一、设计概述

PWM型D类音频功率放大器是一种利用脉宽调制技术将音频信号转换为高频方波信号，通过功率开关管进行功率放大，再经LC滤波器恢复成模拟音频信号以驱动扬声器的高效率放大电路方案。相比传统AB类、B类放大器，D类放大器具有效率高、功耗低、发热少、体积小等优点，非常适合便携式音箱、车载音响、家用音频等对功耗及散热要求较高的场景。本方案旨在深入探讨基于PWM调制的D类音频功率放大器设计，系统地介绍性能需求、拓扑结构、关键元器件选型、PCB布局、散热及EMI抑制、保护电路等方面的设计思路与实施细节，并在设计过程中推荐优选的元器件型号，详细说明每种元器件的作用、选用理由及功能，以期为工程师提供完整的参考。

二、设计指标与需求分析

在设计PWM型D类音频功率放大器之前，首先需要明确系统的性能指标与实际应用场景。考虑到现代音频设备对高保真度、低失真、高功率输出以及低成本要求，设计指标包括以下几个方面：1）输出功率：能够满足8Ω负载下输出50W左右连续功率；2）频率响应：20Hz20kHz范围内增益平坦，±1dB以内；3）总谐波失真加噪声（THD+N）：在额定功率下小于0.1%，优选达到0.05%以下；4）信噪比：大于100dB，以保证低噪声底；5）效率：典型应用效率需达到90%以上；6）电源电压：单电源供电12V24V范围，以兼容车载及民用音响系统；7）保护功能：短路保护、过温保护及过压欠压锁定等；8）EMI设计：满足CISPR-B级或FCC Class B辐射及传导规范；9）成本控制：单片放大器系统元器件成本控制在合理范围。

基于以上设计需求，需要依次确定系统框图、主芯片选型、功率开关器件、外围元件、PCB布局、散热与EMI方案。下文将依次展开描述和推荐元器件。

三、D类放大器拓扑结构

PWM型D类放大器的基本结构如图所示：输入音频信号经过前级滤波与增益电路后输入至PWM调制器单元，调制单元将模拟音频转换为占空比可变的PWM高频信号；之后，PWM信号通过功率驱动级（包含上、下桥臂的MOSFET功率开关）输出大电流至扬声器；最后，采用LC滤波器将PWM信号中的高频分量滤除，仅保留基带音频信号呈现给扬声器。系统还需配备反馈采样电路，将输出端经过采样滤波后的模拟信号反馈至调制器，以实现闭环控制、降低非线性失真。整体框图由以下关键模块组成：

1. 前置增益与输入滤波电路

2. PWM调制与驱动单元（调制器芯片 + 驱动器）

3. MOSFET功率开关级

4. 输出LC低通滤波网络

5. 反馈检测与闭环校正

6. 电源管理与保护电路

7. PCB布局与散热结构

8. EMI传导/辐射抑制设计

下面分别对每个模块进行详细设计，并推荐优选元器件型号、说明选型理由与功能。

四、前置增益与输入滤波电路

在D类放大器中，为保证PWM调制器能够对输入音频信号进行精准的占空比调制，输入级需提供合适的增益调整、直流偏移以及模拟滤波，去除直流分量与超出带宽的干扰信号，避免调制失真或抖动。本模块典型电路包括差分输入缓冲、可调增益放大器、低通抗混叠滤波器及直流隔离。推荐方案如下：

1. 运算放大器：Texas Instruments TLV2372IDR

• 器件功能：TLV2372 是一颗双通道轨到轨输入/输出的低功耗运放，典型增益带宽产品参数为10MHz，安静噪声低，偏置电流小。被用于输入信号缓冲与增益放大。

• 选用理由：其电源电压范围为2.0V~5.5V，噪声性能优异，适合在单电源供电的D类放大器中用作前置放大器；另外，轨到轨输入输出特性保证了在低电压下能够处理音频信号的全摆幅；成本适中，封装小巧，便于PCB布局。

• 器件功能：该放大器可以用作输入差分放大、增益调整或缓冲，并与后续的PWM调制器直接耦合。

2. 可调增益结构：在TLV2372 之上，可搭配精密电位器（如Bourns 3313J-1-103E）进行增益调节，确保用户可灵活调节输入音量。

• 器件功能：调整放大器增益，使后续PWM调制器在不同输入电平时能够工作在最佳占空比范围，避免限幅失真。

• 选用理由：Bourns 3313J 系列为多圈精密电位器，线性度好、耐久性高，适合音频信号增益微调。

3. 直流隔离与抗混叠滤波：在增益输出后，增加RC低通滤波器（如R1：1kΩ，C1：100nF）构建约1.6kHz截止频率的简单低通，去除高频噪声。同时在输入端利用耦合电容（Ccouple：4.7µF 音频级电容）隔离直流偏移。

