Max98357 概述

Max98357 是 Maxim Integrated（美信半导体）公司生产的一款数字输入 D 类音频功率放大器。与传统的模拟输入放大器不同，Max98357 直接接收 I2S（Inter-IC Sound）数字音频数据，省去了外部数模转换器（DAC）的需求，从而简化了电路设计，减少了元件数量，并降低了噪声和失真。它能够在单电源供电下，为 4Ω 负载提供高达 3.2W 的输出功率，或者为 8Ω 负载提供 1.8W 的输出功率，效率高达 92%，使其非常适合电池供电的应用。

Max98357 工作原理

Max98357 的核心工作原理是数字 I2S 信号的接收与 D 类放大。

I2S 接口

I2S 是一种用于在数字音频设备之间传输数字音频数据的串行总线协议。它通常由以下几根线组成：

• BCLK (Bit Clock)：位时钟，用于同步数据传输。每个时钟周期传输一个数据位。

• LRCLK (Left/Right Clock 或 Word Select)：左右时钟或字选择，也称为帧时钟。它指示当前正在传输的是左声道还是右声道数据，并且定义了一个音频采样帧的开始。

• DIN (Data In)：数据输入线，承载实际的数字音频数据。

Max98357 通过这三根线接收来自微控制器、音频处理器或其他数字音频源的 I2S 数据流。它支持多种 I2S 数据格式，包括标准 I2S、左对齐（Left-Justified）、右对齐（Right-Justified）等，并通过简单的引脚配置即可选择。

数字音频处理

接收到的 I2S 数字音频数据首先在 Max98357 内部进行数字信号处理。这包括：

• 数字到脉冲宽度调制 (PWM) 转换：D 类放大器的基本原理是将模拟音频信号转换为数字 PWM 信号。对于 Max98357 而言，由于其输入已经是数字 I2S 信号，内部数字处理单元直接将这些数字音频数据转换为高频率的 PWM 信号。PWM 信号的占空比（高电平持续时间与周期之比）与原始音频信号的瞬时幅度成正比。

• 调制与滤波：为了生成高效的 PWM 信号，Max98357 采用了先进的调制技术，如 Σ-Δ 调制器。这种调制器将数字音频数据转换为高频数字位流，然后通过低通滤波器平滑处理，形成 D 类放大器所需的 PWM 信号。

D 类放大器

D 类放大器（Class-D Amplifier）是一种高效的音频放大器类型，其工作原理与传统的 A 类、B 类或 AB 类放大器有显著不同。

• 开关工作：D 类放大器通过高速开关输出晶体管来放大信号。这些晶体管在完全导通（饱和）或完全截止（断开）两种状态之间快速切换，而不是像线性放大器那样工作在晶体管的线性区域。这种开关工作方式大大减少了晶体管在导通电阻上的功率损耗，从而显著提高了效率。

• PWM 驱动：Max98357 内部的驱动电路根据前面生成的 PWM 信号来控制外部或内部的功率 MOSFE T或 BJT 晶体管的开关。当 PWM 信号为高电平时，晶体管导通；当为低电平时，晶体管截止。

• 输出低通滤波器：D 类放大器的输出是一个高频的 PWM 波形。为了从这个波形中恢复原始的音频信号并消除高频开关噪声，需要一个低通滤波器。Max98357 可以配置为**无滤波器（Filterless）**工作模式，在这种模式下，扬声器的电感和阻抗以及人耳对高频声音的不敏感性共同起到滤波作用，从而进一步简化了外部电路。然而，在某些应用中，为了更好的音质或满足电磁兼容性（EMC）要求，可能需要外部 LC 低通滤波器。Max98357 的无滤波器工作模式主要得益于其独特的扩频调制技术，它将开关噪声能量分散到更宽的频率范围，从而降低了峰值噪声，使得不需要外部 LC 滤波器也能通过 EMC 测试。

通过这种方式，Max98357 将数字 I2S 数据直接转换为扬声器可以播放的模拟声音信号，同时保持极高的效率。

Max98357 主要特性

Max98357 具备一系列优异的特性，使其在各种音频应用中脱颖而出。

1. 数字 I2S 输入

• 简化设计：直接接收 I2S 数字音频数据，无需外部 DAC，减少了元件数量和 PCB 空间。

• 高音质：数字输入避免了模拟信号传输中的噪声和失真累积，提供更清晰、更保真的音频体验。

• 多种 I2S 格式支持：兼容标准 I2S、左对齐、右对齐等多种数字音频格式，通过 MODE 引脚配置即可实现。这大大增加了其与不同音频源的兼容性。

2. 高效率 D 类放大

• 高达 92% 的效率：显著降低功耗，延长电池供电设备的续航时间，并减少散热需求。这使得 Max98357 非常适合便携式设备，如智能音箱、平板电脑、智能手机等。

