发现MA12070P这款I2S输入的芯片用来做纯数字功放貌似不错

zjumelody

纯数字功放论坛里貌似讨论得比较少，估计是可选择的性能比较好的芯片比较少的原因吧，大家都没什么创作兴趣啊。

近日我发现一款可以 I2S 输入的 2x80W 超高功效全集成式纯数字功放芯片，infineon 的 MA12070P，论坛里貌似还没看到有人深入研究。

这款芯片属于英飞凌的 MERUS™ 系列D类音频功放IC，官网描述这款芯片基于英飞凌专有的多级开关技术。

关键性能：

• 具有三电平和五电平调制的多级开关技术
• 四阶闭环反馈误差控制
• 低空闲功率损耗
• 低 THD+N (0.003%)
• 低EMI排放
• 64引脚耐热增强型QFN封装，带有焊盘式裸露导热垫(EPAD)
  

主要优点：

• 超高电源效率（功耗超低）
• 高清音频质量和抑制电源电压干扰
• 通过无过滤器，无热沉操作减少BoM
  

来看下官网给的这个功放效率图：

平均输出功率下的功放效率是关键。如左图所示，MERUS™ 多级D类功放比传统的D类功放更有效，这可以降低交流输入和电池供电的音频应用中的功耗。

这款芯片采用四阶反馈误差控制，能够提供更好的增益，比传统的二阶环路更好地抑制误差，从而保证极低的信号失真、卓越的音频性能，即使电源不是理想电源（有噪音或者纹波），依然保证低失真度高音质并稳定可靠。


我们再来重点看下这个多级技术，看下它的优势与工作原理：
尽管传统的D类音频放大器的效率已经达到了90%及以上，但是其相对较高的功率、仅实现了50%左右的常用音量效率，加上它对LC滤波器与散热器的需求，使得其占用的空间较大（成本也更高）。
MERUS™ 多级D类放大器打破了这些局限。其技术创新带来了以下优势：

• 无需输出LC滤波器，尺寸更小，成本更低
• 改善了常用音量效率
• 显著降低功耗，减少了散热
• 得益于高频的多级开关，音源的细节得以保留音质音感得以提升
  

这款突破性的放大器产品采用多级半桥功率级，在待机或近待机时，能够实现低功耗。不同于传统的D类放大器，该产品的每个半桥功率级都具有4个晶体管MOSFET（传统D类放大器仅为2个）。这些半桥通过单电源建立多个PWM输出级（每个MOSFET由单独的PWM信号驱动），这就带来了极大的灵活性，并且能够在任何应用中为放大器配置最佳功率性能。位于顶部和底部MOSFET之间的飞跨电容（Cfly）由独立的电路持续供电，因此能够将电压电位保持在固定水平。这个“飞跨电容”基本上起到了额外电源轨的作用。这样一来，每个半桥功率级都能在输出切换节点处建立一个三电平输出信号：0 V、½ PVDD和PVDD 。





(图1)
图1：MERUS™ 放大器采用了独特的功率级拓扑结构。基于这种设计，每个半桥都可以利用四个MOSFET（M1-M4）和位于这些MOSFET之间用作额外电源轨的飞跨电容，在输出切换节点处建立三电平输出信号。
在完整的桥式负载（BTL）配置下——即将两个三电平半桥与切换模式相结合，其中每个半桥的切换模式都相对于另一个90°相移——产生的功率级可以为差分连接的扬声器负载提供5级调制模式。多级调制能够产生更高的输出频率，各个电压阶跃也更小，与传统的D类放大器相比，其输出的音频信号更接近输入波形。


(图2)
图2：MERUS™ 多级D类放大器能够提供完整的桥式负载5级输出信号。这些IC的5级输出，不再需要外部输出级滤波，从而最大限度地降低了整体功率损耗，与传统的D类放大器相比，其输出音频信号也更接近于输入波形。
这个5级系统使输出节点的开关频率提高到了原来的四倍，差分连接扬声器负载的带外切换残差也更少。凭借更高效、更优异的EMI和EMC管理，该放大器能够有效地被配置为无滤波器运行。在这种情况下，扬声器负载切换频率是半桥输出节点MOSFET开关频率的4倍。还值得注意的是，切换模式会产生三种状态（传统D类放大器只能产生一种状态）（这时，带外切换残差完全消除），即- ½ PVDD、0 V和+½ PVDD。在这些状态下，两个半桥输出要么都是0V，要么都会产生完全“镜像”的50%占空比输出。在应用中，这会直接降低音频系统输出的波纹电流。由于不需要抑制带外开关噪音或伪影，因此多数应用中，不需要使用共模情况下的LC滤波器。波纹电流降低的影响参见图3。当标准化为传统的D类放大器的波纹电流时（紫线），三电平或半桥（绿线）和5电平或BLT（灰线）调制输出信号的波纹电流明显变小。于是，除了固有地提高开关效率，由于外部元件的波纹电流降低，其总功耗和功率损耗也显著降低。