• 器件功能：Ccouple隔离直流，RC低通滤波提供初步带宽限制，保障调制器稳定工作并避免超声波干扰。

• 选用理由：电阻与电容参数需要保证音频带宽内损耗极小，而对超声频率有良好衰减；1kΩ与100nF 的组合简易、成本低，能完成基本抗混叠需求。

通过上述输入级设计，能够有效将模拟音频信号调整到PWM调制器所需的幅度与带宽范围，为后续调制器稳定工作奠定基础。

五、PWM调制与驱动单元

PWM调制器是D类放大器的核心部件，负责将模拟音频信号转换成占空比可变的矩形波。调制方式通常分为三角波比较法（δ-Σ调制、误差整形调制）、自激振荡模式等。常见方案是采用集成D类音频放大器芯片，如Texas Instruments TAS561x 系列、Maxim MAX9744、Infineon MERUS MA12070P，也可以采用通用PWM控制器（如Analog Devices ADAU1701）+外部MOSFET驱动。以下推荐一颗性能优异且成本合理的D类音频放大器芯片：

1. PWM调制器芯片：Texas Instruments TAS5613A

• 器件功能：TAS5613A 是一颗高性能D类音频功放PWM调制芯片，内部集成高精度Σ-Δ调制器、误差整形逻辑、死区时间优化、电流限流保护及校准功能。支持单声道或双声道输出，最大输出功率可达120W（4Ω，24V供电）。

• 选用理由：该芯片内部包含完整的PWM调制及保护功能，减少外围元器件数量；具备低失真（THD+N < 0.03%）、高信噪比（>115dB），符合高保真音频需求；集成过温、输出短路、过流保护，提升系统可靠性；支持I²C接口可编程增益、偏置校准等便于系统调试；24V供电下效率可达92%以上，满负载情况下发热量小。

• 器件功能：将前端经过运放处理的音频信号进行Σ-Δ调制，输出互补PWM信号驱动后级MOSFET。

2. 驱动级MOSFET栅极驱动：虽然TAS5613A内部集成MOSFET驱动器，但若设计需更高电流能力或隔离设计，可搭配专用栅极驱动芯片，如Texas Instruments UCC27324P（双通道高边/低边驱动器）。

• 器件功能：UCC27324P 提供±4A 峰值栅极驱动能力，驱动速度快，配置为推挽形式，可用于外部MOSFET栈，降低驱动延迟，优化死区时间。

• 选用理由：当外部MOSFET功率管电容较大或需要更快切换时，UCC27324P 能保证开关管快速充放电，减少开关损耗；封装小，热阻低，成本合理。

3. 死区时间与保护逻辑：对于D类放大器，上下桥臂MOSFET切换时必须设置合理死区时间，防止导通冲突短路。TAS5613A 内部提供默认死区，但可通过外部电阻网络微调。推荐在VSET引脚挂1kΩ至GND，内置调整网络可设置典型死区400ns左右；若需要更精确控制，配合外部可调死区芯片Texas Instruments LM5109，实现死区时间可调，兼容性好。

• 器件功能：死区时间调整与短路检测逻辑，确保上下桥臂不会产生直通；当检测到过流或过温时，立即禁止输出，保护功率管安全。

• 选用理由：LM5109 支持高侧和低侧死区设定，耐压100V，可应用于24V48V电源场景；与TAS5613A结合可构建更灵活的保护机制；若系统电压仅12V24V，可直接使用TAS5613A 内部死区，简化设计。

通过采用TAS5613A 这类一体化D类功放芯片并配合高性能栅极驱动，可大幅简化PWM调制与驱动电路，提升集成度与稳定性，同时保证高保真音质与可靠保护功能。

六、功率开关器件选型

D类放大器输出级采用互补式半桥拓扑，通常选用N沟MOSFET来组成推挽式输出开关。关键选型指标包括：低导通电阻（R_DS(on)），低栅极电荷（Qg），快速开关速度，高温稳定性，高电压余量，以及封装热阻指标等。以下推荐几款既常见又性能优异的功率MOSFET适合用于12V~24V应用场景：

1. Infineon BSC614N04LS

• 器件型号说明：BSC614N04LS 是一颗N沟功率MOSFET，额定电压40V，典型R_DS(on) = 4mΩ（V_GS=10V），栅极电荷Qg ≈ 18nC。采用超级结工艺，导通电阻低、开关损耗小。

