解讀SSM2537：高性能PDM數(shù)字輸入單聲道2.7W D類音頻放大器

在音頻放大器領(lǐng)域，不斷追求高性能、低功耗和小型化是不變的目標(biāo)。今天，我將為大家詳細(xì)介紹一款來自Analog Devices的產(chǎn)品——SSM2537，一款PDM數(shù)字輸入單聲道2.7W D類音頻放大器，看看它在設(shè)計(jì)和性能上有哪些亮點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

SSM2537是一款PDM數(shù)字輸入的D類功率放大器，相較于現(xiàn)有的DAC加D類解決方案，它提供了更高的性能。該放大器非常適合對功率敏感的應(yīng)用場景，比如手機(jī)和便攜式媒體播放器，在這些應(yīng)用中，系統(tǒng)噪聲可能會(huì)干擾發(fā)送到放大器的小模擬信號(hào)。

它將音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、功率放大器和PDM數(shù)字接口集成在單個(gè)芯片上。這種集成的DAC加上模擬Σ - Δ調(diào)制器架構(gòu)，使得它在處理數(shù)字音頻源時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)極低的實(shí)際功耗，同時(shí)保持出色的音頻性能。通過數(shù)字方式將音頻傳輸?shù)揭纛l放大器，能顯著降低GSM干擾或其他數(shù)字信號(hào)等噪聲源對傳輸音頻的影響。

產(chǎn)品特性

這款放大器具備諸多出色的特性，使其在同類產(chǎn)品中脫穎而出：

1. 免濾波數(shù)字D類放大器：采用脈沖密度調(diào)制（PDM）數(shù)字輸入接口，無需外部LC輸出濾波器，簡化了設(shè)計(jì)。
2. 高功率輸出：在5.0V電源供電時(shí)，能夠向4Ω負(fù)載提供2.7W功率，向8Ω負(fù)載提供1.4W功率，且總諧波失真加噪聲（THD + N）小于1%。
3. 高效節(jié)能：在8Ω負(fù)載、滿量程輸出時(shí)，效率可達(dá)93%。輸出噪聲低至25μV rms（3.6V，A加權(quán)），在1kHz、100mW輸出功率下，THD + N僅為0.005%。
4. 小封裝：采用9球、1.2mm×1.2mm、0.4mm間距的WLCSP封裝，非常適合對空間要求苛刻的應(yīng)用。
5. 完善的保護(hù)功能：具備爆音和咔嗒聲抑制功能、可配置的PDM模式輸入、短路和熱保護(hù)（帶自動(dòng)恢復(fù)功能），當(dāng)檢測到PDM停止條件或無時(shí)鐘輸入時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)智能掉電。
6. 多種工作模式：支持(64 ×f{s})或(128 ×f{s})操作，可支持3MHz和6MHz時(shí)鐘，用戶還可選擇超低EMI輻射和低延遲模式。
7. 其他特性：內(nèi)置直流阻斷高通濾波器和靜態(tài)輸入直流保護(hù)，具有上電復(fù)位（POR）功能，且只需極少的外部無源元件。

性能指標(biāo)

電氣參數(shù)

在(PVDD = 5.0V)、(VDD = 1.8V)、(f{s} = 128 ×)、(T{A} = 25^{circ}C)、(R_{L} = 8Ω + 33μH)的條件下，其輸出功率、THD + N、效率等參數(shù)表現(xiàn)出色。例如，在不同負(fù)載和電源電壓下，輸出功率有所不同；在特定條件下，THD + N可低至0.005%，效率最高可達(dá)93%。

電源相關(guān)

放大器電源PVDD的工作電壓范圍為2.5V至5.5V，數(shù)字電源VDD的工作電壓范圍為1.65V至1.95V。電源抑制比（PSRR）在不同頻率下表現(xiàn)良好，如在217Hz時(shí)可達(dá)80dB。

數(shù)字輸入/輸出

輸入電壓高（(V{IH})）和低（(V{IL})）有明確的范圍，輸入泄漏電流和電容也有相應(yīng)的規(guī)格。PDM接口的數(shù)字時(shí)序也有嚴(yán)格要求，如時(shí)鐘下降時(shí)間（(t{CF})）和上升時(shí)間（(t{CR})）均為10ns，數(shù)據(jù)建立時(shí)間（(t{DS})）為10ns，數(shù)據(jù)保持時(shí)間（(t{DH})）為7ns。

