Application Report
ZHCA422 – January 2012
TPA311x音频功放 POP噪声分析及控制Ryan Wang (Fan) 王凡South China OEM Team
摘要
TPA311x系列模拟输入音频功放是德州仪器半导体公司（Texas Instruments）推出的中小 功率的Class D音频功放产品。该产品具有SpeakerGuard™保护功能及优秀的EMI性
能。非常适合在在平板电视、iPhone Docking等产品中使用。本文结合实际应用分析了常
见POP声的原理及解决方案。
1TPA311x功放简介 (2)
1.1概述 (2)
1.2功率限制（Power Limiter） (2)
1.3直流检测保护（DC Detection） (3)
2应用指南 (3)
2.1启动和关闭时序 (3)
2.2输入级模型 (4)
2.3TPA311x的单端输入方式 (5)
2.4输入阻抗网络的匹配 (6)
2.5使用运放建立隔离系统 (7)
2.6TPA311X Pop声分析及解决方案 (7)
2.6.1POP的原因及调试方法 (7)
2.6.2掉电检测电路 (8)
3总结 (10)
4参考文献 (10)
图例
图 1.TPA311X 功率限制波形 (2)
图 2.模拟输入级等效模型 (4)
图 4.TPA311x 单端输入接法 (5)
图 5.匹配输入阻抗 (6)
图 6.使用运放建立隔离的阻抗网络 (7)
图 7.掉电检测电路 (9)
图 8.掉电检测电路示例波形 (9)
表格
表 1.功能触发DC Detection的输入阀值 (3)
1
ZHCA422
2 TPA311x 音频功放 POP 噪声分析及控制
表 2.
差分、单端输入方式对比表 (5)
1 TPA311x 功放简介
1.1 概 述
TPA311x 系列器件是德州仪器半导体公司（Texas Instruments ）推出的中小功率，模拟输入，BTL （桥接模式）输出的Class D 功放。该系列目前包括以下器件： • TPA3110：带有SpeakerGuard™ 的15W Class D 立体声功放。 • TPA3113：带有SpeakerGuard™ 的6W Class D 立体声功放， 与TPA3110管脚兼容。 • TPA3111：带有SpeakerGuard™ 的10W Class D 单声道功放。
•
TPA3112：带有SpeakerGuard™ 的25W Class D 单声道功放，与TPA3111管脚兼容。
SpeakerGuard™功能包括Power Limiter （功率限制）和DC Detection （直流检测保护）两种。功率
限制可以限制功放输出的最大功率，避免喇叭在超过额定功率时损坏。直流检测保护功能可以避免由于输入级电容损坏或短路造成功放持续输出直流电平烧毁喇叭。
TPA311x 系列器件还具有优秀的EMI 抑制性能，在一定的应用条件下使用低成本的磁珠来替代滤波电感同样可以满足EMI 测试的要求。
1.2 功率限制（Power Limiter ）
功率限制功能的原理为限制功放输出PWM 的最大占空比（Duty Cycle ），从而限制最大输出功率。用户可通过设定PLIMIT 引脚上的电压来控制最大占空比的值，从而决定了最大功率的设定值。
限制最大占空比的功率限制方式得到的结果如同降低PVCC 供电电压一样，输出的波形是带有失真的Clipping 波形，如图1所示。功率限制时，若输入模拟信号进一步加大，输出波形的失真会增加，功率会缓慢上升。
图 1. TPA311X 功率限制波形
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实际应用中，因为占空比被限制，无论是启动时还是工作过程中的瞬态输入过大都会由于PWM 被限制而被抑制住。所以Power Limiter还可以提供瞬间的过流控制功能。
1.3 直流检测保护（DC Detection）
直流检测保护是通过持续监视功放输出PWM 占空比来实现的，若占空比的非平衡度超过
14 %( 例如：+57%，-43%) 并持续约420mS。则DC Detection的保护功能将被触发。
注意:
DC Detection保护功能具有LATCH特性，无法自动恢复，无法使用/SD关机来清除。
只有切断PVCC重新上电才会脱离保护状态.