• 器件功能：作为D类放大器上下桥臂的功率开关，承受PWM方波驱动，实现大电流快速切换，将调制信号转换为扬声器驱动电流。

• 选用理由：40V的耐压裕度适合24V电源应用且具有安全余量；低导通电阻极大地降低导通损耗，优化效率；栅极电荷适中，可与TAS5613A或UCC27324P 栅驱配合，实现亚纳秒级开关速度；托盘封装热阻低，有利于散热设计。

2. ON Semiconductor NTMFS5C628NL

• 器件型号说明：NTMFS5C628NL 为30V N沟MOSFET，R_DS(on) = 6mΩ（V_GS=10V），栅极电荷Qg ≈ 14nC，封装为8x8mm D2PAK。

• 器件功能：同样用于D类放大器输出桥臂，提供大电流开关能力。

• 选用理由：30V耐压适合12V~24V电源有限余量应用；栅极电荷较低，适合高速驱动；开关特性优良，封装耐热性能好，可承受大量动态损耗；封装体积适中，有利于PCB设计。

3. Vishay SiR846DP

• 器件型号说明：SiR846DP 为30V N沟MOSFET，超低R_DS(on)=2.8mΩ（V_GS=10V），Qg ≈ 20nC，封装为PowerPAK SO-8。

• 器件功能：极低的R_DS(on) 降低导通损耗，可在高电流场合下保持更高效率；适合对效率要求极高的D类系统。

• 选用理由：当系统要求高效率（>92%）且希望减轻散热器尺寸时，选择超低R_DS(on) 的SiR846DP 可使输出级损耗最小化；PowerPAK SO-8 封装热阻低，易在单面铜大板设计中扩散热量。若使用24V电源，需确认耐压余量，但30V与实际电源匹配且在浪涌情况下留有安全裕度。

在实际设计中，可以根据系统输出功率及散热预算，选择上述MOSFET组合：主开关管选用R_DS(on) ≤ 5mΩ 的型号，配合高速驱动器可以获得理想的开关特性。考虑成品的物理体积与成本，可灵活搭配BSC614N04LS 或 NTMFS5C628NL。

七、输出LC低通滤波网络设计

D类放大器的输出电平直接为PWM高频方波信号，扬声器需要的是低频基带信号，因此在输出端必须加装LC低通滤波器，将PWM高频成分滤除，仅保留音频部分。设计滤波网络时需综合考虑阻抗匹配、谐振频率、滤波阶数、组件品质因数Q值、谐振尖峰抑制与成本等因素。常见方案是二阶或三阶Butterworth滤波器。以下介绍二阶LC滤波设计，并推荐优选元器件：

1. 滤波拓扑结构：二阶L-C滤波器，其拓扑由两只串联电感与一只并联电容构成，也可采用电感、电容、电感的π型结构，适合低频阻带深度更好。本文采用简单的二阶π型结构：上桥输出信号先经过电感L1，之后并联电容C1接地，之后再串联电感L2，最后连接扬声器。

• 选用理由：π型结构相比T型或单电感+电容组合能获得更好的阻带衰减；对扬声器阻抗匹配更精准，失真更低。

2. 电感选型：优选绕线电感（功率电感）或磁芯电感，推荐型号：Coilcraft SER2915H-4R7M

• 器件型号说明：SER2915H 系列是一款高功率表面贴装功率电感，额定电流可达10A以上，直流电阻（DCR）仅为10mΩ，电感量4.7µH，尺寸2.9x2.6mm。

• 器件功能：在PWM输出端阻隔高频开关谐波，与并联电容形成低通网络，滤除高于音频带的PWM载波。

• 选用理由：4.7µH 电感量结合PWM载波频率（典型250kHz500kHz）时可实现约15kHz20kHz的截止频率；高额定电流保证在大功率输出情况下不会磁饱和；表贴封装降低磁场干扰，DCR极低，减少功率损耗；Coilcraft品质稳定。

3. 并联电容选型：优选薄膜电容（Polypropylene Film Capacitor）或高品质电解电容。推荐型号：WIMA MKP4 2.2µF/100V

• 器件型号说明：WIMA MKP4 系列是一种金属化聚丙烯薄膜电容，2.2µF电容量，额定电压100V，容差±5%，温度系数及漆包特性优异。

• 器件功能：与上下级电感配合形成LC谐振点，确保在PWM载波频率处出现最大衰减，使高频成分降至最低，从而输出的音频信号更纯净。

• 选用理由：薄膜电容具有极低的等效串联电阻（ESR），Q值高，线性度好；在高电流冲击和高频率下表现稳定；封装小巧易于PCB布置；100V额定电压在12V~24V电路中留有裕度。

4. 阻尼电阻器与阻尼网络：为了抑制LC滤波的谐振峰值，需要在电感与电容之间串联阻尼电阻，或者并联阻尼电阻。推荐使用薄膜无感绕线功率电阻器：Vishay Dale WSLP2512R0200FEA（0.02Ω，2W）

