱、調制器芯片散熱及周邊被動器件散熱。推薦方案如下：

1. 功率MOSFET散熱：將功率MOSFET焊接在專門的銅箔大面外的PAD上，并在MOSFET底部下層鋪設大面積銅箔與多孔過孔網絡，通過PCB銅層與散熱器連接。同樣在MOSFET頂部焊接外部散熱片，使用的散熱片可采用Aavid Thermalloy 581002B00000G（尺寸100mm x 40mm x 25mm，千瓦級熱阻低）。

• 器件功能：將MOSFET產生的熱量通過過孔與底層大銅箔傳導至散熱片，然后借助風冷（如小風扇）將熱量帶走。

• 選用理由：Aavid 581002B00000G 為高效鋁型材散熱片，表面經陽極氧化處理，提高散熱效率與抗腐蝕性；尺寸適中，安裝方式簡單；配合風道設計可有效降低MOSFET結溫。

2. 調制器芯片散熱：TAS5613A及其周邊運放等器件散熱需求相對較低，可采用單面銅加大焊盤散熱，并在芯片底部附近鋪銅，用過孔將熱量傳導至內層或底層銅箔；如有空間，可在芯片頂部放置小型散熱片（如貼片式銅散熱片Wakefield 5040-50G）。

• 器件功能：在芯片封裝底部產生熱量時，通過PCB層熱過孔傳導至較大面積銅箔，減輕芯片內部熱積累；如散熱不足則考慮頂置散熱片。

• 選用理由：Wakefield 5040-50G 為導熱性優異的貼片鋁散熱片，通過導熱膠粘貼即可；適用于小功率BGA芯片散熱場景；成本低。

3. 被動器件散熱：功率電感、濾波電容、穩壓LDO等器件在大電流時也會產生熱量，需在PCB布局時留出充足空間并避免過度堆疊；可在這些器件下方添加過孔，利用內層銅層散熱。

• 器件功能：通過過孔與內層銅層將熱量散發；電感外殼與散熱環境接觸面應盡量靠近空氣流通區域。

• 選用理由：被動器件溫升對可靠性影響相對較小，但長期高溫會降低壽命；良好的散熱設計可讓系統在潮濕、高溫場景下穩定運行。

結合上述散熱設計，采用合理的風道布局（如板邊安裝小風扇、機箱內部氣流引導）可進一步提升散熱效率。建議在測試階段用熱成像對關鍵元件溫度進行監測，以驗證散熱方案的可靠性。

十三、EMI傳導與輻射抑制設計

由于D類放大器的PWM開關頻率較高（典型200kHz~500kHz），如果缺乏有效的EMI抑制手段，可能導致高頻開關噪聲通過電源、揚聲器線纜或空氣傳導泄漏，使整機無法通過電磁兼容測試。針對EMI傳導與輻射可從以下方面進行優化：

1. 輸出端共模電感與差模電感組合：在輸出濾波LC之后，在揚聲器輸出線上并聯一個共模電感（如TDK ACM2012-601-2P-T002），共模電感量100μH、DC電阻30mΩ；同時在電源線上并聯差模電感（如Coilcraft DFE2512C-681 68μH）。

• 器件功能：共模電感阻止公共模式高頻信號通過揚聲器線纜輻射，而差模電感抑制電源線上的差模干擾。

• 選用理由：TDK 共模電感具有高飽和電流能力，適合大功率連續信號場合；Coilcraft 差模電感Q值高，在EMI濾波上效果顯著。

2. EMI電容（Y電容與X電容）：在輸出濾波末端并聯高壓X電容（如Panasonic ECHU2GD610U5H 0.01μF/250VAC）與Y電容（如TDK CCG31X7R1H104K 0.1μF/50V）以進一步抑制差模與共模噪聲。

• 器件功能：X電容主要抑制差模噪聲，Y電容用于共模噪聲分流到地。

• 選用理由：高品質X、Y電容通過安規認證，可靠性高；在高頻段具有穩定且低損耗的濾波性能。

3. 電源輸入EMI濾波器：在電源輸入端采用共模電感+X電容組合形成PI型輸入濾波器。推薦使用整合式EMI濾波器模塊：Murata DEB1AE-1012B9, 該模塊集成1mH 電感及10nF X電容，通帶損耗低、體積小巧。

• 器件功能：阻止開關噪聲通過電源線向外傳導；過濾進入系統的外部電源干擾。

• 選用理由：Murata 是業內知名（EMI）濾波解決方案廠商，該型號經過安規測試，布局簡單；可在汽車或家用場景兼容多種電源環境。

4. 屏蔽與接地策略：在功率開關區與輸出濾波區中間可增設金屬屏蔽罩，或在機箱內部布置金屬隔離板，將開關電路與敏感模擬電路、電源接口分隔；同時接地帶要保證低阻抗連接至機箱地，以便將輻射信號高效泄流。

• 器件功能：金屬屏蔽板或罩將輻射噪聲局限在局部，避免向外界輻射；低阻抗地平面保證電流快速回流。

• 選用理由：屏蔽設計可提升系統抗擾度；合理的接地策略可降低地環路噪聲；機箱與PCB地應采用單點或多點接地區分方式，避免地環增大輻射。

5. PCB 走線與分層：如前文所述，將高頻開關環路局限于單個層或兩層之間，避免跨層引入寄生電容；同時在敏感模擬區與PWM開關區之間鋪設地平面；信號線與高功率回路應保持最小交叉。

• 選用理由：合理分層與走線可在板級抑制輻射；降低元件之間的電容耦合；配合低阻抗地平面可進一步抑制共模噪聲。

通過上述EMI優化措施，可使D類放大器在CISPR-B或FCC Class B 標準下順利測試，并降低用戶現場使用時的干擾風險。

十四、系統測試與調試

設計完成后，需要對整機進行綜合測試與調試，驗證各項指標是否滿足設計目標。測試項目包括：

1. 頻率響應測試：采用音頻信號發生器（如Audio Precision APx525）向輸入端輸入1Vrms 正弦信號，測量20Hz~20kHz 頻率范圍輸出幅值與相位響應，記錄±1dB 帶寬。

