Max98357 概述

Max98357 是 Maxim Integrated（美信半導體）公司生產的一款數字輸入 D 類音頻功率放大器。與傳統的模擬輸入放大器不同，Max98357 直接接收 I2S（Inter-IC Sound）數字音頻數據，省去了外部數模轉換器（DAC）的需求，從而簡化了電路設計，減少了元件數量，并降低了噪聲和失真。它能夠在單電源供電下，為 4Ω 負載提供高達 3.2W 的輸出功率，或者為 8Ω 負載提供 1.8W 的輸出功率，效率高達 92%，使其非常適合電池供電的應用。

Max98357 工作原理

Max98357 的核心工作原理是數字 I2S 信號的接收與 D 類放大。

I2S 接口

I2S 是一種用于在數字音頻設備之間傳輸數字音頻數據的串行總線協議。它通常由以下幾根線組成：

• BCLK (Bit Clock)：位時鐘，用于同步數據傳輸。每個時鐘周期傳輸一個數據位。

• LRCLK (Left/Right Clock 或 Word Select)：左右時鐘或字選擇，也稱為幀時鐘。它指示當前正在傳輸的是左聲道還是右聲道數據，并且定義了一個音頻采樣幀的開始。

• DIN (Data In)：數據輸入線，承載實際的數字音頻數據。

Max98357 通過這三根線接收來自微控制器、音頻處理器或其他數字音頻源的 I2S 數據流。它支持多種 I2S 數據格式，包括標準 I2S、左對齊（Left-Justified）、右對齊（Right-Justified）等，并通過簡單的引腳配置即可選擇。

數字音頻處理

接收到的 I2S 數字音頻數據首先在 Max98357 內部進行數字信號處理。這包括：

• 數字到脈沖寬度調制 (PWM) 轉換：D 類放大器的基本原理是將模擬音頻信號轉換為數字 PWM 信號。對于 Max98357 而言，由于其輸入已經是數字 I2S 信號，內部數字處理單元直接將這些數字音頻數據轉換為高頻率的 PWM 信號。PWM 信號的占空比（高電平持續時間與周期之比）與原始音頻信號的瞬時幅度成正比。

• 調制與濾波：為了生成高效的 PWM 信號，Max98357 采用了先進的調制技術，如 Σ-Δ 調制器。這種調制器將數字音頻數據轉換為高頻數字位流，然后通過低通濾波器平滑處理，形成 D 類放大器所需的 PWM 信號。

D 類放大器

D 類放大器（Class-D Amplifier）是一種高效的音頻放大器類型，其工作原理與傳統的 A 類、B 類或 AB 類放大器有顯著不同。

• 開關工作：D 類放大器通過高速開關輸出晶體管來放大信號。這些晶體管在完全導通（飽和）或完全截止（斷開）兩種狀態之間快速切換，而不是像線性放大器那樣工作在晶體管的線性區域。這種開關工作方式大大減少了晶體管在導通電阻上的功率損耗，從而顯著提高了效率。

• PWM 驅動：Max98357 內部的驅動電路根據前面生成的 PWM 信號來控制外部或內部的功率 MOSFE T或 BJT 晶體管的開關。當 PWM 信號為高電平時，晶體管導通；當為低電平時，晶體管截止。

• 輸出低通濾波器：D 類放大器的輸出是一個高頻的 PWM 波形。為了從這個波形中恢復原始的音頻信號并消除高頻開關噪聲，需要一個低通濾波器。Max98357 可以配置為**無濾波器（Filterless）**工作模式，在這種模式下，揚聲器的電感和阻抗以及人耳對高頻聲音的不敏感性共同起到濾波作用，從而進一步簡化了外部電路。然而，在某些應用中，為了更好的音質或滿足電磁兼容性（EMC）要求，可能需要外部 LC 低通濾波器。Max98357 的無濾波器工作模式主要得益于其獨特的擴頻調制技術，它將開關噪聲能量分散到更寬的頻率范圍，從而降低了峰值噪聲，使得不需要外部 LC 濾波器也能通過 EMC 測試。