• 器件功能：在滤波器中提供适当的阻尼，防止谐振峰值导致频率响应在高频段出现峰值，降低系统振铃和滤波器失真。

• 选用理由：0.02Ω 的超低阻值对音频信号不会引入明显衰减；2W 功率额定及无感绕线结构保证大电流下温升可控，同时不会影响高频滤波性能。

通过合理计算与测试，确定LC滤波器的切除频率应略高于音频上限（约25kHz左右），以避免对音频信号造成衰减，而对PWM载波（典型250kHz）有足够抑制。此外，需要在滤波器输入侧与输出侧分别加装共模电感与Y电容进行额外的EMI抑制，以满足辐射和传导规范。

八、反馈检测与闭环控制

闭环反馈在D类放大器中用于纠正非线性失真、稳定增益、降低输出失真以及校准输出偏置。反馈策略通常分为模拟反馈与数字反馈两种；前者将滤波后的音频信号与原始输入比较，后者则在PWM调制级内完成误差整形。对于本设计，采用模拟反馈方式，反馈信号在LC滤波之后采样并送回调制器输入端的差分输入引脚，以实现闭环控制。

1. 反馈网络设计：从输出端（扬声器负载两端）取样，通过分压电阻网络（如Rfb1=100kΩ，Rfb2=10kΩ）将高达齐压减少到调制器输入可接受范围（通常1V~2V）。

• 器件功能：Rfb1 与 Rfb2 构成反馈分压器，对输出端音频信号进行衰减并隔离直流；后续加入隔直电容（如Cfb=4.7µF）滤除直流偏置；并通过运放进行差分放大校正。

• 选用理由：精密电阻具备0.1% 容差，能确保反馈比例准确，增益稳定；4.7µF 音频级铝电解电容保证低频通透并隔离直流，同时成本可控。

2. 反馈运放：推荐使用高精度运放：Analog Devices ADA4528-2

• 器件功能：ADA4528-2 为双通道零漂移运放，漂移电压极低（典型0.125µV/℃），输入偏置电流仅0.1pA，带宽10MHz，噪声超低。用于将分压后反馈信号与输入信号进行差分运算，为调制器提供误差信号。

• 选用理由：零漂移运放可在长时间工作及温度变化时保证偏差最小，提高系统稳定性；高带宽保证音频信号在20kHz带宽内无失真；低噪声与低失真特性充分满足高保真要求；采用紧凑双色声道封装便于布局。

3. 反馈环路稳定性与补偿：需在运放负反馈环路中加入相位补偿网络以保证系统稳定。通常采用电容与电阻并联形式的补偿网络，如在运放反馈回路并联Cc=47pF与Rc=1kΩ，用于限制闭环带宽至适当范围（≈100kHz），避免与LC滤波器谐振产生环路不稳定。

• 器件功能：Cc 与 Rc 与运放构成补偿网络，提供必要的相位裕度，避免振荡；保证在全功率输出时系统稳定运行。

• 选用理由：47pF 与1kΩ 的组合在工艺容差下具有良好一致性，对音频信号带宽影响极小，但对高频反馈能有效衰减，确保环路稳定。

通过上述反馈网络设计，D类放大器能在输出开关损耗与音质之间实现最佳平衡，确保在不同负载及输出功率情况下维持低失真、高线性度。

九、电源管理与滤波

电源系统为D类放大器提供稳定的直流电压，对系统性能影响至关重要。设计中需要关注电源滤波、稳压、及保护。典型D类系统电源采用单电源或双电源架构：本设计选择单电源供电方案，电源输入为12V~24V直流（可支持车载及家用两种场景）。关键元器件如下：

1. 电源输入滤波与压敏保护：在电源输入端使用TVS二极管与MOV相结合保护电路，推荐型号：

• 功能：吸收高能级浪涌，防止电源干扰或浪涌进入放大器电路。

• 选用理由：高能量吸收能力，动态电阻低，可配合TVS分担浪涌电压；便于车载环境下应对负载突变。

• 功能：在电源线上发生浪涌电压时，TVS瞬态将多数能量吸收，保护后级电路不被冲击损坏。

• 选用理由：宽温度范围（-55℃~150℃），快速响应，封装易焊接；双向结构可应对正负极性浪涌。

• TVS二极管：SMBJ33CA，为双向33V TVS，峰值脉冲功率600W。

• MOV压敏电阻：Littelfuse MVU07KR3，耐压约7V RMS（相当约20V 峰值），浪涌耐受能量高。

2. LDO稳压器或DC-DC降压模块：为了给PWM调制器（如TAS5613A）、逻辑控制部分及运放提供精确、低噪声的参考电压，需要在主电源旁引出低噪声5V或3.3V。可选用高性能LDO：Texas Instruments TPS7A4700（输出电压1.2V~20V可调，1A 输出电流，噪声仅4µVRMS）。