• 降低发热：由于高效率，芯片本身产生的热量非常少，通常不需要额外的散热片，简化了散热设计。

3. 无滤波器工作模式

• 节省空间和成本：在许多应用中无需外部 LC 低通滤波器，进一步缩小了 PCB 面积，降低了 BOM（物料清单）成本。这对于空间受限的小型设备尤其重要。

• 专利扩频调制：通过将开关频率能量分散到更宽的频谱，有效降低了辐射电磁干扰（EMI），使其更容易通过 EMC 认证。

4. 输出功率与电源电压

• 宽电源电压范围：通常工作在 2.5V 至 5.5V 单电源供电，使其能够方便地与各种微控制器和系统电源兼容。

• 灵活的输出功率：

• 5V 供电时，向 4Ω 负载提供 3.2W 功率。

• 5V 供电时，向 8Ω 负载提供 1.8W 功率。

• 3.3V 供电时，向 4Ω 负载提供 1.6W 功率。

• 3.3V 供电时，向 8Ω 负载提供 0.9W 功率。 这些功率输出足以驱动大多数小型扬声器，例如智能音箱、耳机底座、玩具等。

5. 增益选择

• 多种固定增益选项：通过一个或两个引脚的简单电平设置，Max98357 提供了 3dB、6dB、9dB、12dB、15dB 甚至更高的固定增益选择。这使得用户无需外部电阻分压器即可调整放大器的增益，简化了电路并提高了可靠性。

• 简化外部电路：无需增益设置电阻，进一步节省了 PCB 空间。

6. 低功耗关断模式

• 低静态电流：在关断模式下，Max98357 的静态电流极低，有助于延长电池寿命。

• 快速启动：从关断模式到正常工作模式的转换非常迅速，保证了音频播放的即时性。

7. 保护功能

• 过温保护：当芯片内部温度过高时，自动进入保护模式，防止芯片损坏。

• 短路保护：输出端短路时，放大器会进入保护模式，避免损坏。

• 过流保护：防止过大的电流流过芯片。

• 欠压锁定 (UVLO)：当电源电压低于安全工作范围时，芯片停止工作，防止不稳定操作。 这些保护功能确保了 Max98357 在各种工作条件下的稳定性和可靠性。

8. 小尺寸封装

• 紧凑型封装：通常采用 9 焊球 WLP (Wafer-Level Package) 或 16 引脚 TQFN 封装，极大地节省了电路板空间，非常适合小型化产品设计。

Max98357 引脚定义与功能

Max98357 的引脚数量相对较少，但每个引脚都承载着重要的功能。以下以常见的 9 焊球 WLP 封装为例进行说明，不同封装的引脚名称和顺序可能略有差异，但功能大同小异。

重要提示：

• 查阅数据手册：上述引脚功能是通用描述，具体的引脚名称、编号、功能配置（特别是 SD_MODE 和 GAIN 引脚的详细配置表）务必参考 Maxim Integrated 官方的 Max98357 完整数据手册（Datasheet）。不同版本的芯片或封装可能会有细微差异。

• 旁路电容：在 VDD 和 GND 之间需要连接适当的去耦电容（通常为 100nF 和 10uF），以确保电源的稳定性，抑制高频噪声。

• 引脚悬空处理：对于未使用的功能引脚（如 GAIN 引脚），数据手册通常会建议其处理方式（接地、连接到 VDD 或悬空），以避免不确定状态。

Max98357 典型应用电路

Max98357 的典型应用电路非常简洁，这正是其受欢迎的原因之一。以下是一个基本的连接示例：

基本连接图

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

电路元件说明

• Max98357 芯片：核心组件。

• 电源 (VDD, GND)：提供 2.5V 至 5.5V 的单直流电源。

• 去耦电容 (C1)：通常在 VDD 和 GND 之间放置一个 100nF (0.1uF) 的陶瓷电容和一个 10uF 或更大容量的电解电容，以滤除电源噪声并提供瞬时电流。这些电容应尽可能靠近 Max98357 的 VDD 和 GND 引脚放置。

