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。

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。

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：

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：

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：

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：

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：

1. 保护支路：D1（TVS）跨接于 VCC 与 GND，提供反接与浪涌保护；
2. 储能支路：C1（10 µF）作为大容量储能电容，抑制低频纹波；
3. 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：

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：

1. 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"）；
2. 单电源供电（无独立模拟电源），无需额外隔离；
3. 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：

实物图：

四、测试效果

我们这里主要用到的是I2S的驱动设计，使用arduino IDE+ESP32 C5开发板实现的驱动设计，使用的是DFrobot的驱动库实现，实际连接如下：

由于驱动扬声器的呻吟效果不好实现，这里我们主要通过驱动配置，让MAX98357有输出，实际上就是通过这个模块把数字信号转换成模拟驱动信号，这里我们使用的驱动代码如下：

#include <Arduino.h>  
#include "driver/i2s.h"  
   
// I2S 配置参数  
#define I2S_BCLK 5  
#define I2S_LRC  4  
#define I2S_DOUT 2  
   
// 音频参数  
#define SAMPLE_RATE 44100  
#define SAMPLE_BITS 16  
#define BUFFER_SIZE 1024  
   
// 生成正弦波测试音频  
void generateSineWave(int16_t* buffer, size_t samples, float frequency, float volume) {  
  static float phase = 0.0;  
  float phaseIncrement = 2 * PI * frequency / SAMPLE_RATE;  
    
  for (size_t i = 0; i < samples; i++) {  
    buffer[i] = volume * sin(phase) * 32767; // 16位有符号整数范围  
    //Serial.println(buffer[i]);  
    phase += phaseIncrement;  
    if (phase >= 2 * PI) phase -= 2 * PI;  
  }  
}  
   
   
void setup() {  
  Serial.begin(921600);  
    
  // 配置 I2S  
  i2s_config_t i2s_config = {  
    .mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_TX),  
    .sample_rate = SAMPLE_RATE,  
    .bits_per_sample = (i2s_bits_per_sample_t)SAMPLE_BITS,  
    .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFT,  
    .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S,  
    //.communication_format = (i2s_comm_format_t)(I2S_COMM_FORMAT_I2S | I2S_COMM_FORMAT_I2S_MSB),  
    .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1,  
    .dma_buf_count = 4,  
    .dma_buf_len = BUFFER_SIZE,  
    .use_apll = false  
  };  
   
  i2s_pin_config_t pin_config = {  
    .bck_io_num = I2S_BCLK,  
    .ws_io_num = I2S_LRC,  
    .data_out_num = I2S_DOUT,  
    .data_in_num = I2S_PIN_NO_CHANGE  
  };  
   
  // 初始化 I2S  
  i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &i2s_config, 0, NULL);  
  i2s_set_pin(I2S_NUM_0, &pin_config);  
}  
   
void loop() {  
  int16_t audioBuffer[BUFFER_SIZE];  
   
  // 生成 1000Hz 正弦波  
  generateSineWave(audioBuffer, BUFFER_SIZE, 100, 0.1);    
   
  // 通过 I2S 发送音频数据  
  size_t bytesWritten;  
  i2s_write(I2S_NUM_0, audioBuffer, sizeof(audioBuffer), &bytesWritten, portMAX_DELAY);  
} 

实际上我们在输出端测得的波形就是一个PWM类似的波形：

五、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。很多芯片都支持I2S的输出，还是非常方便的。