• 器件功能：提供超低噪声稳压输出，供给敏感模拟电路与数字控制模块，降低电源噪声对音质的影响。

• 选用理由：极低纹波噪声、优秀的PSRR、较大输出电流，可为运放与调制器提供稳定电压；封装肖形小，热阻低，有利于散热。

3. 电源旁路与去耦电容：在电源入口与各电压轨同样需要配置高频去耦电容与大容量电解电容，例如在12V主电源处并联22µF/50V钽电容（如AVX TAJ 22µF）与0.1µF X7R 陶瓷电容（如Murata GRM32ER71H104KA88L）；在5V LDO 输出并联10µF/6.3V 陶瓷电容与4.7µF/10V 钽电容。

• 器件功能：高频旁路电容滤除高频噪声，电解电容平滑低频波动，保证电源稳定、降低电源阻抗。

• 选用理由：钽电容具有更小的体积与更高的温度稳定性；X7R 陶瓷电容保证高频去耦；布局上应做到150mil 范围内放置，最小引线电感。

4. 电源保护与熔断：在主电源输入端并联PTC自恢复保险丝（如Bourns MF-PSMF075-2）及快速熔断保险丝（如Littelfuse 0451.250MRP 250mA），可在过流或故障时自动断开电源，保护系统。

• 器件功能：当系统发生严重短路或功率管损坏时，保护元件熔断，避免元器件烧毁；PTC 可在温度下降后自动恢复，方便维护。

• 选用理由：MF-PSMF075-2 PTC 温度系数适中，可靠性高；Littelfuse 0451.250MRP 具备快速响应的特性，可快速切断过流情况。

通过以上电源管理与滤波设计，可有效确保D类系统在各种工作条件下获得稳定、低噪声的电源，为高保真音质提供前提。

十、保护电路设计

为提高系统稳定性和安全性，D类放大器设计中需要增加多种保护功能，包括过流保护、过温保护、欠压/过压保护及输出短路保护。本文推荐以下几种保护元件与方案：

1. 过流与输出短路保护：TAS5613A 内部集成过流检测与短路保护功能，当电流超过设定阈值时，芯片会触发故障模式并关断输出。外部可通过检测MOSFET片上电阻采样放大（如0.01Ω电流检测电阻RSense +运放），当检测到过流时生成信号喂给芯片的FAULT 引脚，实现二次保护。推荐运放用于电流采样：Texas Instruments INA168。

• 器件功能：INA168 为单通道精密电流检测放大器，可对0.01Ω 的RSense 薄膜电阻采样电压（几毫伏级）进行放大并输出至故障检测电路；具有可编程增益、低漂移等特点。

• 选用理由：高精度、宽电压范围、带宽足以检测短路冲击浪涌，无需额外偏置，集成度高；与TAS5613A 内部故障逻辑协同，使保护动作更可靠。

2. 过温保护：在功率MOSFET与调制器芯片附近贴装温度传感器，如Analog Devices ADT7301 数字温度传感器（精度±1℃，1-wire 接口），将温度实时监测并通过MCU或数字逻辑控制保护。

• 器件功能：检测MOSFET热板及调制器芯片温度，当温度超过预设值（如85℃）时，通过启用故障引脚或向MCU发出中断信号，进入保护模式，关闭PWM输出或强制PWM停机。

• 选用理由：ADT7301 支持单线总线通讯，接口简单，精度高；工作温度达到+150℃，可直接贴装在器件引脚附近；宽电源电压支持单电源应用；数字输出设计减少模拟电压误差。

3. 欠压/过压保护：在电源输入端通过TLV431（可调基准源）+MOSFET组成欠压/过压检测电路，当电源电压低于或者高于设定阈值时驱动P-FET或N-FET切断电源或进入保护模式。

• 器件功能：TLV431 内部带有可编程精密基准（Rref=1kΩ +Rset=10kΩ 设定典型4.4V基准），通过比较主电源与基准，检测电压阈值；当检测到欠压或过压时，通过驱动功率MOSFET关闭电源。

• 选用理由：TLV431 精度高（初始误差仅0.5%），可设定上下阈值；电路简单，占用PCB空间小；与功率MOSFET配合可实现快速切断；适用于12V~24V 供电场景。