通過這種方式，Max98357 將數字 I2S 數據直接轉換為揚聲器可以播放的模擬聲音信號，同時保持極高的效率。

Max98357 主要特性

Max98357 具備一系列優異的特性，使其在各種音頻應用中脫穎而出。

1. 數字 I2S 輸入

• 簡化設計：直接接收 I2S 數字音頻數據，無需外部 DAC，減少了元件數量和 PCB 空間。

• 高音質：數字輸入避免了模擬信號傳輸中的噪聲和失真累積，提供更清晰、更保真的音頻體驗。

• 多種 I2S 格式支持：兼容標準 I2S、左對齊、右對齊等多種數字音頻格式，通過 MODE 引腳配置即可實現。這大大增加了其與不同音頻源的兼容性。

2. 高效率 D 類放大

• 高達 92% 的效率：顯著降低功耗，延長電池供電設備的續航時間，并減少散熱需求。這使得 Max98357 非常適合便攜式設備，如智能音箱、平板電腦、智能手機等。

• 降低發熱：由于高效率，芯片本身產生的熱量非常少，通常不需要額外的散熱片，簡化了散熱設計。

3. 無濾波器工作模式

• 節省空間和成本：在許多應用中無需外部 LC 低通濾波器，進一步縮小了 PCB 面積，降低了 BOM（物料清單）成本。這對于空間受限的小型設備尤其重要。

• 專利擴頻調制：通過將開關頻率能量分散到更寬的頻譜，有效降低了輻射電磁干擾（EMI），使其更容易通過 EMC 認證。

4. 輸出功率與電源電壓

• 寬電源電壓范圍：通常工作在 2.5V 至 5.5V 單電源供電，使其能夠方便地與各種微控制器和系統電源兼容。

• 靈活的輸出功率：

• 5V 供電時，向 4Ω 負載提供 3.2W 功率。

• 5V 供電時，向 8Ω 負載提供 1.8W 功率。

• 3.3V 供電時，向 4Ω 負載提供 1.6W 功率。

• 3.3V 供電時，向 8Ω 負載提供 0.9W 功率。 這些功率輸出足以驅動大多數小型揚聲器，例如智能音箱、耳機底座、玩具等。

5. 增益選擇

• 多種固定增益選項：通過一個或兩個引腳的簡單電平設置，Max98357 提供了 3dB、6dB、9dB、12dB、15dB 甚至更高的固定增益選擇。這使得用戶無需外部電阻分壓器即可調整放大器的增益，簡化了電路并提高了可靠性。

• 簡化外部電路：無需增益設置電阻，進一步節省了 PCB 空間。

6. 低功耗關斷模式

• 低靜態電流：在關斷模式下，Max98357 的靜態電流極低，有助于延長電池壽命。

• 快速啟動：從關斷模式到正常工作模式的轉換非常迅速，保證了音頻播放的即時性。

7. 保護功能

• 過溫保護：當芯片內部溫度過高時，自動進入保護模式，防止芯片損壞。

• 短路保護：輸出端短路時，放大器會進入保護模式，避免損壞。

• 過流保護：防止過大的電流流過芯片。

• 欠壓鎖定 (UVLO)：當電源電壓低于安全工作范圍時，芯片停止工作，防止不穩定操作。 這些保護功能確保了 Max98357 在各種工作條件下的穩定性和可靠性。

8. 小尺寸封裝

• 緊湊型封裝：通常采用 9 焊球 WLP (Wafer-Level Package) 或 16 引腳 TQFN 封裝，極大地節省了電路板空間，非常適合小型化產品設計。

Max98357 引腳定義與功能

Max98357 的引腳數量相對較少，但每個引腳都承載著重要的功能。以下以常見的 9 焊球 WLP 封裝為例進行說明，不同封裝的引腳名稱和順序可能略有差異，但功能大同小異。

