CN102739168A - 高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，包括：多线圈喇叭；以及单输入N输出音频功率放大器，对接收到的数字音频信号进行放大并输出N路开关信号驱动所述多线圈喇叭；其中N表示输出的通道数，N为大于等于2的正整数。本发明给出的音频驱动架构的最大输出功率完全由音频功率放大器的输出通道总数决定，其瞬时功率由喇叭内参与工作的线圈数决定。采用上述方法，可满足低电压输入的情况下大功率输出的需求；本方案采用线圈组合的方式提高输出功率，配合独特的功率动态分配技术，实现了多组线圈的功率均衡，大大提升了音频驱动的输出效率。该方案结构清晰，易于实现。

Description

高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构
技术领域
本发明涉及音频系统设计领域，具体地说，是一种高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构。
背景技术
一般音频系统由音源、音频功率放大器及扬声器组成，音频系统的输出功率决定了该系统的响度，即声音的大小。其中的音源就是声音的来源，按照存储方式不同可分为数字音源和模拟音源。用于记录和处理模拟信号的音源就是模拟音源，例如以电流和电压形式传播的音频信号；数字音源记录、处理的都是0和1排列组合形成的抽象二进制数据流，这些数据经过数模转换(DAC，Digital to Analog Converter)之后，就可还原为模拟音频信号。音频功率放大器就是对微弱音频信号进行功率放大以得到大信号的组件。THD+N是TotalHarmonic Distortion+Noise，就是“总谐波失真加噪声”，它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是决定音频功率放大器额定输出功率的一个条件。扬声器也叫喇叭，是一种把电信号声信号转变为声信号的换能器件，扬声器的性能优劣对音质的高低影响很大。
在音频系统中，音源一定的条件下，音频系统的输出功率主要由功率放大器的输出功率和扬声器决定。
在音频系统中，传递给指定电阻性负载的最大音频功率受到音频功率放大器输出的最大电压摆幅或音频功率放大器可以传递的最大电流摆幅的限制。对于大多数音频功率放大器而言，这种电压摆幅在很大程度上取决于它的供电电压，因此，对于指定负载来说，最大电流和输出功率将由此电压摆幅决定。
通常情况下，在设计音频放大器时，需考虑特定的设计目标和供电电压，但是，如果音频系统设计人员需要更大的功率，但受到较低供电电压的制约，则需要采取非常规的设计方法。目前常用的方法为：1)减小扬声器的内阻；2)提高音频功率放大器的工作电压。这两种方法虽然能够解决输出大功率的问题但都存在明显不足：
1)减小喇叭内阻的话，会在成流过喇叭的电流增大，受到喇叭过电流能力的限制，并且增大功率的效果有限。该方法的效率较低，因为电流增大了，在喇叭上损失的功率也相应增加。
2)提高音频功率放大器的工作电压的话，如在低电压供电时，需要通过电源变换来实现。而电源转换的效率都不是100％，以转换效率较高的Boost结构来说，其转换效率仅为80％～95％。
况且音频功率放大器的工作电压受到生产工艺的限制，无法无限上升，以目前标准的0.35um的工艺来说，其工艺保证的端口的最大耐压仅为5.5V。
因此现有的两种提高音频系统输出功率的方案都是采用损失效率的方式实现的，并且都有一定的制约性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，以解决较低的供电电压状况下无法实现高效率大功率音频输出的技术问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，包括：多线圈喇叭；以及单输入N输出音频功率放大器，对接收到的数字音频信号进行放大并输出N路开关信号驱动所述多线圈喇叭；其中N表示输出的通道数，N为大于等于2的正整数。
本发明给出的音频驱动架构的最大输出功率完全由音频功率放大器的输出通道总数决定，其瞬时功率由喇叭内参与工作的线圈数决定。采用上述方法，可满足低电压输入的情况下大功率输出的需求；本方案采用线圈组合的方式提高输出功率，配合独特的功率动态分配技术，实现了多组线圈的功率均衡，大大提升了音频驱动的输出效率。该方案结构清晰，易于实现。
附图说明
图1是本发明的音频系统设计结构图；
图2是本发明的单输入多输出音频系统结构图；
图3是本发明的多bit Delta-Sigma调制单元示意图；
图4是本发明的智能电源管理单元示意图；
图5是本发明的多线圈喇叭结构示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图5，给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
本发明给出了一种高效率的低压供电输出大功率的音频驱动架构，其系统结构如图1所示，该系统由一种单输入N输出(其中N表示输出的通道数，N为大于等于2的正整数)音频功率放大器10和多线圈喇叭20组成。
单输入N输出音频放大器10，实现音频信号的放大并输出N路开关信号驱动多线圈喇叭。其核心部分由过采样调制单元101，输出功率动态分配单元102和驱动单元103组成，其系统结构如图2所示。驱动单元103包含N组D类音频功率放大器，可用于驱动N组线圈，每组开关管的开启控制信号与输出功率分配单元的输出信号相连；输出功率动态分配单元102采用动态功率检测和交叉映射的方式在N个输出通道中动态均衡的分配功率，用于提高驱动单元的工作效率；过采样调制单元101由一个K倍的过采样滤波器和一个多bit的增量总和(Delta Sigma)调制单元组成，将输入的音频信号调制成一个N bit的控制信号，用于控制N路线圈，该控制信号可以是PWM信号也可以是PDM信号。
图3给出多bit的Delta-Sigma调制单元系统结构图，多bit的Delta-Sigma调制单元包括一个16比特比较器H和一个抽样电路Q，16比特比较器H的两个输入端分别接收一个16比特信号和一个来自抽样电路Q的输出信号，16比特比较器H经比较后的输出信号连接抽样电路Q的输入端。
图4给出智能功率均衡单元系统结构图。智能功率均衡单元由一个采样电路S和一个编码电路I组成。该单元对前级调制输出的信号进行再编码，动态的将功率平均分配到每路驱动级中，保证各驱动级的平均功率输出一致。
多线圈喇叭20为一种内部集成了多组同轴排布的线圈的喇叭，且每组线圈均可以独立驱动喇叭发声。图5给出了多线圈喇叭的系统结构图。当处于磁场中的线圈有电流通过时，就产生随电流变化的磁场，这一磁场和永久磁铁的磁场发生相互作用，使音圈沿着轴向振动发生。
本发明给出的音频系统的最大输出功率完全由音频功率放大器的输出通道总数决定，其瞬时功率由喇叭内参与工作的线圈数决定。例如，系统采用单输入N输出的音频功率放大器和包含N组线圈的喇叭组成，喇叭内单组线圈的最大输出功率为W瓦，则该系统的最大输出功率为N×W瓦。
采用上述方法，通过合理配置喇叭中线圈的个数，可在低压情况下任意功率，并且该方案采用了动态功率控制技术，可保证喇叭中的每个线圈都工作在最佳状态以提高效率。该方案简单易行，便于推广。
使用本发明后，弥补了现有技术的不足：
1、没有对电源进行升压操作，避免了由于升压带来的功率损耗，在同等输出功率的情况下，提高效率至少5％以上。
2、整个系统工作在低压的环境中，传统芯片加工工艺就可以满足系统中音频功率驱动器的要求，大大降低了系统的成本。
3、实验验证表明，本发明可以很好的满足低压工作时输出大功率音频信号的需求。以驱动3线圈喇叭，每个线圈8欧姆，的系统为例，在5V输入，THD+N＜1％工作情况下，其输出的输出功率可达到4.03瓦。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (7)