通过在硬件层面加入上述保护设计，能够在各种异常情况下快速切断输出，避免因过流、过热、欠压等故障对功放与扬声器造成损害，并提升整机可靠性与寿命。

十一、PCB布局与走线设计

PCB布局对D类放大器性能有着极为重要的影响，尤其是高速开关环路与模拟音频信号路径容易相互干扰，若布线不当会导致开关噪声耦合进入反馈环路，产生爆音、噪声增加或系统不稳定。以下是PCB设计要点及推荐做法：

1. 分区布置：将PCB分为数字/逻辑区、模拟前端区、功率开关区、输出滤波区、电源滤波区等功能区域，尽量避免信号重叠。

• 器件布局：将TAS5613A 芯片、反馈运放、分压电阻集中在一起，保持反馈回路尽量短；将功率MOSFET与电感、电容放在同一区域；将高频回流电流路径形成最小回路面积，并与模拟信号区隔离。

• 选用理由：分区布置可减少不同功能区之间的电磁干扰；简化测试定位与后续维护；便于散热通道设计。

2. 地线设计：采用“星形地”或“分区地”策略，将模拟地（AGND）与功率地（PGND）分开，最后在电源处进行单点汇合，避免高电流回流产生的地电位升高影响模拟地参考。

• 器件功能：区分不同地线可防止噪声通过地线耦合到敏感模拟电路；在多层板中可采用多层铺铜、分层走线方式，将功率回流电流局限在特定层。

• 选用理由：AGND与PGND分离可减少噪声耦合，保证运放与PWM调制器参考地稳定；多层板配合接地平面可显著降低寄生电感。

3. 高频环路优化：PWM开关信号及功率回流电流路径形成高速环路，需要将开关晶体管、二极管（若采用半桥驱动RS 时）、电容以及电感靠近摆放，并将走线长度尽量缩短。

• 器件功能：通过最小化回流电流环路面积，降低噪声辐射，降低开关尖峰对其他电路的干扰。

• 选用理由：通过合理布局与走线，可将开关电流的磁耦合与电容耦合干扰降低到最小；改善EMI性能，减轻后续板载滤波与外部EMI抑制负担。

4. 电源走线：主电源12V~24V 走线需要足够宽，以保证大电流通过时压降小；同样需要考虑电源旁路电容位置，将去耦电容尽量靠近芯片电源引脚布置，减少走线感抗。

• 器件功能：宽电源走线可降低电源阻抗，避免在电流突变时产生电压跌落；紧凑旁路电容布局可提高电源抗噪能力。

• 选用理由：适当增加70mil~100mil 宽度的走线或铺铜可满足10A 以上的电流需求；采用多孔过孔连通上下层电源地平面降低分布电阻。

5. 热管理：高功率MOSFET应采取过孔散热设计（如在MOSFET底部金属焊盘处增加多个过孔与底层大面积铜垫相连），并配合外加散热片。功率电感WIMA MKP4 与输出电容器件也应避免过于密集堆叠，以便散热空气流通。

• 器件功能：过孔与底层铜层形成热通道，将热量快速传递至板底与散热片，避免局部温度过高。

• 选用理由：良好的散热设计可提升元器件可靠性，并使系统在长时间大功率输出时保持稳定；配合散热片与机壳风道设计可进一步降低结温。

通过以上PCB布局与走线策略可在保证信号完整性和电源稳定性的同时，有效抑制电磁干扰，并为高效散热奠定基础。

十二、散热方案设计

尽管D类放大器具有高效率特性，但在大功率长时间工作下仍会产生一定热量，需合理设计散热系统。散热途径主要包括：功率MOSFET芯片散热、调制器芯片散热及周边被动器件散热。推荐方案如下：

1. 功率MOSFET散热：将功率MOSFET焊接在专门的铜箔大面外的PAD上，并在MOSFET底部下层铺设大面积铜箔与多孔过孔网络，通过PCB铜层与散热器连接。同样在MOSFET顶部焊接外部散热片，使用的散热片可采用Aavid Thermalloy 581002B00000G（尺寸100mm x 40mm x 25mm，千瓦级热阻低）。

• 器件功能：将MOSFET产生的热量通过过孔与底层大铜箔传导至散热片，然后借助风冷（如小风扇）将热量带走。

• 选用理由：Aavid 581002B00000G 为高效铝型材散热片，表面经阳极氧化处理，提高散热效率与抗腐蚀性；尺寸适中，安装方式简单；配合风道设计可有效降低MOSFET结温。

2. 调制器芯片散热：TAS5613A及其周边运放等器件散热需求相对较低，可采用单面铜加大焊盘散热，并在芯片底部附近铺铜，用过孔将热量传导至内层或底层铜箔；如有空间，可在芯片顶部放置小型散热片（如贴片式铜散热片Wakefield 5040-50G）。

