内容介绍

一、项目概述

1.1 项目背景

本项目针对便携式蓝牙音箱、桌面提醒器、嵌入式开发板（如树莓派、ESP32）外接扬声器等应用场景，设计一款单声道 D 类音频功率放大器模块。考虑到便携设备对体积、效率与电池续航的严苛要求，本设计选取 Maxim（现 Analog Devices）公司的 MAX98357AETE+T 作为核心功放器件，配合数字 I2S 接口直接对接主控，省去外置 DAC，从而降低整体 BOM 成本与 PCB 面积。

1.2 任务要求

任务书规定两条独立路线，本次仅实现便携路线。

参数	要求值
路线	便携路线
输入电压	2.5 ~ 5.5 V（单电源）
通道数	单声道
扬声器阻抗	4 Ω / 8 Ω
目标输出功率	5 V / 4 Ω ≥ 2 W（8 Ω ≥ 1 W）
音频输入	I2S 数字音频（BCLK / LRCLK / DIN）
静音/关断控制	SD_MODE# 引脚，低电平关断（< 1 µA）
输入端保护	反接 / 过流 / 浪涌保护至少一种

二、硬件详细说明

本设计共使用 8 类有源器件与无源器件，按功能划分为音频功放、电源、保护、接口四大模块。

音频功放模块：MAX98357AETE+T

功放芯片选用 Maxim Integrated（现 Analog Devices）公司的 MAX98357AETE+T。该器件为 I2S 数字输入、单声道 D 类功率放大器，集成升压转换器，可由单电源直接驱动 4 Ω / 8 Ω 扬声器。

项目	规格
制造商	Maxim Integrated / Analog Devices
型号	MAX98357AETE+T
封装	TQFN-16-EP（3 mm × 3 mm，16 引脚 + 1 个散热焊盘 EP）
工作电压	2.5 V ~ 5.5 V
通道数	单声道（BTL 输出）
数据接口	I2S 标准 / 左对齐 / 右对齐（自动识别）
输出功率	5 V / 4 Ω：2.5 W（THD+N=10%）、2.0 W（THD+N=1%）
效率	92%（典型值，2 W / 4 Ω）
THD+N	0.025%（1 W / 4 Ω，1 kHz）
关断电流	< 1 µA（SD_MODE# = 0）
工作温度	-40 °C ~ +85 °C
散热方式	EP 散热焊盘 + 过孔阵列 + 底层铺铜

得捷链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/analog-devices-inc-maxim-integrated/MAX98357AETE-T/4936122

电源模块

电源输入与去耦

电源由 J1-Pin1（VCC）与 J1-Pin2（GND）引入，采用直插排针 KF128-2.54-7P。

电源去耦分两级：

器件	参数	作用
C1	10 µF / 10 V，0805 封装，X5R 介质	大容量储能，抑制低频纹波（< 100 kHz）
C2	100 nF / 16 V，0402 封装，X7R 介质	高频去耦，抑制 VCC 开关噪声（> 1 MHz）

C1 与 C2 并联，形成宽频段去耦网络。C1 与 C2 物理上应紧贴 U1 的 VDD 引脚（Pin 7、Pin 8），走线宽度 ≥ 0.5 mm，环路面积 ≤ 0.5 cm²。原理图位置：电源网络。

测试点

板边设置 2 个圆盘测试焊盘：

测试点	标识	位置	用途
T1	VCC	J1-Pin1 旁	测量供电电压与纹波（推荐示波器探头 ×1 档）
T2	GND	D1 阴极旁	提供示波器参考地

控制与接口模块

I2S 数字音频接口

音频输入采用标准 I2S 接口，5 个信号通过 J1 排针引入：

信号	方向	J1 引脚	描述
VCC	电源输入	Pin 1	2.5 ~ 5.5 V 供电
GND	电源地	Pin 2	系统参考地
SD	数字输入	Pin 3	SD_MODE# 关断控制（低电平关断）
GAIN	数字输入	Pin 4	增益选择
DIN	数字输入	Pin 5	I2S 串行数据
BCLK	数字输入	Pin 6	I2S 位时钟
LRC	数字输入	Pin 7	I2S 字选择

