CN101278477A - 数字音频放大器及其数字音频放大方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种数字音频信号放大器及其数字音频信号放大方法。更具体地，提供了一种通过将开关模式电源和数字音频放大器集成为一体而实现安全性和功率效率两者的数字音频信号放大器，以及一种适于该放大器的数字音频信号放大方法。该数字音频放大器包括：脉冲调制单元，其通过对输入音频信号进行脉冲调制而生成脉冲调制后的音频信号；开关单元，其基于脉冲调制后的音频信号切换DC电压；隔离变压器，其对开关单元的输出进行变压并且输出变压的结果；以及低通滤波器，其通过对隔离变压器的输出进行低通滤波而获得对应于输入音频信号的音频信号，并且输出所输出的音频信号。通过将开关模式电源和数字音频放大器集成为一体，该数字音频放大器满足隔离需求并同时增加功率效率。

Description

数字音频放大器及其数字音频放大方法
技术领域
本发明涉及数字音频放大器，并且更具体地涉及通过将开关模式电源和数字音频放大器集成为一体而实现安全性和功率效率的数字音频信号放大器，并且提供了一种适于该放大器的数字音频信号放大方法。
背景技术
通常，数字音频系统包括从商用交流(AC)电压生成直流(DC)电压的DC电压供应单元；以及使用音频信号对DC电压进行脉冲调制、对脉冲调制后的DC电压进行低通滤波、并且获得对应于输入音频信号的输出音频信号的数字音频放大器。
这里，为了用户的安全，DC电压供应(voltage supply)单元需要具有将商用AC电压与数字音频放大器隔离的功能。因此，具有隔离变压器的开关模式电源(SMPS)通常用作DC电压供应单元。同时，数字音频放大器通常是用于增加输出功率的D类数字音频放大器。
图1是传统数字音频系统的结构的框图。图1的音频系统100包括SMPS110和D类音频放大器130。
SMPS 110使用第一整流和平滑单元112将输入的商用AC电压转换为DC电压，在开关单元116中切换DC电压，其中该开关单元116以对应于在脉冲宽度调制(PWM)调制单元114中生成的PWM信号的速率工作并且该脉冲宽度调制信号具有几十到几百kHz或更高的频率，用具有适当绕组比(winding ratio)的隔离变压器对切换的DC电压进行变压，通过第二整流和平滑单元120整流隔离变压器118的输出，并且输出DC电压。而且，尽管未示出，反馈误差信号以调节脉冲调制后的信号的频率和占空比，使得可以输出恒定DC电压，而与输入电压或输出电流的改变无关。
隔离变压器118将初级侧、即商用AC电压源与次级侧、即数字音频放大器130隔离。而且，在次级侧检测的误差信号通过光电耦合器(未示出)而反馈到初级侧的PWM调制单元114以提供电隔离。
同时，D类数字音频放大器130通过在PWM调制单元132中生成的PWM音频信号，在D类输出端134处切换由SMPS 110提供的DC电压，通过低通滤波器136对切换的DC电压进行低通滤波，并且生成对应于原始音频信号的输出音频信号。同时，虽然未示出，但是为了稳定音频输出，从隔离变压器118的输出生成负反馈信号，以控制PWM调制单元114的脉冲调制。
图2说明了图示图1中所示的D类数字音频放大器130的操作的波形图。参照图2，PWM音频信号通过用20kHz或更低的输入音频信号调制180kHz或更高的三角波载波而得到。切换的DC电压通过用该PWM音频信号切换DC电压而得到。而且，输出音频信号通过对切换的DC电压进行低通滤波而得到。如图2所示，输入音频信号类似于输出音频信号。
发明内容
技术问题
然而，如图1所示的传统的数字音频系统具有功率效率(power efficiency)低且制造成本高的问题。
例如，假设SMPS 110的功率效率为P1，并且数字音频放大器130的功率效率为P2，传统的数字音频系统100的功率效率Pt为P1×P2。这里，由于P1和P2的每个具有小于1的值，所以Pt变得分别比P1和P2小。因此，可以看到，传统的数字音频系统100不可避免地具有低功率效率。
同时，在图1所示的SMPS 110和数字音频放大器130中，PWM调制单元114和132执行相同的PWM调制，整流和平滑单元112和120执行相同的整流，并且开关单元116和D类输出端134执行相同的切换操作。即，可以看到，执行相同操作的各单元冗余地配置，因此浪费了制造成本。