• 器件功能：在芯片封装底部产生热量时，通过PCB层热过孔传导至较大面积铜箔，减轻芯片内部热积累；如散热不足则考虑顶置散热片。

• 选用理由：Wakefield 5040-50G 为导热性优异的贴片铝散热片，通过导热胶粘贴即可；适用于小功率BGA芯片散热场景；成本低。

3. 被动器件散热：功率电感、滤波电容、稳压LDO等器件在大电流时也会产生热量，需在PCB布局时留出充足空间并避免过度堆叠；可在这些器件下方添加过孔，利用内层铜层散热。

• 器件功能：通过过孔与内层铜层将热量散发；电感外壳与散热环境接触面应尽量靠近空气流通区域。

• 选用理由：被动器件温升对可靠性影响相对较小，但长期高温会降低寿命；良好的散热设计可让系统在潮湿、高温场景下稳定运行。

结合上述散热设计，采用合理的风道布局（如板边安装小风扇、机箱内部气流引导）可进一步提升散热效率。建议在测试阶段用热成像对关键元件温度进行监测，以验证散热方案的可靠性。

十三、EMI传导与辐射抑制设计

由于D类放大器的PWM开关频率较高（典型200kHz~500kHz），如果缺乏有效的EMI抑制手段，可能导致高频开关噪声通过电源、扬声器线缆或空气传导泄漏，使整机无法通过电磁兼容测试。针对EMI传导与辐射可从以下方面进行优化：

1. 输出端共模电感与差模电感组合：在输出滤波LC之后，在扬声器输出线上并联一个共模电感（如TDK ACM2012-601-2P-T002），共模电感量100µH、DC电阻30mΩ；同时在电源线上并联差模电感（如Coilcraft DFE2512C-681 68µH）。

• 器件功能：共模电感阻止公共模式高频信号通过扬声器线缆辐射，而差模电感抑制电源线上的差模干扰。

• 选用理由：TDK 共模电感具有高饱和电流能力，适合大功率连续信号场合；Coilcraft 差模电感Q值高，在EMI滤波上效果显著。

2. EMI电容（Y电容与X电容）：在输出滤波末端并联高压X电容（如Panasonic ECHU2GD610U5H 0.01µF/250VAC）与Y电容（如TDK CCG31X7R1H104K 0.1µF/50V）以进一步抑制差模与共模噪声。

• 器件功能：X电容主要抑制差模噪声，Y电容用于共模噪声分流到地。

• 选用理由：高品质X、Y电容通过安规认证，可靠性高；在高频段具有稳定且低损耗的滤波性能。

3. 电源输入EMI滤波器：在电源输入端采用共模电感+X电容组合形成PI型输入滤波器。推荐使用整合式EMI滤波器模块：Murata DEB1AE-1012B9, 该模块集成1mH 电感及10nF X电容，通带损耗低、体积小巧。

• 器件功能：阻止开关噪声通过电源线向外传导；过滤进入系统的外部电源干扰。

• 选用理由：Murata 是业内知名（EMI）滤波解决方案厂商，该型号经过安规测试，布局简单；可在汽车或家用场景兼容多种电源环境。

4. 屏蔽与接地策略：在功率开关区与输出滤波区中间可增设金属屏蔽罩，或在机箱内部布置金属隔离板，将开关电路与敏感模拟电路、电源接口分隔；同时接地带要保证低阻抗连接至机箱地，以便将辐射信号高效泄流。

• 器件功能：金属屏蔽板或罩将辐射噪声局限在局部，避免向外界辐射；低阻抗地平面保证电流快速回流。

• 选用理由：屏蔽设计可提升系统抗扰度；合理的接地策略可降低地环路噪声；机箱与PCB地应采用单点或多点接地区分方式，避免地环增大辐射。

5. PCB 走线与分层：如前文所述，将高频开关环路局限于单个层或两层之间，避免跨层引入寄生电容；同时在敏感模拟区与PWM开关区之间铺设地平面；信号线与高功率回路应保持最小交叉。

• 选用理由：合理分层与走线可在板级抑制辐射；降低元件之间的电容耦合；配合低阻抗地平面可进一步抑制共模噪声。

通过上述EMI优化措施，可使D类放大器在CISPR-B或FCC Class B 标准下顺利测试，并降低用户现场使用时的干扰风险。

十四、系统测试与调试

设计完成后，需要对整机进行综合测试与调试，验证各项指标是否满足设计目标。测试项目包括：

1. 频率响应测试：采用音频信号发生器（如Audio Precision APx525）向输入端输入1Vrms 正弦信号，测量20Hz~20kHz 频率范围输出幅值与相位响应，记录±1dB 带宽。

