高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構的製作方法

2023-04-22 21:09:26

專利名稱：高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構的製作方法
技術領域：
本發明涉及音頻系統設計領域，具體地說，是一種高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構。
背景技術：
一般音頻系統由音源、音頻功率放大器及揚聲器組成，音頻系統的輸出功率決定 了該系統的響度，即聲音的大小。其中的音源就是聲音的來源，按照存儲方式不同可分為數字音源和模擬音源。用於記錄和處理模擬信號的音源就是模擬音源，例如以電流和電壓形式傳播的音頻信號；數字音源記錄、處理的都是O和I排列組合形成的抽象二進位數據流，這些數據經過數模轉換(DAC, Digital to Analog Converter)之後,就可還原為模擬音頻信號。音頻功率放大器就是對微弱音頻信號進行功率放大以得到大信號的組件。THD+N是TotalHarmonic Distortion+Noise,就是「總諧波失真加噪聲」,它是音頻功率放大器的一個主要性能指標，也是決定音頻功率放大器額定輸出功率的一個條件。揚聲器也叫喇叭，是一種把電信號聲信號轉變為聲信號的換能器件，揚聲器的性能優劣對音質的高低影響很大。在音頻系統中，音源一定的條件下，音頻系統的輸出功率主要由功率放大器的輸出功率和揚聲器決定。在音頻系統中，傳遞給指定電阻性負載的最大音頻功率受到音頻功率放大器輸出的最大電壓擺幅或音頻功率放大器可以傳遞的最大電流擺幅的限制。對於大多數音頻功率放大器而言，這種電壓擺幅在很大程度上取決於它的供電電壓，因此，對於指定負載來說，最大電流和輸出功率將由此電壓擺幅決定。通常情況下，在設計音頻放大器時，需考慮特定的設計目標和供電電壓，但是，如果音頻系統設計人員需要更大的功率，但受到較低供電電壓的制約，則需要採取非常規的設計方法。目前常用的方法為1)減小揚聲器的內阻；2)提高音頻功率放大器的工作電壓。這兩種方法雖然能夠解決輸出大功率的問題但都存在明顯不足I)減小喇叭內阻的話，會在成流過喇叭的電流增大，受到喇叭過電流能力的限制，並且增大功率的效果有限。該方法的效率較低，因為電流增大了，在喇叭上損失的功率也相應增加。2)提高音頻功率放大器的工作電壓的話，如在低電壓供電時，需要通過電源變換來實現。而電源轉換的效率都不是100%，以轉換效率較高的Boost結構來說，其轉換效率僅為80% 95%。況且音頻功率放大器的工作電壓受到生產工藝的限制，無法無限上升，以目前標準的0. 35um的工藝來說，其工藝保證的埠的最大耐壓僅為5. 5V。因此現有的兩種提高音頻系統輸出功率的方案都是採用損失效率的方式實現的，並且都有一定的制約性。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，以解決較低的供電電壓狀況下無法實現高效率大功率音頻輸出的技術問題。為了達到上述目的，本發明的技術方案如下一種高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，包括多線圈喇叭；以及單輸入N輸出音頻功率放大器，對接收到的數字音頻信號進行放大並輸出N路開關信號驅動所述多線圈喇叭；其中N表示輸出的通道數，N為大於等於2的正整數。本發明給出的音頻驅動架構的最大輸出功率完全由音頻功率放大器的輸出通道總數決定，其瞬時功率由喇叭內參與工作的線圈數決定。採用上述方法，可滿足低電壓輸入的情況下大功率輸出的需求；本方案採用線圈組合的方式提高輸出功率，配合獨特的功率動態分配技術，實現了多組線圈的功率均衡，大大提升了音頻驅動的輸出效率。該方案結構 清晰，易於實現。


