基于VMA系列功放模块实现音频功放电路的设计

6430080 · 发表于 2021-3-17

音频功率放大器可以说是电子行业一个历久弥新的领域了。从器件类型上来说，经历了电子管、晶体管、集成电路以及混合电路等发展历程；从电路形式上来说，有A类、B类、AB类等等。这些器件和电路各有特点，每一种都能做出上乘的产品。

今年来随着电子技术的进步，一种新型的音频功放电路——D类音频功率放大器正在被越来越广泛地使用。D类功放跟传统的模拟功放不同，不是直接通过电压来直接驱动扬声器，而是将音频信号调成到频率高得多（几百KHz）的PWM信号，再用这个信号去驱动感性的扬声器线圈，从而恢复出声音。与传统的功放相比，D类功率放大器最大的特点就是效率高。传统的A类功率放大器相当大一部分功率耗散在驱动电路上了，因此效很低，通常仅为20%-30%。这显然不符合当代绿色节能的潮流。而D类功放由于采用PWM模式，效率非常高（可高达90%）。因此同样的输出功率，传统的A类功放需要大得多的电源，而且需要大面积的散热器。而D类功放的电能需求只有同功率A类功放的1/4左右，并且由于发热量小，通常只需要很小的散热器甚至不用散热器。此外D类功放的电路通常比较简单，因此可以省很多空间，因此故障率也大大低于传统的模拟功放。

尽管D类功放作为一种较新的功放电路，经常被很多音响发烧友诟病有“数码声”等问题，然而无论是仪器测试还是实听测试都表明D类音频放大器的音质丝毫不亚于传统的模拟功放。在可以预见的将来，节能环保D类功放必将成为音频功率放大器的主流而被广泛应用。

VMA系列数字音频功放模块简介

VMA系列数字音频功放模块是由北京瑞宇飞科技有限公司推出的高品质微型D类音频功放模块，目前共有5种型号。VMA系列功放模块具有以下特点：

内部集成了所有功放所需要的器件，通常情况下信号通路不需要任何外围元件就能构成高品质的功放电路。

采用了高效无输出电感的设计，因此模块的体积非常小，仅跟一枚邮票的尺寸相仿。又因为采用了边缘半孔的设计，因此该模块也被很多用户形象地称为“邮票功放”。

功率密度。以VMA2016为例，仅仅15mmx25mmx3.8mm的尺寸就能在8Ω负载时输出10Wx2的功率。

发热小，效率高，节能环保。以VMA2015为例，即使在15W的满负荷下，模块也无需散热器，外壳仅感到温热而已。

外围电路及其简单，无需散热器和大功率电源，大大降低了系统成本。

VMA系列功放模块目前的5种型号和参数如下表所示

基于VMA系列功放模块实现音频功放电路的设计

其中VMA2013与VMA2015是pin-pin兼容的，VMA2014和VMA2016是pin-pin兼容，仅功率不同，可以直接互换。

下图是VMA2016功放模块的实物照片。

图一 VMA2016立体声功放模块实物

可以看出，即使是目前该系列模块中输出功率最大的，也仅仅与一枚硬币尺寸相仿。小体积的优势使得VMA系列芯片在一些诸如汽车音响、电池供电音响、手持设备等空间有限的应用中大有用武之地。下面逐个介绍该系列的成员：

VMA2012

VMA2012是该系列中最早诞生的，但就其输出功率而言只能算小兄弟。不过2.5w x 2的功率也决不可小觑了，可以让你的桌面小音箱唱得满屋子都听得清清楚楚。这个型号最大的特点是供电电压低，最低只需要2.7V就能正常工作了，最高也不能超过5.5V。也就是说，只需要2-3节干电池供电，VMA2012就能推动8欧的小音箱让十几平米的房间充满美妙的音乐。这对于传统的模拟功放而言是不可思议的。

下面是VMA2012的引脚图以及瑞宇飞科技有限公司提供的Altium Designer器件库：

图二 VMA2012引脚图以及元件符号

VMA2012模块采用的仍然是VM系列模块常见的PQN-12封装，尺寸为15x18x3.8mm，非常纤小。VMA2012的引脚说明如下：

采用VMA2012设计立体声功放非常简单，通常只需要两个设置增益的电阻。如果20倍的电压增益正好适合，甚至这两个电阻都可以省去了。小体积、低成本、低电压的特性使得VMA2012非常适合用于高端收音机、便携式小型音响、桌面音响等场合。