• I2S 信号源：可以是微控制器（如 ESP32、STM32 等）、树莓派、Arduino 兼容板（通过扩展板）或其他支持 I2S 输出的数字音频处理器。

• 扬声器 (SPEAKER)：连接到 SPKOUT_P 和 SPKOUT_N。Max98357 可以驱动 4Ω 或 8Ω 的扬声器。

• SD_MODE 引脚连接：

• 关断/使能：通常连接到微控制器的一个 GPIO 引脚，用于控制芯片的开关。拉低进入关断模式，拉高进入正常工作模式。

• 模式选择：除了开关功能外，该引脚还可以通过特定的连接（如悬空、接地或连接到 VDD）来选择不同的 I2S 数据格式（如 I2S、左对齐、右对齐）。具体的配置请参考数据手册。例如，在某些配置下，拉低 SD_MODE 可以选择 I2S 模式，拉高则选择左对齐模式。

• GAIN 引脚连接：

• 增益选择：通过将 GAIN 引脚连接到 GND、VDD 或悬空，或者通过分压电阻，Max98357 可以配置为不同的固定增益。例如，如果连接到 GND，可能设置 3dB 增益；如果连接到 VDD，可能设置 6dB 增益。具体的增益配置表在数据手册中有详细说明。

无滤波器应用

Max98357 的一个显著优点是其在许多应用中可以实现无滤波器工作。这意味着扬声器可以直接连接到 SPKOUT_P 和 SPKOUT_N 引脚，而无需外部的电感-电容（LC）低通滤波器。这得益于 Max98357 内部的专利扩频调制技术，它能有效地降低 EMI。

优点：

• 节省空间：无需大型的电感和电容，减小了 PCB 尺寸。

• 降低成本：减少了 BOM 成本。

• 简化设计：无需计算滤波器参数，加快了开发速度。

注意事项：

• 尽管可以在无滤波器模式下工作，但在某些对 EMC 要求极高的应用中，或者为了获得更高的音质（消除少量可闻的高频噪声），仍然可以考虑添加外部 LC 滤波器。

• 扬声器引线应尽可能短，以减少辐射。

Max98357 使用时的注意事项

为了充分发挥 Max98357 的性能并确保其稳定可靠地工作，在使用时需要注意以下几点：

1. 电源设计

• 稳定性：提供干净、稳定的电源对音频放大器至关重要。电源中的噪声会直接影响音频输出的质量。

• 去耦电容：务必在 VDD 引脚附近放置足够的去耦电容。通常建议放置一个 0.1uF 的陶瓷电容和一个 10uF 或更大的电解电容。这些电容应尽可能靠近芯片的 VDD 和 GND 引脚，以有效滤除高频噪声和提供瞬时电流，抑制纹波。

• 电源走线：电源走线应尽量宽而短，以减小阻抗，降低电压降。

2. PCB 布局

• 地线规划：良好的地线规划是减少噪声和串扰的关键。建议采用星形接地或大面积覆铜地，确保数字地和模拟地（如果有的话）之间有清晰的分界，并最终在一点汇合。

• 信号走线：

• I2S 信号线：BCLK、LRCLK 和 DIN 信号线应尽可能短，并保持相同的长度，以减少时序偏差和信号完整性问题。尽量避免与其他高速数字信号线平行走线，以防串扰。

• 扬声器输出线：SPKOUT_P 和 SPKOUT_N 走线应尽量宽且短，以减小损耗和辐射。这两条线应走在一起（差分对），并远离敏感的模拟或数字输入信号线。

• 组件放置：去耦电容、芯片、扬声器连接器等关键组件应合理布局，以优化信号路径并减少环路面积。

3. I2S 信号源

• 时序匹配：确保 I2S 信号源（如微控制器）提供的 BCLK、LRCLK 和 DIN 信号时序符合 Max98357 数据手册中的要求。包括采样率、位宽、数据格式（I2S、左对齐、右对齐）等。

• 主从模式：Max98357 作为 I2S 从设备，需要外部 I2S 主设备提供时钟。因此，您的微控制器需要配置为 I2S 主模式。

• MCLK (Master Clock)：Max98357 通常不需要 MCLK 输入，它通过内部 PLL 从 BCLK 或 LRCLK 恢复时钟。这简化了连接，但要求 BCLK 和 LRCLK 具有良好的稳定性。