技术方案
本发明提供了一种能够通过消除SMPS和数字音频放大器中的冗余部分而增加功率效率并减少制造成本的数字音频放大器。
本发明还提供了一种能够增加功率效率并减少制造成本的数字音频信号放大方法。
有益效果
根据由申请人进行的实验，当使用SMPS和D类数字音频放大器时，功耗为130瓦。然而，根据本发明，功耗为111瓦，即，功耗减少了19瓦。结果，通过降低防止EMI的各种滤波器、整流AC电压的桥整流器、以及平滑电容器的电流率，可以以较低成本制造数字音频放大器。
根据本发明的数字音频放大器，通过将开关模式电源和数字音频放大器集成为一体，数字音频放大器满足隔离需求同时增加功率效率。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更明显，附图中：
图1是传统的数字音频系统的结构的框图；
图2说明了示出图1中所示的D类数字音频放大器的操作的波形图；
图3是根据本发明的实施例的数字音频放大器的结构的框图；
图4是根据本发明的实施例的数字音频放大器的电路图；
图5图示根据本发明的实施例的全桥型数字音频放大器的示例；
图6图示图5中所示的施密特触发器的操作；
图7是根据本发明的实施例的数字音频放大器的电路图；
图8是根据本发明的另一实施例的数字音频放大器的电路图；
图9是根据本发明的另一实施例的数字音频放大器的电路图。
具体实施方式
根据本发明的一方面，提供了一种数字音频放大器，包括：脉冲调制单元，其通过对输入音频信号进行脉冲调制而生成脉冲调制后的音频信号；开关单元，其基于脉冲调制后的音频信号切换直流(DC)电压；隔离变压器，其对开关单元的输出进行变压并输出变压的结果；以及低通滤波器，其通过对隔离变压器的输出进行低通滤波而获得对应于输入音频信号的音频信号，并且输出该音频信号。
开关单元和低通滤波器可以分别设置在隔离变压器的初级侧和次级侧，并且数字音频放大器还可以包括光电耦合器，其将脉冲调制后的音频信号进行光电耦合，并且将结果提供给开关单元。脉冲调制单元可以对输入音频信号进行脉冲宽度调制。
根据本发明的另一方面，提供了一种数字音频放大方法，包括：通过对输入音频信号进行脉冲调制而生成脉冲调制后的音频信号；基于脉冲调制后的音频信号切换DC电压，并且生成切换的DC电压；通过隔离变压器对切换的DC电压进行变压；并且对隔离变压器的输出进行低通滤波，并输出对应于输入音频信号的输出音频信号。
图3是示出根据本发明的实施例的数字音频放大器的结构的框图。图3中示出的数字音频放大器300包括：整流和平滑单元302、脉冲调制单元304、开关单元306、隔离变压器308、以及低通滤波器310。
整流和平滑单元302将商用AC电压转换为DC电压。脉冲调制单元304对输入音频信号进行脉冲调制，并且将获得的脉冲调制后的音频信号提供给开关单元306。开关单元306使用脉冲调制后的音频信号切换由整流和平滑单元302提供的DC电压，并且生成切换的DC电压。隔离变压器308对从开关单元306输出的切换的DC电压进行变压并将其输出。低通滤波器310对隔离变压器308的输出进行低通滤波，并且输出对应于输入音频信号的输出音频信号。输出音频信号被提供给扬声器。
这里，通过隔离变压器308将商用AC电压与低通滤波器310隔离。
参照图3，可以看到，与图1所示的传统数字音频系统100相比，解决了整流和平滑单元、脉冲调制单元和开关单元的冗余的问题。因此，改进了功率效率和制造成本。
图4是根据本发明的实施例的数字音频放大器300的电路图。根据图4所示的实施例，脉冲调制器304配置在隔离变压器308的次级侧，并且将作为脉冲调制器304的输出的PWM音频信号通过光电耦合器410提供给配置于隔离变压器308的初级侧的开关单元306。
参照图4，数字音频放大器300包括熔丝402、用于防止电磁干扰(EMI)的滤波器404、用于进行信号线之间或信号线和底盘(chassis)之间的噪声滤波的电容器406、负反馈信号生成器408、用于对脉冲调制单元304中生成的脉冲调制后的音频信号进行光电耦合的光电耦合器410、以及用于将光电耦合器410的输出放大到足以驱动开关单元306的开关晶体管306a和306b的电平的栅极驱动器412。