1.一种高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，其特征在于，包括：
多线圈喇叭；以及
单输入N输出音频功率放大器，对接收到的数字音频信号进行放大并输出N路开关信号驱动所述多线圈喇叭；其中N表示输出的通道数，N为大于等于2的正整数。
2.如权利要求1所述的高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，其特征在于，所述单输入N输出音频功率放大器包括：
过采样调制单元，由过采样滤波器和M比特的增量总和调制单元组成，将输入的数字音频信号调制成一个N比特的控制信号，用于控制N路线圈；其中M为大于等于1且小于等于216的正整数。
接收所述过采样调制单元的输出信号的输出功率动态分配单元，采用动态功率检测和交叉映射的方式在N个输出的通道中动态均衡地分配功率；以及
接收所述输出功率动态分配单元的输出信号的驱动单元，包含N组D类音频功率放大器。
3.如权利要求2所述的高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，其特征在于，所述音频功率放大器的驱动信号被反馈给一智能功率均衡模块，该智能功率均衡模块根据当前的驱动级工作状态，实时的进行功率分配。
4.如权利要求3所述的高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，其特征在于，所述M比特的增量总和调制单元包括一个16比特比较器和一个抽样电路，16比特比较器的两个输入端分别接收一个16比特信号和一个来自抽样电路的输出信号，16比特比较器的经比较后的输出信号连接抽样电路的输入端。
5.如权利要求2或3或4所述的高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，其特征在于，所述N比特的控制信号是PWM信号或者PDM信号。
6.如权利要求1或2或3或4所述的高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，其特征在于，所述多线圈喇叭为一种内部集成了多组同轴排布的线圈且每组线圈均独立驱动喇叭发声的喇叭。
7.如权利要求1或2或3或4所述的高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构，其特征在于，所述高效率低压供电输出大功率的音频驱动架构还包括模数转换单元，将接收到的模拟音频信号转换为数字音频信号后输送到所述单输入N输出音频功率放大器内。
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