下图是VMA2012的参考设计电路：

图三 VMA2012参考设计

上图参考设计中采用的是单端输入的设计，适合用来直接接MP3等音源。当然也可以设计成差分输入的模式用于与codec等设备接口。

电压增益通过两个电阻Rg1和Rg2来设置，增益的计算公式为：

由增益的公式可以推断出，如果省去Rg直接将输入信号接入模块，VMA2012最高增益是20倍。这样的增益正好适合MP3等音源推动小型桌面音箱。如果有特殊需要更高的增益，我们可以根据客户的要求进行制造。

下图是用户采用VMA2012模块制造的功放板，其尺寸仅为CF卡大小，可以装入非常小的空间内做成超mini的功放。有用户*价其音质“超乎预想，完全可以满足一般的音乐欣赏要求。”

图四用VMA2012设计的功放板

VMA2013/VMA2015

VMA2013/2015是单声道大功率的音频功放模块，在负载为8Ω时VMA2013输出功率是6W，VMA2015是15W。在半功率输出时模块的THD+N仅为0.07%。两种芯片外观尺寸和引脚完全一样，因此可以互换使用。模块封装引脚和器件图如下所示：

图五 VMA2013/2015引脚图和元件符号

VMA2012模块采用的是VM系列模块常见的PQN-12封装，尺寸为15x18x3.8mm VMA2012的引脚说明如下：

采用VMA2013/2015设计功放电路同样很简单，最简化的情况下可以不要任何外围元件。当然为了改善音质，特别是在大功率输出的情况下，我们还是建议加一只1000uF以上的电源滤波电容。电容越大对改善大动态的响应越有利。此外在具体设计时，G0和G1可以设计成跳线的形式以便设置不同的增益值。下图是VMA2013/2015的参考电路图：

图六 VMA2013/2015参考设计电路图

上图的参考设计是单端的设计，这时将IN-直接接地。G0、G1和VR在PCB上可以用跳线来进行设置。

下图是采用VMA2015设计的15Wx2立体声功放板，通过对比可以看到尺寸仅比CF卡略大，而输出功率却能够达到15Wx2，充分显示出了VMA系列模块高功率密度的优势。

图七用2015设计的15Wx2立体声功放板

VMA2014/VMA2016

VMA2014/VMA2016是中/大功率的立体声音频功放模块。8Ω负载时VMA2014的输出功率为5Wx2，VMA2016的功率为10Wx2。半功率输出时THD+N仅为0.07%，SNR高达97dB。两种芯片外观尺寸和引脚完全一样，因此可以互换使用。模块封装引脚和器件图如下所示：

图八 VMA2014/2016引脚图和元件符号

VMA2012模块采用的是VM系列模块常见的PQN-18封装，尺寸为15x25.4x3.8mm VMA2012的引脚说明如下：

图九 VMA2014/VMA2016参考电路

上图的参考设计为单端输入，这时将IN-直接接地。G0、G1和VR在PCB上可以用跳线来进行设置。

下图是采用VMA2016设计的10Wx2立体声功放板，尺寸仅与CF卡相仿，可以轻易放入很多小音箱以及其它音频娱乐设备中。

图十用VMA2016设计的10Wx2立体声功放板

目前VMA2016已经在汽车音响、桌面音响中被大量使用，其优异的音质、纤小的体积、简洁的电路以及高性价比得到了广大用户的一致好*。有用户*价：“质不错，高低音非常均衡，音质细腻耐听，高频纤细，低频量感也很好”；“非常省电，开到一般响度，离音箱2米听弦乐声音正合适，消耗电流100mA左右”；“发热量很小，在常规音量下，电路仅微微温热而已。”

VMA系列模块的焊接

VMA系列模块采用耐高温的材料进行封装，因此可以采用回流焊进行焊接。在业余条件下用电烙铁焊接也是非常方便的。准备一把尖头烙铁和一些细焊锡丝（1mm以下最佳）。先在焊盘上涂上一些助焊剂，然后将模块放到准确的位置，使模块上的引脚与焊盘一一对应好。将焊锡丝放入半孔缺口，用烙铁轻轻触碰焊锡丝，很快焊锡就会融化并且将模块的半孔焊盘与底板的焊盘牢固地焊接在一起。焊接的操作如下图所示：

图十一 VMA系列模块的手工焊接

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