整流和平滑单元302包括桥整流器302a和平滑电容器302b。开关单元306包括彼此互补(complementary)操作的开关晶体管306a和306b。图4中示出的开关单元306执行对应于半桥型D类数字音频放大器的切换操作。然而，应当注意，本发明不限于此，并且可以被构造为执行对应于全桥型D类数字音频放大器的切换操作。
图5图示根据本发明的实施例的全桥型数字音频放大器的示例。
隔离变压器308由铁氧体磁心组成以便减少EMI并提高效率。
脉冲调制器304包括集成电路304a和施密特触发器304b。集成电路304a集成音频信号和负反馈信号，并且施密特触发器304b的输出由集成电路304a的输出振荡。PWM音频信号通过集成电路304a和施密特触发器304b获得。
图6图示图5中示出的施密特触发器的操作。施密特触发器304b具有两个阈值电压。例如，如果输入电压(Vin)变为大于第一阈值，则输出电压(Vout)转变到逻辑电平1。在输入电压处于第一阈值电压和第二阈值电压之间时，一旦输出电压(Vout)变为逻辑电平1，逻辑电平1就维持。如果输入电压(Vin)变为低于第二阈值电压，则输出电压(Vout)返回到逻辑电平0。
因此，可以看到，施密特触发器304a输出对应于集成电路304a的输出中的改变的脉冲宽度调制后的信号。
从脉冲调制单元304输出的PWM音频信号通过光电耦合器410提供给栅极驱动器412。栅极驱动器412将光电耦合器410的输出放大到足以驱动开关单元306的开关晶体管306a和306b的电平。
DC电压通过开关单元306的切换操作而被切换，即被脉冲宽度调制。开关单元306的输出通过隔离变压器308而被变压，通过低通滤波器310而被低通滤波，并且作为输出音频信号而被输出。
负反馈信号生成器408用于提供稳定的输出音频信号，而无论输入电压和输出电流中的改变如何。负反馈信号生成器408根据隔离变压器308的输出，生成对应于输出音频信号的幅度的负反馈信号。负反馈信号生成器408可以简单地通过例如电阻器而实现。
负反馈信号被提供给集成电路304a。集成电路304a集成音频信号和负反馈信号，即，放大音频信号和负反馈信号的合成信号。
当输出音频处于稳定状态、即负反馈信号具有恒定值的状态时，如果输出音频信号的电平由于输入电压和输出电流中的改变而超过正常电平，则负反馈信号减小，结果，PWM音频信号的占空比减小。因此，切换的DC电压的占空比减少，因此输出信号的电平下降。
相反，如果由于输入电压和输出电流中的改变，输出音频信号的电平下降到低于正常电平，则负反馈信号增大，结果，PWM音频信号的占空比增大。因此，切换的DC电压的占空比增大，因此输出信号的电平升高。
图7是根据本发明的实施例的数字音频放大器的电路图。在图7的实施例中，如同图4的实施例，脉冲调制器304设置在隔离变压器308的次级侧，并且从脉冲调制器304输出的PWM音频信号通过光电耦合器410提供给设置在隔离变压器308的初级侧的开关单元306。然而，图7的实施例与图4的实施例的不同在于，采用了比较器304c而不是施密特触发器304b。
比较器304c将集成电路304a的输出与三角波载波比较，并输出PWM音频信号。比较器304c和数字音频放大器300的操作可以参照图2所示的波形而清楚地理解。
图8是根据本发明的另一实施例的数字音频放大器300的电路图。与图4的实施例不同，在图8的实施例中，脉冲调制器304设置在隔离变压器308的初级侧，并且将输入音频信号和负反馈信号分别通过光电耦合器802和804提供给脉冲调制器304。通过这样做，实现了音频信号和负反馈信号的隔离。
图9是根据本发明的另一实施例的数字音频放大器300的电路图。在图9的实施例中，如同图8的实施例，脉冲调制器304设置在隔离变压器308的初级侧，并且将输入音频信号和负反馈信号分别通过光电耦合器802和804提供给脉冲调制器304。
然而，图9的实施例和图8的实施例的不同在于，采用了比较器304c而不是施密特触发器304b。
如果采用根据本发明的数字音频放大器，则通常在SMPS和D类数字音频放大器两者中使用的PWM调制单元和开关单元可以被简化，使得可以减少各部分和各组件的数量、制造成本和安装空间。