重要提示：

• 查閱數據手冊：上述引腳功能是通用描述，具體的引腳名稱、編號、功能配置（特別是 SD_MODE 和 GAIN 引腳的詳細配置表）務必參考 Maxim Integrated 官方的 Max98357 完整數據手冊（Datasheet）。不同版本的芯片或封裝可能會有細微差異。

• 旁路電容：在 VDD 和 GND 之間需要連接適當的去耦電容（通常為 100nF 和 10uF），以確保電源的穩定性，抑制高頻噪聲。

• 引腳懸空處理：對于未使用的功能引腳（如 GAIN 引腳），數據手冊通常會建議其處理方式（接地、連接到 VDD 或懸空），以避免不確定狀態。

Max98357 典型應用電路

Max98357 的典型應用電路非常簡潔，這正是其受歡迎的原因之一。以下是一個基本的連接示例：

基本連接圖

                  +-------------------+
                  |      MAX98357     |
                  |                   |
                  |     VDD ----+     |
                  |             |     |
                  |             C1    |
                  |             |     |
                  |     GND ----+-----|
                  |                   |
Microcontroller   |     BCLK ---------> BCLK |
(or I2S Source)   |     LRCLK --------> LRCLK|
                  |     DIN ----------> DIN  |
                  |                   |
                  |     SD_MODE -------> (控制/模式選擇) |
                  |     GAIN ----------> (增益選擇)     |
                  |                   |
                  |     SPKOUT_P -----+----> SPEAKER (+) |
                  |     SPKOUT_N -----+----> SPEAKER (-) |
                  +-------------------+

電路元件說明

• Max98357 芯片：核心組件。

• 電源 (VDD, GND)：提供 2.5V 至 5.5V 的單直流電源。

• 去耦電容 (C1)：通常在 VDD 和 GND 之間放置一個 100nF (0.1uF) 的陶瓷電容和一個 10uF 或更大容量的電解電容，以濾除電源噪聲并提供瞬時電流。這些電容應盡可能靠近 Max98357 的 VDD 和 GND 引腳放置。

• I2S 信號源：可以是微控制器（如 ESP32、STM32 等）、樹莓派、Arduino 兼容板（通過擴展板）或其他支持 I2S 輸出的數字音頻處理器。

• 揚聲器 (SPEAKER)：連接到 SPKOUT_P 和 SPKOUT_N。Max98357 可以驅動 4Ω 或 8Ω 的揚聲器。

• SD_MODE 引腳連接：

• 關斷/使能：通常連接到微控制器的一個 GPIO 引腳，用于控制芯片的開關。拉低進入關斷模式，拉高進入正常工作模式。

• 模式選擇：除了開關功能外，該引腳還可以通過特定的連接（如懸空、接地或連接到 VDD）來選擇不同的 I2S 數據格式（如 I2S、左對齊、右對齊）。具體的配置請參考數據手冊。例如，在某些配置下，拉低 SD_MODE 可以選擇 I2S 模式，拉高則選擇左對齊模式。

• GAIN 引腳連接：

• 增益選擇：通過將 GAIN 引腳連接到 GND、VDD 或懸空，或者通過分壓電阻，Max98357 可以配置為不同的固定增益。例如，如果連接到 GND，可能設置 3dB 增益；如果連接到 VDD，可能設置 6dB 增益。具體的增益配置表在數據手冊中有詳細說明。

無濾波器應用

Max98357 的一個顯著優點是其在許多應用中可以實現無濾波器工作。這意味著揚聲器可以直接連接到 SPKOUT_P 和 SPKOUT_N 引腳，而無需外部的電感-電容（LC）低通濾波器。這得益于 Max98357 內部的專利擴頻調制技術，它能有效地降低 EMI。