4. 扬声器匹配

• 阻抗：确保选择的扬声器阻抗（通常为 4Ω 或 8Ω）与 Max98357 的推荐负载阻抗匹配。不匹配的阻抗可能导致输出功率降低或芯片过热。

• 功率：选择额定功率与 Max98357 输出功率相匹配的扬声器。如果扬声器额定功率过低，可能会被 Max98357 的大功率输出损坏。

5. 增益和模式配置

• SD_MODE 引脚：正确配置 SD_MODE 引脚以选择所需的 I2S 数据格式和控制芯片的开关状态。仔细阅读数据手册中的 SD_MODE 配置表。

• GAIN 引脚：根据应用需求，通过 GAIN 引脚选择合适的固定增益。过高的增益可能导致削波失真，而过低的增益可能导致音量不足。

6. 散热

• 尽管 Max98357 效率很高，发热量小，但在高功率输出和环境温度较高的情况下，仍需注意散热。确保 PCB 布局能提供足够的散热途径，例如通过大面积覆铜连接到 GND 引脚或散热焊盘。

• 避免将芯片放置在密闭、不通风的空间。

7. 启动和关断序列

• 在电源上电时，遵循数据手册中推荐的启动序列（如果提供），例如先上电 VDD，然后拉高 SD_MODE。

• 在关断时，先拉低 SD_MODE，然后断开 VDD，以确保平稳关断，避免冲击噪声。

8. 静电放电 (ESD)

• 所有半导体器件都对 ESD 敏感。在处理 Max98357 或含有该芯片的 PCB 时，应采取适当的 ESD 防护措施，例如佩戴防静电手环、使用防静电工作台。

