MAX98358：高性能PDM输入Class D音频功率放大器的卓越之选

引言

在当今的音频设备领域，对于高性能、高效率且紧凑的音频功率放大器的需求日益增长。Maxim Integrated的MAX98358 PDM输入Class D音频功率放大器，凭借其独特的设计和出色的性能，成为了众多应用的理想选择。本文将深入剖析MAX98358的特性、工作原理以及应用要点，为电子工程师在音频设计中提供有价值的参考。

文件下载：MAX98358.pdf

一、产品概述

MAX98358是一款数字脉冲密度调制（PDM）输入的Class D功率放大器，它巧妙地融合了Class AB音频性能和Class D的高效率。该IC通过单个增益选择输入（GAIN）提供五种可选增益设置（3dB、6dB、9dB、12dB和15dB），并可根据立体声输入数据配置为产生左声道、右声道或（左声道/2 + 右声道/2）输出。

二、关键特性

2.1 电源与效率

• 单电源供电：支持2.5V至5.5V的单电源操作，适应多种电源环境。
• 高输出功率：在5V电源下，可向4Ω负载提供3.2W的输出功率。
• 低静态电流：在 (V_{DD}=3.7V) 时，静态电流仅为1.8mA，有效降低功耗。
• 高效率：当 (R{L}=8Ω) 且 (P{OUT}=1.5W) 时，效率高达92%。
• 低输出噪声：在 (A_{V}=6dB) 时，输出噪声低至29µVRMS。

2.2 音频性能

• 低失真：在1kHz时，总谐波失真加噪声（THD+N）低至0.013%，确保高质量音频输出。
• 宽PDM_CLK速率支持：支持1.84MHz - 4.32MHz和5.28MHz - 8.64MHz的PDM_CLK速率，提供灵活的时钟选择。
• 多声道输出支持：支持左声道、右声道或左声道/2 + 右声道/2输出，满足不同音频配置需求。

2.3 电磁兼容性与抗干扰性

• 低EMI设计：采用先进的有源发射限制、边沿速率限制和过冲控制电路，大幅降低电磁干扰（EMI）。
• 无滤波器输出：独特的无滤波器扩频调制方案，消除了传统Class D设备所需的输出滤波，减少了元件数量。
• 高PSRR：在217Hz时，电源抑制比（PSRR）高达77dB，有效抑制电源噪声。
• 低射频敏感性：能够有效抑制GSM无线电的TDMA噪声，增强抗干扰能力。

2.4 其他特性

• 防咔嗒声和爆音：具备广泛的咔嗒声和爆音抑制电路，减少启动和关闭时的可听瞬态。
• 保护功能：拥有强大的短路和热保护功能，确保设备的可靠性和稳定性。
• 小封装设计：提供9引脚WLP（1.345mm x 1.435mm x 0.64mm）和16引脚TQFN（3mm x 3mm x 0.75mm）封装，节省电路板空间。

三、工作原理

3.1 数字音频接口

MAX98358直接将立体声PDM输入信号送入DAC。PDM_CLK上升沿读取的数据为左声道数据，下降沿读取的数据为右声道数据。同时，通过对PDM_CLK上升和下降沿数据求和，实现了单声道求和功能。

3.2 SD_MODE引脚与关机操作

SD_MODE引脚用于选择放大器输出的音频通道，并可将IC置于关机模式。不同的SD_MODE状态决定了输出的音频通道，具体如下：	SD_MODE状态	选择通道
高（ (V_{SD_MODE}>B2) 触发点）	左声道
通过小电阻上拉（ (B2) 触发点 > (V_{SD_MODE}>B1) 触发点）	右声道
通过大电阻上拉（ (B1) 触发点 > (V_{SD_MODE}>B0) 触发点）	单声道混合（左声道/2 + 右声道/2）
低（ (B0) 触发点 > (V_{SD_MODE}) ）	关机

3.3 增益选择

通过单个增益输入（GAIN），IC提供五种可编程增益选择。增益参考DAC的满量程输出（2.1dBV），输出信号电平可根据PDM输入的脉冲密度和所选放大器增益计算得出： [Output signal level (dBV)=20 × log [abs(PDM one's density(%) - 50) / 25] (dBFS) + 2.1dB + selected speaker amplifier gain (dB)]

3.4 无滤波器Class D输出

传统Class D放大器需要外部LC滤波器或屏蔽来满足EMI标准，而MAX98358的无滤波器输出级通过有源发射限制、边沿速率控制和扩频调制技术，在保持高达92%效率的同时，有效降低了EMI排放。扩频调制器围绕中心频率（330kHz）随机改变开关频率±20kHz，使高频宽带频谱在EMI方面表现为噪声。

四、应用要点

4.1 电源输入

VDD电源范围为2.5V至5.5V，需使用0.1µF和10µF电容旁路至地。对于长输入走线的应用，可能需要在IC处添加额外的大容量电容。

4.2 布局与接地

• 输出走线：使用宽而低电阻的输出走线，以减少电阻对负载功率传输的影响。随着负载阻抗降低，输出电流增大，输出走线电阻会降低负载获得的功率。
• 寄生电容：输出端的寄生电容会增加静态电流，计算公式为 (V{DD}×330kHz×C{PARASITIC}) 。因此，应尽量减少寄生电容。
• 接地填充：在PCB顶层或底层的所有信号走线周围添加接地填充，以提高RF抗干扰能力。

4.3 扬声器选择

MAX98358的无滤波器调制方案依赖扬声器线圈的固有电感和扬声器及人耳的自然滤波来恢复音频信号。建议使用串联电感大于10µH的扬声器，典型8Ω扬声器的串联电感范围为20µH至100µH。

五、应用场景

MAX98358适用于多种便携式音频设备，如笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式媒体播放器等。其高性能、低功耗和小封装的特点，使其能够满足这些设备对音频质量和空间的严格要求。

六、总结

MAX98358作为一款创新的PDM输入Class D音频功率放大器，在音频性能、效率、电磁兼容性和抗干扰性等方面表现出色。电子工程师在设计音频系统时，可充分利用其丰富的特性和灵活的配置选项，实现高性能、紧凑且可靠的音频解决方案。在实际应用中，合理的电源设计、布局和接地以及扬声器选择，将有助于充分发挥MAX98358的优势，为用户带来卓越的音频体验。你在使用类似音频功率放大器时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。