因为DC Detection 功能检测的是功放输出PWM的占空比，根据功放设置的不同增益等级，可以推断出不同增益状态下，触发保护的输入级的直流电平幅度，如下表所示：
表 1.功能触发DC Detection的输入阀值
增益设置（dB）输入幅度（mV，差分）
20 112
26 56
32 28
36 17
在实际应用中，DC Detection功能有可能被误触发导致功放无输出，必须断电重启。为了避免这种应用问题，在电路设计初期需要注意功放输入部分的阻抗匹配，请参见将2.4节。
2 应用指南
2.1 启动和关闭时序
为了优化开关机的POP声和避免DC Detect功能的误触发，在系统设计时需要注意主芯片和 TPA311x器件的启动时序。启动时序分为电源时序和使能时序两种，电源时序是指系统中各种芯片电源供电或断电的时序。而使能时序可理解为系统供电稳定后由系统主控决定的器件功能使能的先后次序。
对于电源时序来说，由于多数主芯片的音频输出在上电和断电过程中不太稳定，理想的上电次序是系统主芯片先于TPA311x上电。然后TPA311x的PVCC再供电。断电的理想时序正好相反，为TPA311x的电源先切断，然后再切断主控芯片的供电。
但是通常TPA311x的PVCC取自于系统的主电源，该电源一般在开机后最先输出。随后再通过DC/DC或LDO降压给主芯片供电。所以TPA311x一般在主芯片稳定前已经供电并启动。这种设计中，上电时必须保证TPA311x的/SD脚处于拉低状态，避免主芯片上电过程中的POP声输
出。掉电时，也需要将TPA311x置于standby状态，避免主芯片掉电时的POP声输出。通常上电过程的POP声较容易解决，但系统掉电时需要使用掉电检测电路（详见2.6.2节）来强制将
TPA311x的/SD快速拉低来解决掉电POP声的问题。
TPA311x音频功放 POP噪声分析及控制 3
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4 TPA311x 音频功放 POP 噪声分析及控制
使能时序：由于主芯片音频模拟输出的偏置电压一般在输出使能后建立，此时需要保持TPA311x 的/SD 拉低，等待主芯片模拟输出的偏置电压稳定后才可以将/SD 置高开启功放。相反，需要关闭主芯片音频模拟输出功能时，需要先拉低/SD 将功放关闭后，再关闭主芯片的模拟输出信号。这样的时序是为了保证主芯片模拟输出的偏置电压掉电时不会引起POP 声。
2.2 输入级模型
TPA311x 是单电源供电的模拟输入Class D 功放，这类功放的模拟输入必须工作在直流偏置
（DC BIAS ）点上才可以正常传输交流音频信号，简化的输入级模型如图2所示。TPA311x 的直流偏置电压设定在3V 。
图 2. 模拟输入级等效模型
功放在启动时，偏置电压会从
0V 上升到额定的偏置电压，该过程的时间长短取决于内部偏置电压源对外部阻抗网络的充电速度。
TIME
V O L T A G E
Bias Voltage
Same Speed
Difference = 0
A
B
图 3.
差分输入偏置电压建立过程
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TPA311x 音频功放 POP 噪声分析及控制 5
TPA311x 差分输入INN 和INP 的输入偏置电压建立的过程如图3所示，若差分输入N 和P 端的输入偏置电压建立速度不一样（如图2A 所示）则两者之差会形成差分信号输入功放并被放大输出，形成启动
时的POP 声。差分输入端偏置电压建立过程的不平衡通常是因为输入级INN 和INP 外部的阻抗不匹配所致。这种情况最容易出现在差分输入用作单端输入状态。
2.3 TPA311x 的单端输入方式
TPA311x 器件的模拟输入是标准的差分输入接口。在系统设计中，推荐使用差分输入方式来接驳主芯片的音频输出。使用差分输入方式可以不仅POP 声的控制相对简单、信号抗干扰能力强，而且不会引起DC Detection 功能的误动作。差分输入方式和单端输入方式的对比如下表所示：
表 2.
差分、单端输入方式对比表
差分输入方式
单端输入方式
抗噪声干扰能力 差分输入有较强的共模噪声抑制性能
无抑制功能，需要在PCB 走线布局方面多加注意。
启动/关闭时POP 声性能
差分输入的对称性保证了最优的开关机POP 声性能 单端输入需仔细设计输入网络及控制电路，避免输入不平衡引起POP 声。
DC Detect 误触发
平衡的差分输入一般不会引起DC Detection 误动作
需注意输入网络的设计，避免启动时误触发
DC Detect
不过在实际应用中，由于多数主芯片的音频模拟输出是单端模式， TPA311x 的差分输入必须配置
为单端接法才能使用。如图4所示，单端输入时，主芯片输出通过耦合电容连接功放INP 脚。INN 输入通过电容耦合到地即可。
图 4.
TPA311x 单端输入接法
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