Max98357 的优势与劣势

优势

• 高效率：D 类放大器的最大优势，显著降低功耗，特别适用于电池供电的应用。

• 数字输入 (I2S)：简化了系统设计，无需外部 DAC，减少了元件数量和 PCB 空间，降低了成本，并提升了音质（减少了模拟信号路径中的噪声）。

• 无滤波器模式：进一步简化了外部电路，节省了空间和成本，特别是对于小型化设备。

• 小尺寸封装：利于产品的小型化设计。

• 良好的音质：数字输入和低失真设计确保了清晰的音频输出。

• 集成保护功能：过温、短路、过流等保护功能提高了系统的可靠性。

• 固定增益选择：简化了增益配置，无需外部电阻。

劣势

• 对 I2S 信号质量要求高：如果 I2S 信号本身存在抖动或不稳定性，可能会影响音质。

• 输出噪声：尽管有扩频调制，但 D 类放大器固有的开关特性仍可能在某些极端应用或高要求听音环境下产生微弱的高频噪声，虽然在大多数情况下人耳不可闻。

• 固定增益限制：对于需要精确可调或动态增益控制的应用，固定增益可能不够灵活，需要额外的数字音量控制。

• 不支持模拟输入：只能处理数字 I2S 音频，无法直接接收模拟音频信号，需要额外的 ADC（如果输入源是模拟信号）。

• 特定 I2S 格式支持：虽然支持多种格式，但仍需确保源设备的 I2S 输出格式与 Max98357 支持的格式兼容。

Max98357 与其他 D 类放大器的对比

市场上存在多种 D 类音频放大器，Max98357 在其中具有独特的定位。

与模拟输入 D 类放大器对比

• Max98357 (数字输入)：

• 优点：省去外部 DAC，系统更简洁，音质受模拟噪声影响小。

• 缺点：只能处理 I2S 数字音频，无法直接连接模拟音频源。

• 传统模拟输入 D 类放大器：

• 优点：可以直接连接模拟音频源（如耳机插孔、RCA 输出），应用更广泛。

• 缺点：需要外部 DAC（如果音频源是数字的），模拟信号路径容易引入噪声。

与带 DSP 的 D 类放大器对比

• Max98357 (基础功能)：

• 优点：简单易用，成本低，适合不需要复杂音频处理的应用。

• 缺点：不包含内置 DSP 功能（如均衡器、限幅器、动态范围压缩等），如果需要这些功能，需要在外部微控制器或 DSP 中实现。

• 带 DSP 的 D 类放大器：

• 优点：集成度高，提供强大的音频处理能力，可以实现更复杂的音效。

• 缺点：成本更高，配置更复杂，通常需要专门的软件工具。

与更高功率 D 类放大器对比

• Max98357 (低到中等功率)：

• 优点：非常适合驱动小型扬声器（如 0.5W - 5W），体积小，功耗低。

• 缺点：不适合驱动大功率扬声器或需要高音量的应用。

• 高功率 D 类放大器：

• 优点：可以驱动大功率扬声器，提供更高的音量。

• 缺点：体积更大，通常需要更多的外部元件，散热要求更高，成本也更高。

因此，Max98357 是一款非常适合嵌入式、低功耗、小体积数字音频应用的选择，尤其是在智能音箱、物联网设备、玩具、便携式媒体播放器等领域表现出色。

Max98357 的应用场景

Max98357 因其独特的优势，在众多领域都有广泛的应用：

1. 智能音箱/语音助手设备

这是 Max98357 最典型的应用之一。智能音箱通常包含一个微控制器（如 ESP32、Raspberry Pi Zero）来处理语音识别和网络通信，然后通过 I2S 接口将音频数据传输给 Max98357，驱动内置的小型扬声器播放语音回复、音乐或其他音频内容。其小尺寸和高效率非常适合此类电池供电或空间受限的产品。

2. IoT (物联网) 设备

许多物联网设备需要发出声音提示或播放简单的音频。例如：

• 智能门铃：播放欢迎语或门铃声。

• 智能家居控制器：发出操作确认音效。

• 智能闹钟：播放闹钟铃声或音乐。 Max98357 的低功耗特性使其成为这些长时间在线设备的理想选择。

3. 便携式音频设备

• DIY 媒体播放器：基于微控制器或单片机的自制音乐播放器。

• 玩具：需要播放音乐或语音的儿童玩具。

• 教育电子产品：教学用具，如点读笔、电子词典等。 Max98357 的简洁设计和低 BOM 成本对这些产品极具吸引力。

4. 穿戴设备

虽然穿戴设备通常使用更低功率的放大器，但在某些需要播放语音提示或简单音乐的智能手表、手环等设备中，如果空间允许且功率需求匹配，Max98357 也是一个可行的选择。

5. 机器人

小型机器人通常需要通过语音与人互动。Max98357 可以作为机器人语音输出的核心放大器，驱动其内部的扬声器。

6. 工业 HMI (人机界面)

在工业控制面板或人机界面中，可能需要通过声音提示操作人员或发出警报。Max98357 可以在这些嵌入式系统中提供音频输出能力。

7. 游戏机外设/掌上游戏机

一些定制的游戏机外设或小型掌上游戏机可能需要驱动内置扬声器来提供游戏音效，Max98357 在此也能发挥作用。

Max98357 的未来展望

随着物联网和智能设备的不断发展，对小尺寸、高效率、高性能音频解决方案的需求将持续增长。Max98357 作为一款成熟且广受欢迎的数字输入 D 类放大器，在未来仍将占据重要地位。

未来的发展趋势可能包括：

• 更低的功耗：进一步优化静态电流和关断电流，以满足更严格的电池寿命要求。

• 更高的集成度：可能会集成更多的数字信号处理功能，如简单的 EQ、音量控制等，但同时保持小尺寸和低成本。

• 更先进的保护机制：增强对各种异常情况的保护能力。

• 更小的封装：随着封装技术的进步，芯片尺寸可能会进一步缩小。

• 更好的抗 EMI 性能：即使在复杂的电磁环境下也能保持稳定的音频输出。

Max98357 代表了现代音频放大器设计的一个重要方向——数字化、高效率、高集成度。它的易用性和优异性能使其成为许多嵌入式音频项目的理想选择，并将继续在未来的智能音频世界中扮演重要角色。

总结

Max98357 是一款卓越的数字 I2S 输入 D 类音频放大器，它将 I2S 解码、数字到 PWM 转换和高效 D 类放大功能集成在一个小巧的芯片中。其主要优势在于直接数字输入带来的高音质、极高的效率带来的低功耗和低发热、以及无滤波器工作模式带来的设计简化和成本降低。

通过深入了解其工作原理、引脚功能、典型应用和使用注意事项，开发者可以有效地将 Max98357 集成到各种嵌入式音频项目中，无论是智能音箱、物联网设备还是其他需要高质量音频输出的便携式应用。Max98357 以其高性能和易用性，无疑是现代数字音频系统设计的强大工具。