優點：

• 節省空間：無需大型的電感和電容，減小了 PCB 尺寸。

• 降低成本：減少了 BOM 成本。

• 簡化設計：無需計算濾波器參數，加快了開發速度。

注意事項：

• 盡管可以在無濾波器模式下工作，但在某些對 EMC 要求極高的應用中，或者為了獲得更高的音質（消除少量可聞的高頻噪聲），仍然可以考慮添加外部 LC 濾波器。

• 揚聲器引線應盡可能短，以減少輻射。

Max98357 使用時的注意事項

為了充分發揮 Max98357 的性能并確保其穩定可靠地工作，在使用時需要注意以下幾點：

1. 電源設計

• 穩定性：提供干凈、穩定的電源對音頻放大器至關重要。電源中的噪聲會直接影響音頻輸出的質量。

• 去耦電容：務必在 VDD 引腳附近放置足夠的去耦電容。通常建議放置一個 0.1uF 的陶瓷電容和一個 10uF 或更大的電解電容。這些電容應盡可能靠近芯片的 VDD 和 GND 引腳，以有效濾除高頻噪聲和提供瞬時電流，抑制紋波。

• 電源走線：電源走線應盡量寬而短，以減小阻抗，降低電壓降。

2. PCB 布局

• 地線規劃：良好的地線規劃是減少噪聲和串擾的關鍵。建議采用星形接地或大面積覆銅地，確保數字地和模擬地（如果有的話）之間有清晰的分界，并最終在一點匯合。

• 信號走線：

• I2S 信號線：BCLK、LRCLK 和 DIN 信號線應盡可能短，并保持相同的長度，以減少時序偏差和信號完整性問題。盡量避免與其他高速數字信號線平行走線，以防串擾。

• 揚聲器輸出線：SPKOUT_P 和 SPKOUT_N 走線應盡量寬且短，以減小損耗和輻射。這兩條線應走在一起（差分對），并遠離敏感的模擬或數字輸入信號線。

• 組件放置：去耦電容、芯片、揚聲器連接器等關鍵組件應合理布局，以優化信號路徑并減少環路面積。

3. I2S 信號源

• 時序匹配：確保 I2S 信號源（如微控制器）提供的 BCLK、LRCLK 和 DIN 信號時序符合 Max98357 數據手冊中的要求。包括采樣率、位寬、數據格式（I2S、左對齊、右對齊）等。

• 主從模式：Max98357 作為 I2S 從設備，需要外部 I2S 主設備提供時鐘。因此，您的微控制器需要配置為 I2S 主模式。

• MCLK (Master Clock)：Max98357 通常不需要 MCLK 輸入，它通過內部 PLL 從 BCLK 或 LRCLK 恢復時鐘。這簡化了連接，但要求 BCLK 和 LRCLK 具有良好的穩定性。

4. 揚聲器匹配

• 阻抗：確保選擇的揚聲器阻抗（通常為 4Ω 或 8Ω）與 Max98357 的推薦負載阻抗匹配。不匹配的阻抗可能導致輸出功率降低或芯片過熱。

• 功率：選擇額定功率與 Max98357 輸出功率相匹配的揚聲器。如果揚聲器額定功率過低，可能會被 Max98357 的大功率輸出損壞。

5. 增益和模式配置

• SD_MODE 引腳：正確配置 SD_MODE 引腳以選擇所需的 I2S 數據格式和控制芯片的開關狀態。仔細閱讀數據手冊中的 SD_MODE 配置表。

• GAIN 引腳：根據應用需求，通過 GAIN 引腳選擇合適的固定增益。過高的增益可能導致削波失真，而過低的增益可能導致音量不足。

6. 散熱

• 盡管 Max98357 效率很高，發熱量小，但在高功率輸出和環境溫度較高的情況下，仍需注意散熱。確保 PCB 布局能提供足夠的散熱途徑，例如通過大面積覆銅連接到 GND 引腳或散熱焊盤。