此外，由于电路变得简化，所以增加了可靠性。
而且，如果使用了根据本发明的数字音频放大器，则可以省略SMPS，其改进了功率效率，减少了热辐射所需的空间。
工业实用性
本发明涉及一种数字音频信号放大器，其中通过将开关模式电源和数字音频放大器集成为一体而实现了安全性和功率效率两者，并且提供了一种适于该放大器的数字音频信号放大方法。

Claims (17)

1.一种数字音频放大器，包括：
脉冲调制单元，其通过对输入音频信号进行脉冲调制而生成脉冲调制后的音频信号；
开关单元，其基于该脉冲调制后的音频信号切换直流(DC)电压；
隔离变压器，其对该开关单元的输出进行变压并输出变压的结果；以及
低通滤波器，其通过对隔离变压器的输出进行低通滤波而获得对应于该输入音频信号的音频信号，并且输出该音频信号。
2.如权利要求1所述的放大器，其中该开关单元和该低通滤波器分别设置在该隔离变压器的初级侧和次级侧，并且
该数字音频放大器还包括光电耦合器，其对脉冲调制后的音频信号进行光电耦合，并且将结果提供给该开关单元。
3.如权利要求2所述的放大器，其中该脉冲调制单元对该输入音频信号进行脉冲宽度调制。
4.如权利要求3所述的放大器，其中该脉冲调制单元包括：
集成该输入音频信号的集成电路；以及
施密特触发器，其输出相对于该集成电路的输出而振荡，其中该脉冲调制单元通过该集成电路和该施密特触发器而对该输入音频信号进行脉冲宽度调制。
5.如权利要求4所述的放大器，还包括负反馈信号生成器，其从该隔离变压器的输出生成负反馈信号，其中该集成电路集成该输入音频信号和该负反馈信号。
6.如权利要求3所述的放大器，其中该脉冲调制单元包括：
集成电路，其集成该输入音频信号；以及
比较器，其比较该集成电路的输出和三角波载波，其中该输入音频信号通过该集成电路和该比较器而被脉冲宽度调制。
7.如权利要求6所述的放大器，还包括负反馈信号生成器，其从该隔离变压器的输出生成负反馈信号，
其中该集成电路生成该输入音频信号和该负反馈信号。
8.如权利要求1所述的放大器，其中该开关单元和该低通滤波器设置在该隔离变压器的初级侧，并且数字音频放大器还包括第二光电耦合器，其对该输入音频信号进行光电耦合，并且将结果提供给该脉冲调制单元。
9.如权利要求8所述的放大器，其中该脉冲调制单元对该第二光电耦合器的输出进行脉冲宽度调制。
10.如权利要求9所述的放大器，其中该脉冲调制单元包括：
集成电路，其集成该第二光电耦合器的输出；以及
施密特触发器，其输出相对于该集成电路的输出而振荡，其中对应于该输入音频信号的脉冲宽度调制后的音频信号通过该集成电路和该施密特触发器而获得。
11.如权利要求10所述的放大器，还包括：
负反馈信号生成器，其从该隔离变压器的输出生成负反馈信号；以及
第三光电耦合器，其对该负反馈信号进行光电耦合，并且将结果提供给该集成电路，
其中该集成电路集成该第二光电耦合器和该第三光电耦合器的输出。
12.如权利要求9所述的放大器，其中该脉冲调制单元包括：
集成电路，其集成该第二光电耦合器；以及
比较器，其比较该集成电路的输出与三角波载波，其中对应于该输入音频信号的脉冲宽度调制后的音频信号通过该集成电路和该比较器而获得。
13.如权利要求12所述的放大器，还包括：
负反馈信号生成器，其从该隔离变压器的输出生成负反馈信号；以及
第三光电耦合器，其对该负反馈信号进行光电耦合，
其中该集成电路集成该第二光电耦合器和该第三光电耦合器的输出。
14.如权利要求1所述的放大器，其中该隔离变压器包括铁氧体磁心。
15.如权利要求1所述的放大器，还包括整流和平滑单元，其对交流(AC)电压进行整流和平滑并提供直流(DC)电压。
16.如权利要求1所述的放大器，还包括栅极驱动器，其将调制后的音频信号的电平放大到足以驱动该开关单元的电平。
17.一种数字音频放大方法，包括：
通过对输入音频信号进行脉冲调制而生成脉冲调制后的音频信号；
基于脉冲调制后的音频信号切换DC电压，并且生成切换的DC电压；
通过隔离变压器对切换的DC电压进行变压；以及
对该隔离变压器的输出进行低通滤波，并输出对应于该输入音频信号的输出音频信号。
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