絕對最大額定值

包括電源電壓、輸入電壓、ESD敏感度、溫度范圍等都有明確的限制，在使用時(shí)必須嚴(yán)格遵守，以避免對器件造成永久性損壞。

工作原理

時(shí)鐘與電源

SSM2537需要在PCLK輸入引腳提供時(shí)鐘信號(hào)才能正常工作，時(shí)鐘頻率必須在1.84MHz至3.23MHz或3.68MHz至6.46MHz范圍內(nèi)。它需要兩個(gè)電源，PVDD為MOSFET全橋功率級(jí)及其相關(guān)驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)電路、DAC和D類PDM調(diào)制器供電，工作范圍為2.5V至5.5V；VDD為數(shù)字邏輯電路供電，工作范圍為1.65V至1.95V。

功率控制

上電時(shí)，必須先給PVDD供電，以鎖定指定的GAIN_FS引腳功能。該器件具有智能掉電功能，當(dāng)檢測到PDM停止條件（至少129個(gè)重復(fù)的0xAC字節(jié)，即1024個(gè)時(shí)鐘周期）時(shí)，會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)可移除PCLK，實(shí)現(xiàn)完全掉電。當(dāng)再次開啟PCLK并接收到非停止條件輸入時(shí)，將恢復(fù)正常工作。

增益與頻率設(shè)置

GAIN_FS引腳用于設(shè)置內(nèi)部增益和濾波配置，以適應(yīng)不同的采樣率。該引腳可以設(shè)置為四種狀態(tài)，通過連接到PVDD或PGND，并可選擇是否使用47kΩ電阻。內(nèi)部增益和濾波也可以通過PDM模式控制進(jìn)行設(shè)置。

PDM模式控制

通過向器件發(fā)送重復(fù)的8位模式，可以設(shè)置低功耗狀態(tài)和控制功能。不同的模式對應(yīng)不同的功能，如優(yōu)化增益、設(shè)置超低EMI模式、低延遲模式等。任何模式必須至少重復(fù)129次，檢測到模式時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)靜音，以避免模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的爆音或咔嗒聲。

EMI噪聲控制

采用專有的調(diào)制和擴(kuò)頻技術(shù)，可將器件的EMI輻射降至最低。對于難以通過FCC Class B輻射測試的應(yīng)用，還可以啟用超低EMI輻射模式，顯著降低D類輸出的輻射，特別是在100MHz以上的頻率。

輸出調(diào)制

使用三級(jí)Σ - Δ輸出調(diào)制，每個(gè)輸出可以在PGND和PVDD之間擺動(dòng)。在沒有輸入信號(hào)時(shí)，理想情況下輸出差分電壓為0V，但由于實(shí)際存在噪聲源，會(huì)根據(jù)需要產(chǎn)生差分脈沖。當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，會(huì)生成輸出脈沖（OUT +和OUT -）以跟隨輸入電壓，通過提高輸入信號(hào)電平可以增加差分脈沖密度。

應(yīng)用建議

布局設(shè)計(jì)

隨著輸出功率的增加，在放大器、負(fù)載和電源之間正確布局PCB走線和導(dǎo)線至關(guān)重要。應(yīng)使用短而寬的PCB走線，以減少電壓降和電感。盡量避免接地環(huán)路，以減少與不同接地路徑相關(guān)的共模電流。確保走線寬度至少為每英寸200密耳，以獲得最低的直流電阻，并使用1盎司或2盎司的銅PCB走線，以進(jìn)一步降低IR降和電感。良好的接地有助于提高音頻性能，減少通道間的串?dāng)_，并防止開關(guān)噪聲耦合到音頻信號(hào)中。

電源去耦

為確保高效率、低總諧波失真（THD）和高PSRR，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ睢ｋ娫摧斎氡仨毷褂酶哔|(zhì)量、低ESL、低ESR的電容進(jìn)行去耦，最小值為4.7μF，用于旁路低頻噪聲。對于高頻瞬態(tài)噪聲，應(yīng)在PVDD和VDD引腳附近使用0.1μF的電容。

總結(jié)

SSM2537以其高性能、低功耗、小封裝和豐富的功能特性，為音頻放大器設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無論是在手機(jī)、便攜式媒體播放器還是其他對功率和空間有要求的應(yīng)用中，都能發(fā)揮出色的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，正確理解其工作原理和應(yīng)用建議，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，為產(chǎn)品帶來更好的音頻體驗(yàn)。你在使用類似音頻放大器時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。