• 避免將芯片放置在密閉、不通風的空間。

7. 啟動和關斷序列

• 在電源上電時，遵循數據手冊中推薦的啟動序列（如果提供），例如先上電 VDD，然后拉高 SD_MODE。

• 在關斷時，先拉低 SD_MODE，然后斷開 VDD，以確保平穩關斷，避免沖擊噪聲。

8. 靜電放電 (ESD)

• 所有半導體器件都對 ESD 敏感。在處理 Max98357 或含有該芯片的 PCB 時，應采取適當的 ESD 防護措施，例如佩戴防靜電手環、使用防靜電工作臺。

Max98357 的優勢與劣勢

優勢

• 高效率：D 類放大器的最大優勢，顯著降低功耗，特別適用于電池供電的應用。

• 數字輸入 (I2S)：簡化了系統設計，無需外部 DAC，減少了元件數量和 PCB 空間，降低了成本，并提升了音質（減少了模擬信號路徑中的噪聲）。

• 無濾波器模式：進一步簡化了外部電路，節省了空間和成本，特別是對于小型化設備。

• 小尺寸封裝：利于產品的小型化設計。

• 良好的音質：數字輸入和低失真設計確保了清晰的音頻輸出。

• 集成保護功能：過溫、短路、過流等保護功能提高了系統的可靠性。

• 固定增益選擇：簡化了增益配置，無需外部電阻。

劣勢

• 對 I2S 信號質量要求高：如果 I2S 信號本身存在抖動或不穩定性，可能會影響音質。

• 輸出噪聲：盡管有擴頻調制，但 D 類放大器固有的開關特性仍可能在某些極端應用或高要求聽音環境下產生微弱的高頻噪聲，雖然在大多數情況下人耳不可聞。

• 固定增益限制：對于需要精確可調或動態增益控制的應用，固定增益可能不夠靈活，需要額外的數字音量控制。

• 不支持模擬輸入：只能處理數字 I2S 音頻，無法直接接收模擬音頻信號，需要額外的 ADC（如果輸入源是模擬信號）。

• 特定 I2S 格式支持：雖然支持多種格式，但仍需確保源設備的 I2S 輸出格式與 Max98357 支持的格式兼容。

Max98357 與其他 D 類放大器的對比

市場上存在多種 D 類音頻放大器，Max98357 在其中具有獨特的定位。

與模擬輸入 D 類放大器對比

• Max98357 (數字輸入)：

• 優點：省去外部 DAC，系統更簡潔，音質受模擬噪聲影響小。

• 缺點：只能處理 I2S 數字音頻，無法直接連接模擬音頻源。

• 傳統模擬輸入 D 類放大器：

• 優點：可以直接連接模擬音頻源（如耳機插孔、RCA 輸出），應用更廣泛。

• 缺點：需要外部 DAC（如果音頻源是數字的），模擬信號路徑容易引入噪聲。

與帶 DSP 的 D 類放大器對比

• Max98357 (基礎功能)：

• 優點：簡單易用，成本低，適合不需要復雜音頻處理的應用。

• 缺點：不包含內置 DSP 功能（如均衡器、限幅器、動態范圍壓縮等），如果需要這些功能，需要在外部微控制器或 DSP 中實現。

• 帶 DSP 的 D 類放大器：

• 優點：集成度高，提供強大的音頻處理能力，可以實現更復雜的音效。

• 缺點：成本更高，配置更復雜，通常需要專門的軟件工具。

與更高功率 D 類放大器對比

• Max98357 (低到中等功率)：

• 優點：非常適合驅動小型揚聲器（如 0.5W - 5W），體積小，功耗低。

• 缺點：不適合驅動大功率揚聲器或需要高音量的應用。

• 高功率 D 類放大器：

• 優點：可以驅動大功率揚聲器，提供更高的音量。

• 缺點：體積更大，通常需要更多的外部元件，散熱要求更高，成本也更高。

因此，Max98357 是一款非常適合嵌入式、低功耗、小體積數字音頻應用的選擇，尤其是在智能音箱、物聯網設備、玩具、便攜式媒體播放器等領域表現出色。

Max98357 的應用場景

Max98357 因其獨特的優勢，在眾多領域都有廣泛的應用：

1. 智能音箱/語音助手設備

這是 Max98357 最典型的應用之一。智能音箱通常包含一個微控制器（如 ESP32、Raspberry Pi Zero）來處理語音識別和網絡通信，然后通過 I2S 接口將音頻數據傳輸給 Max98357，驅動內置的小型揚聲器播放語音回復、音樂或其他音頻內容。其小尺寸和高效率非常適合此類電池供電或空間受限的產品。