• 方法：將輸出濾波后的信號加載至示波器或頻譜分析儀，連接阻抗為8Ω的負載；分別測量幅頻響應并繪制曲線。檢查在極低頻（<50Hz）和極高頻（>20kHz）處的衰減是否平緩。

2. 總諧波失真加噪聲（THD+N）測試：在額定功率（8Ω，50W）條件下，輸入不同幅值的1kHz 正弦信號，測量放大器輸出端的THD+N。確保在1W、10W、50W輸出功率點的THD+N值分別小于0.01%、0.05%、0.1%。

• 方法：采用高精度失真分析儀（如Audio Precision）測量；同時進行不同頻率點（如100Hz、1kHz、10kHz）測試，以驗證全頻帶失真表現。

3. 信噪比（SNR）測試：在輸入端斷開信號源，僅保持增益不變的情況下，測量輸出端噪聲幅度（20Hz~20kHz 帶寬），與1W 輸出對應幅度相比，計算信噪比，目標應超過100dB。

• 方法：使用FFT 分析儀測量噪底；同時對比輸入信號時的輸出幅度，計算SNR。

4. 效率測試：測量在不同輸出功率點（1W、10W、25W、50W）時的輸入電流與輸出功率，計算效率曲線。驗證在額定50W 輸出時效率≥90%，在常用功率（10W~25W）下效率接近或超過92%。

• 方法：搭建精密可調直流電源，測量輸入電流；使用示波器或功率計測量輸出電壓及負載電流，計算輸出功率；并繪制效率曲線。

5. EMI測試：在電波暗室中進行輻射干擾測試，測量30MHz1GHz 頻段的輻射場強，確保滿足CISPR-B 等級限值；同時測量電源線傳導干擾（150kHz30MHz），確保插入損耗滿足標準。

• 方法：使用EMI 接收機及天線在3m 距離測量；對比限值曲線；在測量過程中加裝必要的饋電探頭以確保精度。

6. 保護功能驗證：通過人為短路、過載、過溫實驗驗證過流、過熱、欠壓保護動作是否正確。

• 方法：在測試臺上模擬揚聲器輸出短路，監測故障時間與輸出自動恢復機制；用溫控烤箱或加熱片提高MOSFET 結溫，觀察過熱關斷是否在設定溫度停止輸出；通過調節外部可調電源使供電電壓超出范圍，驗證欠壓/過壓鎖定是否正常。

7. 聲學測試與試聽：在標準聲學環境中連接揚聲器（如JBL Professional 305P MkII），播放標準音頻測試曲，進行主觀試聽，檢驗音質、低頻延展、中高頻清晰度及聲場均衡度。

• 方法：結合FFT 分析與人耳主觀評估相結合，對于任何米字波失真、抖動、爆音等異常進行排查。

完成上述測試后，對電路板布線、濾波參數、反饋環路補償網絡、保護閾值等進行必要的調校，以達到最佳性能。

十五、總結

本篇技術方案詳細介紹了PWM型D類音頻功率放大器的設計思路，涵蓋了從系統需求分析、模塊劃分、核心芯片選型、外圍器件選型（運放、PWM調制器、柵極驅動、MOSFET、濾波元件、保護元件等）、PCB布局與走線、電源管理、保護電路、散熱方案、EMI抑制，到最終系統測試與調校的完整設計流程。在元器件選型方面，推薦了TLV2372IDR 運放用于輸入級、TAS5613A 用于PWM調制與功率級集成、UCC27324P 用于柵極驅動、BSC614N04LS / NTMFS5C628NL / SiR846DP 等功率MOSFET、Coilcraft SER2915H 電感與WIMA MKP4 薄膜電容構建輸出低通濾波、ADA4528-2 零漂移運放用于反饋檢測、TPS7A4700 LDO 用于電源穩壓、TVS 與 MOV 用于過壓浪涌保護、TLV431 實現欠壓/過壓保護等。每種元器件的作用、選用理由與功能被詳細闡述，為工程師在類似項目設計中提供了完整而具體的參考。

通過該方案，設計出的D類放大器具有高效率（≥90%）、低失真（THD+N≤0.05%）、高信噪比（SNR>100dB）、寬帶寬（20Hz~20kHz±1dB）、可靠的保護功能（過流、過熱、欠壓/過壓）、以及優良的EMI性能（滿足CISPR-B 及FCC 標準）。該設計適用于便攜音箱、車載音響、家庭影院擴聲等多種應用場景，具備良好的成本效益和可擴展性。

在實際開發過程中，可根據具體應用對參數進行微調，例如調整PWM載波頻率、濾波器諧振頻率、保護閾值及PCB層數等，以進一步優化不同場景下的性能。同時，未來還可考慮采用新一代GaN MOSFET 替代硅MOSFET，以進一步降低開關損耗并提升效率，但需權衡成本。希望本技術方案能夠為從事D類音頻放大器設計的工程師提供全面、系統的指導和參考。