(图3)
图3：由于外部元件的波纹电流显著降低，音频应用的总功耗和功率损耗也相应降低。0状态下的三电平和五电平信号，无波纹电流。 多级D类放大器带来的设计优势，由于多级D类放大器显著降低了功耗，因此其运行效率得到了提升。加上它在待机以及平均音量下的功耗较低，因此有助于设计人员设计出电池寿命更长或电池体积更小的便携式音频系统。


(图4a) (图4b)
图4a和4b：MERUS™ MA12040多级D类放大器在待机时耗电仅为250 mW。近待机时，功耗较为平稳，明显低于传统D类放大器，每声道甚至能达到2W。对比右图，可发现改进功耗的重要性。
由于总功耗取决于平均功率损耗，而且在再现常见的音频信号时，主要取决于待机损耗，与最常见的D类放大器相比，多级放大器的总功率效率改善因子为4或以上。这时使用数字控制接口，就可通过选择不同的调制方式和开关频率，实现不同的功率模式。在放大器运行期间，功率管理算法会根据给定的功率级自动选择最佳功率模式。功率模式之间的无缝切换，能够在整个输出功率范围最大限度地减少功率损耗，同时确保高音频性能和低EMI。由于无需借助大量滤波来抑制不必要的干扰，哪怕在高功率应用中，多级放大器也不必依靠LC和RC滤波器，而是直接驱动扬声器，这降低了应用成本。就算音频产品设计人员依然希望使用LC滤波器，它们也要比传统D类放大器的体积小。
低功率损耗意味着产生的热量更少，运行温度更低。在很多情况下，放大器电路板本身就能提供足够的散热能力，即使是通常需要使用专用散热器的高功率应用也不例外。由于音频设备内部的运行温度较低，在高输出功率运行期间，如高音量播放音乐时，它有着更大的裕量。较低的运行温度减少了热加速老化，因此，这也改善了音频设备的可靠性。


最后我们来看下 MA12070P 这款芯片的参数总览：

特征描述

• 具有 3 级和 5 级调制的多级开关技术
• 2×80W 峰值输出功率（26V PVDD，RL = 4Ω，10% THD+N 电平
• 电源电压：+4V 至 +26V (PVDD) 和 +5V (A/DVDD)
• 适合 2.0、2.1、4.0、1.0 输出配置
• 四阶反馈误差控制
• <160mW 闲置功率耗散（26V PVDD，全通道切换）
• 输出功率为 2W 时效率 >80%（1kHz 正弦波，8Ω）
• 输出满载时效率 >92%（1kHz 正弦波，8Ω）
• 音频性能 (PMP2)：>101dB SNR（信噪比）（A-w，相对于 1% THD+N（总谐波失真+噪声）功率电平）
• 140μV 输出综合噪声 (A-w)
• 高输出电平时 THD+N 为 0.007%
• I2C 控制（四个可选地址）
• 内置音量控制和限幅器
• 内置保护：欠压闭锁、过热警告/报错，短路/过载保护、功率级pin-to-pin短路、通过串行接口 (I2C) 发送错误报告、直流保护
  

优势

• 无与伦比的功耗能效 - 针对音乐播放时的功耗进行了优化，使其具有极低的能耗。
• 超紧凑，高集成度的解决方案 –真正实现大功率小身材
• 高清音质及顶级音频性能 - 高动态范围，低失真，低噪音
• 低干扰/ 低EMI辐射 -无需使用大型滤波器件即可符合EMC要求
• 对电源波纹高抑制性
• 降低BoM节省相关系统成本
• 应着更高的电源效率从而减少电池尺寸
• 无需复杂的动态跟随电源设计（常规配合提高能效的音响电源设计方案）
• 在大部分应用中无需低通滤波器（LPF）
• 采用EPAD-down封装，工作时无需散热器
• 灵活的解决方案 - 高度可配置性，可在各种应用中实现定制
  

