TPA3116D2 — стереоусилитель класса D на 2 × 50 Вт

Семейство

Размер корпуса — 11,00 × 6,20 мм (номинал) у обоих вариантов. θJA у TPA3130D2 и TPA3118D2 измерено на платах их оценочных модулей, у TPA3116D2 — с радиатором 14 мм шириной, 50 мм длиной и 25 мм высотой, прижатым к верхней площадке. TI отмечает, что TPA3130D2 отдаёт 2 × 15 Вт без радиатора на однослойной плате, TPA3118D2 — 2 × 30 Вт на 8 Ом без радиатора на двухслойной, а TPA3116D2 нужен небольшой радиатор на верхней площадке. Все три разведены одинаково, поэтому одна плата подходит под любую модель — кроме охлаждения: у TPA3116D2 тепло уходит вверх, у остальных — в плату.

Выводы

Логические входы MODSEL, SDZ, MUTE и AM0–AM2 понимают единицу от 2 В и ноль до 0,8 В, напряжение на них допускается до PVCC + 0,3 В. Но скорость нарастания на них ограничена 10 В/мс: если вход подключён прямо к питанию, которое включается быстрее, TI требует последовательный резистор 100 кОм. Наш вывод: SDZ (а при постоянном уровне — и AM0–AM2, MODSEL), подтянутые к PVCC без резистора, — частая ошибка самодельных плат. MUTE так подтягивать нельзя: единица на нём отключает выходы, поэтому для работы MUTE держат в нуле или управляют им от микроконтроллера.

Усиление и входы

Усиление задаёт делитель на GAIN/SLV (R1 — к земле, R2 — к GVDD, допуск 5 % или лучше); от него же зависит входное сопротивление:

Входы подключают через конденсаторы: они вместе с входным сопротивлением образуют фильтр верхних частот f = 1 / (2π · Zвх · C). TI выбирает частоту среза в 10 раз ниже 20 Гц, чтобы не завалить басы; если допустим спад 3 дБ на 20 Гц, ёмкость можно уменьшить в 10 раз. Наш расчёт: при 26 дБ и конденсаторе 1 мкФ срез 1 / (2π · 30 кОм · 1 мкФ) ≈ 5,3 Гц. Входное сопротивление имеет допуск ±20 %, поэтому при 36 дБ оно не ниже 7,2 кОм. Полярный конденсатор ставят плюсом к микросхеме: входы смещены на 3 В. Посчитать фильтр поможет калькулятор RC-фильтра, перевести децибелы в разы — калькулятор децибел (20 дБ — в 10 раз по напряжению, 36 дБ — примерно в 63 раза).

Для несимметричного источника второй вход канала соединяют с землёй через такой же конденсатор — лучше у источника, а не у микросхемы. Сопротивления, которые видят два входа канала, должны быть одинаковыми, иначе при включении возможен щелчок и ложное срабатывание защиты от постоянного напряжения.

Ограничение мощности (PLIMIT)

Вывод PLIMIT ограничивает размах выходного напряжения так, будто микросхема питается от меньшего напряжения: «виртуальное» питание примерно в 4 раза выше напряжения на PLIMIT. Делитель ставят от GVDD к земле, на PLIMIT — конденсатор 1 мкФ к земле; в режиме 1SPW TI рекомендует PLIMIT соединять с GVDD. Примеры из табл. 3 (усиление 26 дБ, вход 1 В ср. кв.):

Строка «12 В, GVDD» в табл. 3 ревизии G записана наоборот — перемычка к GND и обрыв к GVDD: при перемычке на землю PLIMIT был бы в нуле, а по формуле VP = 4 · VPLIMIT выход упал бы почти до нуля. В таблице выше она приведена в рабочем прочтении — PLIMIT на GVDD, как в строке для 24 В, которую TI исправила в ревизии G (наш вывод).

