使用 TPA3221 设计并制造一款 100 瓦的立体声音频类 D 型放大器

时间：2026-05-13 15:34:35

关键字： D 型放大器蓝牙音箱 TPA3221

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[导读]我对音频技术情有独钟，这一点在我的大部分文章中都有体现。我总是会尝试一些新的集成电路或与音频相关的设备。今天要讲的是 D 类放大器。我制作了一个能够承受高达 200 瓦功率的立体声低音音箱，但我还没有一套适合直接安装在汽车里的好放大系统。而这个东西让我想到了 TPA3221 集成电路。同样的价格，任何人都能买到便宜的蓝牙音箱。但它们在半音量时就会失真，低音会急剧下降。在这种情况下，我想让我的 TPA3221 放大器直接由汽车电池供电驱动。

我对音频技术情有独钟，这一点在我的大部分文章中都有体现。我总是会尝试一些新的集成电路或与音频相关的设备。今天要讲的是 D 类放大器。我制作了一个能够承受高达 200 瓦功率的立体声低音音箱，但我还没有一套适合直接安装在汽车里的好放大系统。而这个东西让我想到了 TPA3221 集成电路。同样的价格，任何人都能买到便宜的蓝牙音箱。但它们在半音量时就会失真，低音会急剧下降。在这种情况下，我想让我的 TPA3221 放大器直接由汽车电池供电驱动。

这样它才能真正将强大的电力传输到真实的扬声器上，提供清晰的音频并具备恰当的工程设计。目标很简单：一款紧凑、高效率的立体声音频放大器，能够以每声道 100 瓦的功率连接到 4 欧姆的扬声器上。只是一款干净的模拟输入、扬声器输出的音频放大器，我可以将其与任何信号源搭配使用。在这篇文章中，我将带您了解整个设计过程。包括原理图和印刷电路板布局，还有实际的音频测试和聆听演示。请查看与该项目相关的 YouTube 视频。我已在 EasyEDA 中设计了印刷电路板，并从 JLCPCB 获得了制作材料，并对最终原型进行了测试。

为何选择 TPA3221?

市面上有众多的 D 类放大器集成电路产品。有 TPA3116、TPA3255、MAX98400 等等，但 TPA3221 却恰好处于一个难以超越的绝佳位置，非常适合用于自制立体声音响。下面让我们看看我为何会选择它：

•100 瓦立体声音响(两台 BTL 设备)或 200 瓦单声道(一台 PBTL 设备)，接入 4 欧姆负载。

•闭环反馈架构：它能够实时纠正输出滤波器和负载的变化。

•在 1 瓦功率、阻抗为 4 欧姆的情况下，总失真率(THD+N)为 0.02% 。

•108 分贝的信噪比，这比目前同功率等级的大多数商用放大器都要高。

•满负荷时效率可达 90%。

•宽电压供应范围：在 PVDD 上为 7V 至 30V

•内置保护功能：欠压锁定、过流保护和过热保护

•可选增益：18、24、30 或 34 分贝，可通过一个电阻器进行设置。

电路设计与原理图：

我在 EasyEDA 软件中设计了整个电路图，并将其分为四个功能模块：音频输入、电源滤波、放大器+控制以及输出滤波。接下来我将逐一介绍这些模块。

1) 音频输入：

输入阶段非常简单。我使用了单端输入(IN1、IN2)并通过 1 微法的交流耦合电容(C19、C20)进行连接。这些电容能够屏蔽来自源的任何直流偏移，并仅允许音频信号通过。正输入引脚(IN1_P、IN2_P)接收信号。负输入(IN1_M、IN2_M)通过各自的耦合电容与交流地相连。这就实现了数据手册中所描述的单端输入模式。

2)功率滤波：

这就是我花费时间最多的部分。一款工作频率为 600 千赫兹的 D 类放大器本质上就是一个高频功率转换器，电源的去耦必须正确，否则你就会听到异常声音。主 PVDD 电源轨(7 至 30 伏)通过两个 470 微法的电解电容(C14、C29)以及靠近 PVDD 引脚的 100 微法和 1 微法的陶瓷电容进行滤波。对于 5 伏电源轨，我做了特意的选择。我绕过了内部 LDO，并使用了一个外部 5 伏电源。TPA3221 内置有一个 LDO，但对于高功率设计，我更倾向于使用专用的 5 伏电源。这样可以保持模拟电源的纯净，避免对内部调节器造成负载。

3)放大器配置：

TPA3221 采用立体双通道模式(2 个双通道)配置。通过 GAIN/SLV 引脚上的电阻分压器将增益设置为 30 分贝。R5(100k)拉高至 +5V，R4(39k)拉低至地。2. 将 R3(51k)连接到 FREQ_ADJ 引脚并接地，可将标准脉宽调制频率设置为 600kHz。HEAD 引脚保持悬空状态，这默认采用幅度定义调制模式。在幅度定义模式下，待机电流更低，且在低输出电压时效率更高。C1、C30、C31、C32 每个 BST 引脚对的容量均为 33nF。这些电容在低侧导通时间内充电，并为高侧 MOSFET 提供栅极驱动电压。