2. IoT (物聯網) 設備

許多物聯網設備需要發出聲音提示或播放簡單的音頻。例如：

• 智能門鈴：播放歡迎語或門鈴聲。

• 智能家居控制器：發出操作確認音效。

• 智能鬧鐘：播放鬧鐘鈴聲或音樂。 Max98357 的低功耗特性使其成為這些長時間在線設備的理想選擇。

3. 便攜式音頻設備

• DIY 媒體播放器：基于微控制器或單片機的自制音樂播放器。

• 玩具：需要播放音樂或語音的兒童玩具。

• 教育電子產品：教學用具，如點讀筆、電子詞典等。 Max98357 的簡潔設計和低 BOM 成本對這些產品極具吸引力。

4. 穿戴設備

雖然穿戴設備通常使用更低功率的放大器，但在某些需要播放語音提示或簡單音樂的智能手表、手環等設備中，如果空間允許且功率需求匹配，Max98357 也是一個可行的選擇。

5. 機器人

小型機器人通常需要通過語音與人互動。Max98357 可以作為機器人語音輸出的核心放大器，驅動其內部的揚聲器。

6. 工業 HMI (人機界面)

在工業控制面板或人機界面中，可能需要通過聲音提示操作人員或發出警報。Max98357 可以在這些嵌入式系統中提供音頻輸出能力。

7. 游戲機外設/掌上游戲機

一些定制的游戲機外設或小型掌上游戲機可能需要驅動內置揚聲器來提供游戲音效，Max98357 在此也能發揮作用。

Max98357 的未來展望

隨著物聯網和智能設備的不斷發展，對小尺寸、高效率、高性能音頻解決方案的需求將持續增長。Max98357 作為一款成熟且廣受歡迎的數字輸入 D 類放大器，在未來仍將占據重要地位。

未來的發展趨勢可能包括：

• 更低的功耗：進一步優化靜態電流和關斷電流，以滿足更嚴格的電池壽命要求。

• 更高的集成度：可能會集成更多的數字信號處理功能，如簡單的 EQ、音量控制等，但同時保持小尺寸和低成本。

• 更先進的保護機制：增強對各種異常情況的保護能力。

• 更小的封裝：隨著封裝技術的進步，芯片尺寸可能會進一步縮小。

• 更好的抗 EMI 性能：即使在復雜的電磁環境下也能保持穩定的音頻輸出。

Max98357 代表了現代音頻放大器設計的一個重要方向——數字化、高效率、高集成度。它的易用性和優異性能使其成為許多嵌入式音頻項目的理想選擇，并將繼續在未來的智能音頻世界中扮演重要角色。

總結

Max98357 是一款卓越的數字 I2S 輸入 D 類音頻放大器，它將 I2S 解碼、數字到 PWM 轉換和高效 D 類放大功能集成在一個小巧的芯片中。其主要優勢在于直接數字輸入帶來的高音質、極高的效率帶來的低功耗和低發熱、以及無濾波器工作模式帶來的設計簡化和成本降低。

通過深入了解其工作原理、引腳功能、典型應用和使用注意事項，開發者可以有效地將 Max98357 集成到各種嵌入式音頻項目中，無論是智能音箱、物聯網設備還是其他需要高質量音頻輸出的便攜式應用。Max98357 以其高性能和易用性，無疑是現代數字音頻系統設計的強大工具。