Наш расчёт по первой строке: 17,9 В ср. кв. на 8 Ом — 17,9² / 8 ≈ 40 Вт, а на 4 Ом было бы 80 Вт при пиковом токе 17,9 · √2 / 4 ≈ 6,3 А — близко к порогу защиты 7,5 А. Поэтому номинал «50 Вт на 4 Ом» TI даёт при 21 В, а при 24 В и динамиках 4 Ом мощность разумно ограничить выводом PLIMIT.

Частота и модуляция

Несколько частот нужны, чтобы гармоники переключения не попадали на частоту принимаемой АМ-станции. Ведущая микросхема выдаёт тактовый сигнал на SYNC, ведомые его принимают — так собирают системы 2.1 (пример TI: ведущая в стерео и ведомая в моно).

MODSEL выбирает модуляцию. В режиме BD (MODSEL = 0) оба выхода канала без сигнала переключаются в фазе, разность на динамике почти всё время близка к нулю — это позволяет работать без LC-фильтра на индуктивную нагрузку с короткими проводами. В режиме 1SPW (MODSEL = 1) без сигнала выходы модулированы примерно на 15 %, а с сигналом переключается в основном один выход: КПД выше, но чуть больше искажений и строже требования к выходному фильтру. Модуляция BD подробно описана и в руководстве TI по LC-фильтрам SLAA701B.

Выходной фильтр и нагрузка

Минимальная нагрузка TPA3116D2 в стерео — 3,2 Ом (номинал 4 Ом) с фильтром 10 мкГн и 680 нФ, в моно — 1,6 Ом с фильтром 10 мкГн и 1 мкФ; при коротком замыкании индуктивность фильтра должна быть не меньше 1 мкГн. Наш расчёт по формуле однотактного LC-фильтра из SLAA701B: f₀ = 1 / (2π√(LC)) для 10 мкГн и 680 нФ — около 61 кГц, выше звукового диапазона и в 6,5 раза ниже частоты переключения 400 кГц. Проверить свой вариант можно в калькуляторе LC-резонанса. С короткими проводами к динамику TI допускает фильтр из ферритовых бусин с конденсатором; резонанс такого фильтра должен быть ниже 10 МГц.

Выходные каскады — только N-канальные транзисторы, поэтому у каждого выхода есть вольтодобавочный конденсатор 220 нФ X5R или лучше на напряжение не меньше 16 В между выводом BSxx и своим выходом.

Электрические характеристики

По табл. 6.5 и 6.6 (TA = 25 °C, AVCC = PVCC = 12–24 В, нагрузка 4 Ом):

Делители GAIN/SLV и PLIMIT TI советует делать общим сопротивлением от 100 кОм, чтобы не нагружать GVDD; сам GVDD как источник питания для других цепей использовать нельзя.

Защиты

Защёлку сбрасывает ноль на SDZ; для автоматического перезапуска FAULTZ соединяют с SDZ. Защита от постоянного напряжения бережёт динамик от пробитого входного конденсатора; минимальное смещение, при котором она срабатывает, — 0,96 В при 4,5 В питания, 1,3 В при 6 В, 2,6 В при 12 В и 3,9 В при 18 В. Чтобы она не срабатывала ложно при включении, TI советует держать SDZ в нуле, пока сигнал на входах не установится. Перед выключением питания SDZ тоже переводят в ноль — так меньше щелчок.

Расхождения в документации

• Порог перегрева. В таблице 6.6 — «150+ °C» и гистерезис 15 °C, в разделе 7.3.11 — 150 °C с разбросом ±15 °C между экземплярами. Наш вывод: порог может оказаться и около 135 °C, закладывайте тепловой запас.
• Питание. Рабочий диапазон — до 26 В, защита от повышенного напряжения срабатывает выше 27 В, а предельное напряжение — 30 В. Наш вывод: блок питания на 24 В с выбросами при сбросе нагрузки близок к порогу 27 В, после которого выходы отключаются.