以上资料都整理自官网网络：https://www.infineon.com/cms/cn/ ... ifier-ics/ma12070p/
其他详细数据可以自行去官网查询。

根据这些描述由此看这系列的款芯片性能貌似还是挺不错的，很适合用来做纯数字功放啊，不知道论坛里有没有人有研究鼓捣过的。

iffi123

可惜内部I2S还是经过DAC转成模拟，不是直接数字调制

zjumelody

iffi123 发表于 2020-11-25 12:48
可惜内部I2S还是经过DAC转成模拟，不是直接数字调制

是吗？这么坑的吗 那不是多此一举，脱裤子放屁啊

mxwmke1

等待楼主做出来分享。

iffi123

zjumelody 发表于 2020-11-25 12:57
是吗？这么坑的吗 那不是多此一举，脱裤子放屁啊

失真度倒很低

zjumelody

iffi123 发表于 2020-11-25 13:06
失真度倒很低

四个DAC矗立在那里，白欢喜了一场啊，不过奇怪的是英飞凌为啥要这样设计，难道就是为了满足I2S输入这个功能而存在

zjumelody

mxwmke1 发表于 2020-11-25 13:00
等待楼主做出来分享。

我水平不够@@

jacksl528

只要不是 比特流信号直入 ， 市面上这种所谓I2S入的 数字功率放大芯片都内置DAC ，只不过有些没画内部等效图形罢了。没啥好遗憾的。  

觉得好就搞起来试试看。

---

另外：
现在的半导体厂商也玩文字游戏，
信号失真度0.00X%  毫无意义，

看它的实际应用带载失真度：

22V供电，驱动8欧负载  能力也就那样了。
2x30W continuous output power (RL = 8Ω at 22V, PMP4, 10% THD+N level, without heatsink)


这芯片应该是用在多媒体音频或者有源音箱上的东西【纯数字功率放大芯片能迈入HIFI殿堂的时代还未来临，再等几年看吧】
MA12070P

ls0001

jacksl528 发表于 2020-11-25 15:48
只要不是 比特流信号直入 ， 市面上这种所谓I2S入的 数字功率放大芯片都内置DAC ，只不过有些没画内部等效 ...

多媒体类的功放,
4欧15w,
btl 8欧30W,
1k失真1%,20k都不知道是什么景象.

zjumelody

jacksl528 发表于 2020-11-25 15:48
只要不是 比特流信号直入 ， 市面上这种所谓I2S入的 数字功率放大芯片都内置DAC ，只不过有些没画内部等效 ...

果真大佬就是大佬，直击痛点
话说截止目前纯数字功率放大芯片真的没有令人比较满意的吗，有没有相对综合性比较好的方案呢，大佬有没有推荐的可玩的纯数字方案或者IC。

zjumelody

ls0001 发表于 2020-11-25 16:46
多媒体类的功放,
4欧15w,
btl 8欧30W,

看这数据确实有点诡异

jacksl528

zjumelody 发表于 2020-11-25 17:17
果真大佬就是大佬，直击痛点
话说截止目前纯数字功率放大芯片真的没有令人比较满意的吗，有没有 ...

很多骚友感觉上I2S直入这种方式很HIFI ，但明白原理的人都知道，实际上并不会~  
高端的I2S直入芯片强项并不是HIFI高保真，，应用领域也不是定位在 消费级的HIFI音频。 而是音响矩阵工程 和数字多媒体


而且对于DIY玩家来说，无论是封装形式，还是软控方式，都不是那么友好~   

gxvhxv

这个数据不是很好看啊

不如老IC的数据好

gxvhxv

MA12070


2050  

zjumelody

gxvhxv 发表于 2020-11-25 17:33
这个数据不是很好看啊

不如老IC的数据好

嗯，确实，学习了学习了

zjumelody

jacksl528 发表于 2020-11-25 17:31
我觉得感觉上I2S这种方式很HIFI ，但明白原理的人都知道，实际上并不会~  
高端的I2S直入芯片，应用领 ...

突然发现大佬DIY过挺多好东西，向你学习向你学习

无语密码

不错，值得玩

locky_z

I2S 转 模拟 再转 PWM ?
可能内部框图的DAC,指的是就是PWM类型的DAC.

丹麦王子

散热器都没有的芯片能输出多少电流，又用10%失真的功率来做标注，简直就是，，，，，，

vwwvww

这个芯片买了，也打了个样板，但是卡在了mcu控制那里， 这个ic是不是一定要用mcu来控制才能运作的