4) 重置与静音控制：

复位引脚在正常运行时需要保持高电平状态。在首次接通电源时，您需短暂将其拉低以初始化芯片，然后将其拉回高电平。我将此引脚引出并连接到一个引脚插头(U4)以实现手动控制。静音控制引脚需要一个低电平脉冲来解除放大器的静音状态。当静音控制引脚处于高电平时，输出会被静音。

5) 输出滤波器：

每个半桥输出端都配备了一个 LC 低通滤波器，即一个 10 微亨的电感后接滤波电容。这样就能将脉冲宽度调制(PWM)开关信号重新还原为音频波形。缓冲网络非常重要，但在 DIY 设计中却常常被忽视。我在每个输出端串联了一个 2.2 欧姆的电阻和一个 1 微法的电容(R7-R10，C33-C34，C39-C40)。这些元件能够抑制由电感-电容谐振以及扬声器线的寄生电感所引起的振荡。在差分输出端还并联了 10 微法的电容(C35--C38)，而在 1 微法的电容(C6、C7、C41、C42)则提供了进一步的滤波作用。

关键组件：

•U1(TPA3221DDVR)| 100 瓦级 D 类放大器集成电路

•C14、C29 | 470 微法电解电容 | 大容量滤波，PVDD 供电

•C19、C20 | 1 微法陶瓷电容 | 输入交流耦合

•C1、C30、C31、C32 | 33纳法陶瓷电容 | 基本电容

•L1、L2、L3、L4 | 10 微亨 | 输出 LC 滤波电感器

•R7、R8、R9、R10 | 2.2 欧姆 | 输出缓冲电阻器

•C33、C34、C39、C40 | 1纳法 | 输出缓冲电容

•R3 | 51k | 脉冲频率(600 千赫兹)

•R4 | 39k | 增益选择(30 分贝)至地线

•R5 | 100k | 增益选择(30 分贝)至 +5V

•R1 | 2.2 欧姆 | AVDD/GVDD RC 滤波器

•U2 (BSS138) | CMUTE 控制 MOSFET

•C23 | 33纳法 | 互补金属氧化物半导体定时电容

PCB 设计：

这是一款在 EasyEDA 软件中设计的四层电路板。其尺寸为 71.25 毫米 x 62.1 毫米，对于一款 100 瓦的立体声音响来说，这个尺寸已经相当紧凑了。我将顶层和底层用作信号层，中间层用作内部层作为参考。第二层用于接地平面，第三层用于电源平面。然后在顶层和底层涂上铜箔以减少串扰。我通过 JLCPCB 的服务来制作这个电路板，我对这个电路板的组装服务感到非常满意，它完美无缺且可以直接使用。您可以尝试使用 JLCPCB 来完成您的项目。

TPA3221 位于电路板的中心位置。在左侧，音频输入接口(IN1、IN2 信号接口)和电源接口(VDD、GND、+5V)被放置在该位置。右侧是扬声器输出接口(扬声器 1 和扬声器 2，每个接口都有正负电极)。左下角是静音和复位引脚接口，带有开关，用于手动控制。两个 470 微法的电解电容分别靠近电源输入端和输出级放置。这样可以将电容的大部分容量集中在最需要的地方。从这里下载所有设计文件。

散热垫处理：

在集成电路的热垫部分，它位于集成电路的顶部，而非底部。大多数功率集成电路都有一个位于底部的裸露焊盘，您可以直接将其焊接到印刷电路板上，并通过热通孔与接地平面相连。而对于 TPA3221 这款芯片，其顶部的热垫设计用于与安装在芯片顶部的散热器进行连接。数据手册建议，在没有散热器的情况下，其接点与环境的热阻为 44.8 摄氏度/瓦特;而配备固定 85 摄氏度的散热器时，其热阻则为 5.5 摄氏度/瓦特。

测试与结果：

我用 24 伏的实验电源和一个外部 5 伏电源为电路板供电，其中逻辑电路板的电源来自另一个电源以监测两者的电流。在完成初始复位序列(先将 RESET 信号拉低，然后拉高)以及通过 CMUTE 接口解除静音后，放大器启动了。完整的音频测试内容您可以参考此处附带的视频。我尝试了音乐播放、频率扫描、低音响应以及实际使用扬声器的真实聆听感受。

音频质量这类东西很难通过文字来准确传达。您得亲自去聆听才能明白。在中等音量下，我可以这样描述：放大器完全静音无声。没有嘶嘶声、没有嗡嗡声、也没有可察觉的切换噪音。闭环反馈发挥了作用，音质明显比我之前试用过的开环类 D 类设计要好得多。

结尾：