扬声器输出接口 P1

P1 选用直插排针 KF128-2.54-2P，2 个引脚定义如下：

引脚	连接	描述
Pin 1	U1 Pin 10 (OUTP)	BTL 输出正端，经 C3 滤波
Pin 2	U1 Pin 9 (OUTN)	BTL 输出负端，经 C4 滤波

由于本设计采用 BTL（Bridge-Tied-Load）输出架构，OUTP 与 OUTN 均为浮动差分信号，绝对不得与系统 GND 短路。PCB 走线上，P1 两引脚的焊盘与底层 GND 铜皮保持 ≥ 0.5 mm 隔离带。原理图位置：P1。

三、原理图与 PCB 设计

系统框图

┌─────────┐    ┌──────────┐    ┌────────────┐    ┌──────────┐    ┌─────────┐
│ 主控 I2S│───▶│ J1 接口  │───▶│ TVS + 去耦 │───▶│ MAX98357A│───▶│ 扬声器  │
│  BCLK   │    │ 7P 排针  │    │ D1 + C1/C2 │    │  BTL 输出 │    │  4 Ω/8 Ω│
│  LRCLK  │    └──────────┘    └────────────┘    │ + C3/C4  │    └─────────┘
│  DIN    │                                       └──────────┘
│  SD     │
└─────────┘

原理图设计要点

电源网络设计

VCC 网络由 J1-Pin1 进入后，分为三路：

保护支路：D1（TVS）跨接于 VCC 与 GND，提供反接与浪涌保护；
储能支路：C1（10 µF）作为大容量储能电容，抑制低频纹波；
去耦支路：C2（100 nF）作为高频去耦电容，抑制开关噪声；

输出滤波网络

数据手册第 5.2 节"Application Information / Output Filtering"推荐在每根 BTL 输出端串接 30 Ω @ 100 MHz 磁珠并接 220 pF 至 GND，构成 LC 二阶低通滤波器，用于抑制 D 类开关噪声（载波频率 330 kHz）的高次谐波。

本设计出于 BOM 极简化考虑，省略磁珠，仅保留 C3（220 pF）与 C4（220 pF）两个电容，分别接于 OUTP 与 OUTN 至 GND，构成 RC 一阶低通滤波。截止频率计算：

f_c = 1 / (2π × R_L × C) = 1 / (2π × 4 Ω × 220 pF) ≈ 181 kHz

该截止频率高于音频带宽（20 Hz ~ 20 kHz）一个数量级，远低于 D 类开关频率（330 kHz），可有效衰减载波而不损失音频分量。便携 2 W 输出等级下，4 Ω 扬声器本身阻抗在中高频段已接近 30 Ω 量级，磁珠损耗相对音频信号已不可忽略，故省略磁珠在成本与性能间取得平衡。

PCB 设计要点

布局原则

按"信号流最短、电源回路最小"原则进行分区布局：

区域	内容
输入区	J1（I2S + 电源接口）
保护区	D1（TVS）
储能去耦区	C1、C2
核心区	U1（MAX98357A）
输出滤波区	C3、C4
输出区	P1（扬声器接口）

地平面规划

本设计采用单点接地（Single-Point Ground）方案，不区分功率地与模拟地。原因如下：

MAX98357A 内部已对功率地与信号地进行分区设计（数据手册第 4.2 节"Functional Diagram"）；
单电源供电（无独立模拟电源），无需额外隔离；
便携 2 W 等级下大电流回路面积已通过 PCB 布局控制在 < 0.5 cm²。

底层为完整 GND 铺铜，与顶层通过过孔阵列连通。

散热设计

MAX98357A 的散热路径为：芯片结 → 封装内部 → EP 焊盘 → 顶层铺铜 → 过孔阵列 → 底层铺铜 → 环境空气。

最终效果：

四、总结

本次 D 类音频功放模块设计，从选型到 PCB 落地，最深的体会是"datasheet 要逐字读、热焊盘要打满过孔、BTL不得碰系统地" 这三件硬件设计基本功。选择MAX98357AETE+T 的核心理由是 I2S 直驱省掉 DAC——省一颗 PCM5101A，BOM成本与PCB面积双降，且片上集成升压、单电源即可驱动4 Ω扬声器，非常贴合便携路线定位。