• 方法：将输出滤波后的信号加载至示波器或频谱分析仪，连接阻抗为8Ω的负载；分别测量幅频响应并绘制曲线。检查在极低频（<50Hz）和极高频（>20kHz）处的衰减是否平缓。

2. 总谐波失真加噪声（THD+N）测试：在额定功率（8Ω，50W）条件下，输入不同幅值的1kHz 正弦信号，测量放大器输出端的THD+N。确保在1W、10W、50W输出功率点的THD+N值分别小于0.01%、0.05%、0.1%。

• 方法：采用高精度失真分析仪（如Audio Precision）测量；同时进行不同频率点（如100Hz、1kHz、10kHz）测试，以验证全频带失真表现。

3. 信噪比（SNR）测试：在输入端断开信号源，仅保持增益不变的情况下，测量输出端噪声幅度（20Hz~20kHz 带宽），与1W 输出对应幅度相比，计算信噪比，目标应超过100dB。

• 方法：使用FFT 分析仪测量噪底；同时对比输入信号时的输出幅度，计算SNR。

4. 效率测试：测量在不同输出功率点（1W、10W、25W、50W）时的输入电流与输出功率，计算效率曲线。验证在额定50W 输出时效率≥90%，在常用功率（10W~25W）下效率接近或超过92%。

• 方法：搭建精密可调直流电源，测量输入电流；使用示波器或功率计测量输出电压及负载电流，计算输出功率；并绘制效率曲线。

5. EMI测试：在电波暗室中进行辐射干扰测试，测量30MHz1GHz 频段的辐射场强，确保满足CISPR-B 等级限值；同时测量电源线传导干扰（150kHz30MHz），确保插入损耗满足标准。

• 方法：使用EMI 接收机及天线在3m 距离测量；对比限值曲线；在测量过程中加装必要的馈电探头以确保精度。

6. 保护功能验证：通过人为短路、过载、过温实验验证过流、过热、欠压保护动作是否正确。

• 方法：在测试台上模拟扬声器输出短路，监测故障时间与输出自动恢复机制；用温控烤箱或加热片提高MOSFET 结温，观察过热关断是否在设定温度停止输出；通过调节外部可调电源使供电电压超出范围，验证欠压/过压锁定是否正常。

7. 声学测试与试听：在标准声学环境中连接扬声器（如JBL Professional 305P MkII），播放标准音频测试曲，进行主观试听，检验音质、低频延展、中高频清晰度及声场均衡度。

• 方法：结合FFT 分析与人耳主观评估相结合，对于任何米字波失真、抖动、爆音等异常进行排查。

完成上述测试后，对电路板布线、滤波参数、反馈环路补偿网络、保护阈值等进行必要的调校，以达到最佳性能。

十五、总结

本篇技术方案详细介绍了PWM型D类音频功率放大器的设计思路，涵盖了从系统需求分析、模块划分、核心芯片选型、外围器件选型（运放、PWM调制器、栅极驱动、MOSFET、滤波元件、保护元件等）、PCB布局与走线、电源管理、保护电路、散热方案、EMI抑制，到最终系统测试与调校的完整设计流程。在元器件选型方面，推荐了TLV2372IDR 运放用于输入级、TAS5613A 用于PWM调制与功率级集成、UCC27324P 用于栅极驱动、BSC614N04LS / NTMFS5C628NL / SiR846DP 等功率MOSFET、Coilcraft SER2915H 电感与WIMA MKP4 薄膜电容构建输出低通滤波、ADA4528-2 零漂移运放用于反馈检测、TPS7A4700 LDO 用于电源稳压、TVS 与 MOV 用于过压浪涌保护、TLV431 实现欠压/过压保护等。每种元器件的作用、选用理由与功能被详细阐述，为工程师在类似项目设计中提供了完整而具体的参考。

通过该方案，设计出的D类放大器具有高效率（≥90%）、低失真（THD+N≤0.05%）、高信噪比（SNR>100dB）、宽带宽（20Hz~20kHz±1dB）、可靠的保护功能（过流、过热、欠压/过压）、以及优良的EMI性能（满足CISPR-B 及FCC 标准）。该设计适用于便携音箱、车载音响、家庭影院扩声等多种应用场景，具备良好的成本效益和可扩展性。

在实际开发过程中，可根据具体应用对参数进行微调，例如调整PWM载波频率、滤波器谐振频率、保护阈值及PCB层数等，以进一步优化不同场景下的性能。同时，未来还可考虑采用新一代GaN MOSFET 替代硅MOSFET，以进一步降低开关损耗并提升效率，但需权衡成本。希望本技术方案能够为从事D类音频放大器设计的工程师提供全面、系统的指导和参考。