圖I是本發明的音頻系統設計結構圖；圖2是本發明的單輸入多輸出音頻系統結構圖；圖3是本發明的多bit Delta-Sigma調製單元示意圖；圖4是本發明的智能電源管理單元示意圖；圖5是本發明的多線圈喇叭結構示意圖。
具體實施例方式下面根據圖I至圖5，給出本發明一個較好實施例，並予以詳細描述，使能更好地理解本發明的功能、特點。本發明給出了一種高效率的低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其系統結構如圖I所示，該系統由一種單輸入N輸出(其中N表示輸出的通道數，N為大於等於2的正整數)音頻功率放大器10和多線圈喇叭20組成。單輸入N輸出音頻放大器10,實現音頻信號的放大並輸出N路開關信號驅動多線圈喇叭。其核心部分由過採樣調製單元101，輸出功率動態分配單元102和驅動單元103組成，其系統結構如圖2所示。驅動單元103包含N組D類音頻功率放大器，可用於驅動N組線圈，每組開關管的開啟控制信號與輸出功率分配單元的輸出信號相連；輸出功率動態分配單元102採用動態功率檢測和交叉映射的方式在N個輸出通道中動態均衡的分配功率，用於提高驅動單元的工作效率；過採樣調製單元101由一個K倍的過採樣濾波器和一個多bit的增量總和(Delta Sigma)調製單元組成,將輸入的音頻信號調製成一個N bit的控制信號，用於控制N路線圈，該控制信號可以是PWM信號也可以是PDM信號。圖3給出多bit的Delta-Sigma調製單元系統結構圖，多bit的Delta-Sigma調製單元包括一個16比特比較器H和一個抽樣電路Q，16比特比較器H的兩個輸入端分別接收一個16比特信號和一個來自抽樣電路Q的輸出信號，16比特比較器H經比較後的輸出信號連接抽樣電路Q的輸入端。圖4給出智能功率均衡單元系統結構圖。智能功率均衡單元由一個採樣電路S和一個編碼電路I組成。該單元對前級調製輸出的信號進行再編碼，動態的將功率平均分配到每路驅動級中，保證各驅動級的平均功率輸出一致。多線圈喇叭20為一種內部集成了多組同軸排布的線圈的喇叭，且每組線圈均可以獨立驅動喇叭發聲。圖5給出了多線圈喇叭的系統結構圖。當處於磁場中的線圈有電流通過時，就產生隨電流變化的磁場，這一磁場和永久磁鐵的磁場發生相互作用，使音圈沿著軸向振動發生。本發明給出的音頻系統的最大輸出功率完全由音頻功率放大器的輸出通道總數決定，其瞬時功率由喇叭內參與工作的線圈數決定。例如，系統採用單輸入N輸出的音頻功率放大器和包含N組線圈的喇叭組成，喇叭內單組線圈的最大輸出功率為W瓦，則該系統的最大輸出功率為NXW瓦。採用上述方法，通過合理配置喇叭中線圈的個數，可在低壓情況下任意功率，並且該方案採用了動態功率控制技術，可保證喇叭中的每個線圈都工作在最佳狀態以提高效 率。該方案簡單易行，便於推廣。使用本發明後，彌補了現有技術的不足I、沒有對電源進行升壓操作，避免了由於升壓帶來的功率損耗，在同等輸出功率的情況下，提高效率至少5%以上。2、整個系統工作在低壓的環境中，傳統晶片加工工藝就可以滿足系統中音頻功率驅動器的要求，大大降低了系統的成本。3、實驗驗證表明，本發明可以很好的滿足低壓工作時輸出大功率音頻信號的需求。以驅動3線圈喇叭，每個線圈8歐姆，的系統為例，在5V輸入，THD+N < I %工作情況下，其輸出的輸出功率可達到4. 03瓦。以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的範圍。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護範圍。
權利要求
1.一種高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其特徵在於，包括 多線圈喇叭；以及 單輸入N輸出音頻功率放大器，對接收到的數字音頻信號進行放大並輸出N路開關信號驅動所述多線圈喇叭；其中N表示輸出的通道數，N為大於等於2的正整數。
2.如權利要求I所述的高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其特徵在於，所述單輸入N輸出音頻功率放大器包括 過採樣調製單元，由過採樣濾波器和M比特的增量總和調製單元組成，將輸入的數字音頻信號調製成一個N比特的控制信號，用於控制N路線圈；其中M為大於等於I且小於等於216的正整數。
接收所述過採樣調製單元的輸出信號的輸出功率動態分配單元，採用動態功率檢測和交叉映射的方式在N個輸出的通道中動態均衡地分配功率；以及 接收所述輸出功率動態分配單元的輸出信號的驅動單元，包含N組D類音頻功率放大器。
3.如權利要求2所述的高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其特徵在於，所述音頻功率放大器的驅動信號被反饋給一智能功率均衡模塊，該智能功率均衡模塊根據當前的驅動級工作狀態，實時的進行功率分配。
4.如權利要求3所述的高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其特徵在於，所述M比特的增量總和調製單元包括一個16比特比較器和一個抽樣電路，16比特比較器的兩個輸入端分別接收一個16比特信號和一個來自抽樣電路的輸出信號，16比特比較器的經 較後的輸出信號連接抽樣電路的輸入端。
5.如權利要求2或3或4所述的高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其特徵在於，所述N比特的控制信號是PWM信號或者PDM信號。
6.如權利要求I或2或3或4所述的高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其特徵在於，所述多線圈喇叭為一種內部集成了多組同軸排布的線圈且每組線圈均獨立驅動喇叭發聲的喇叭。
7.如權利要求I或2或3或4所述的高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，其特徵在於，所述高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構還包括模數轉換單元，將接收到的模擬音頻信號轉換為數字音頻信號後輸送到所述單輸入N輸出音頻功率放大器內。
全文摘要
本發明公開了一種高效率低壓供電輸出大功率的音頻驅動架構，包括多線圈喇叭；以及單輸入N輸出音頻功率放大器，對接收到的數字音頻信號進行放大並輸出N路開關信號驅動所述多線圈喇叭；其中N表示輸出的通道數，N為大於等於2的正整數。本發明給出的音頻驅動架構的最大輸出功率完全由音頻功率放大器的輸出通道總數決定，其瞬時功率由喇叭內參與工作的線圈數決定。採用上述方法，可滿足低電壓輸入的情況下大功率輸出的需求；本方案採用線圈組合的方式提高輸出功率，配合獨特的功率動態分配技術，實現了多組線圈的功率均衡，大大提升了音頻驅動的輸出效率。該方案結構清晰，易於實現。
文檔編號H03F3/20GK102739168SQ20111008798
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者白建雄, 陳軍霞, 陳思軍, 陳詩皓 申請人:啟攀微電子(上海)有限公司