CN103905006A - 一种具有占空比限制功能的d类功放芯片及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有占空比限制功能的D类功放芯片及其装置，D类功放芯片包括三角波模块、PWM调制模块、占空比检测模块和逻辑控制模块，PWM调制模块、占空比检测模块和逻辑控制模块依次连接，所述逻辑控制模块连接PWM调制模块；由PWM调制模块将输入的差分音频信号和三角波模块产生的三角波信号转换成低压脉冲的PWM信号，对PWM信号进行驱动处理生成高压脉冲；本发明通过占空比检测模块实时检测PWM信号的占空比，当逻辑控制模块判断PWM信号的占空比大于预设最大占空比时，控制PWM调制模块停止工作，相当于关闭该D类功放装置的音频输出；其限制了输出的音频信号的幅度，避免其幅值过大烧坏扬声器。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种具有占空比限制功能的D类功放芯片及其装置。
背景技术
D类功放（即D类音频功率放大器）是一种开关型的功放，其优点是效率高，发热少，被广泛应用于智能电视、智能手机等消费电子领域。请参阅图1，常见的D类功放（虚线框内为D类功放芯片的内部结构）包括：放大器AMPa，比较器CMPa、比较器CMPb、驱动器a和驱动器b；其连接关系如图1所示。该D类功放的工作原理基于PWM模式，差分音频信号经过放大器AMPa放大后分两路分别输入比较器CMPa与比较器CMPb中，与输入的三角波信号进行比较后得到对应的两路PWM信号的，然后分别经过驱动器a、驱动器b将两路PWM信号的幅度放大，最后滤波还原为音频信号、驱动扬声器振动发出声音。
当输入的差分音频信号幅度过大，会使还原后的音频信号的幅度超过扬声器的额定值，或者使输入电容Ca或输入电容Cb短路，导致使还原后的音频信号为一直流分量，可能烧坏扬声器。为了避免此类异常情况发生，需要对D类功放的输出幅度进行限制。由于PWM信号的脉冲宽度（即占空比）与音频信号的幅度成正比例，因此，可通过PWM信号的占空比进行限制来限制音频信号的输出幅度。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有占空比限制功能的D类功放芯片及其装置，以解决现有D类功放不能限制音频信号的输出幅度，PWM信号的占空比过大时烧坏扬声器的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种具有占空比限制功能的D类功放芯片，其包括：
三角波模块，用于产生三角波信号；
PWM调制模块，用于将输入的差分音频信号和所述三角波模块产生的三角波信号转换成低压脉冲的PWM信号，对所述PWM信号进行驱动处理生成高压脉冲；
占空比检测模块，用于实时检测所述PWM调制模块产生的PWM信号的占空比；
逻辑控制模块，用于判断PWM信号的占空比大于预设最大占空比时，控制PWM调制模块停止工作。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，所述PWM调制模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一放大器、第一比较器、第二比较器、第一驱动电路和第二驱动电路；所述第一放大器的正向输入端通过第一电阻连接差分音频信号第一输入端、还通过第三电阻连接第一驱动电路的输出端，第一放大器的反向输入端通过第二电阻连接差分音频信号第二输入端、还通过第四电阻连接第二驱动电路的输出端，第一放大器的正输出端连接第一比较器的反相输入端，第一放大器的负输出端连接第二比较器的反相输入端，所述第一比较器与第二比较器的正相输入端均连接三角波模块的输出端，第一比较器的输出端连接第一驱动电路的输入端和占空比检测模块，第二比较器的输出端连接第二驱动电路的输入端和占空比检测模块，第一驱动电路的输出端和第二驱动电路的输出端均为D类功放芯片的输出端，第一驱动电路的控制端和第二驱动电路的控制端均连接逻辑控制模块。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，所述占空比检测模块包括：
镜像电流单元，用于将输入的偏置电流按预设比例镜像转换为充电电流和放电电流给充放电控制单元；
充放电控制单元，用于根据所述PWM调制模块产生的PWM信号输出对应的充、放电指令，将所述镜像电流单元输出的充电电流和放电电流转换成对应压值的电容电压给逻辑控制模块。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，所述镜像电流单元包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管和第十四MOS管；
所述第一MOS管的栅极连接第一MOS管的漏极、第三MOS管的栅极、第五MOS管的栅极和第七MOS管的栅极，第一MOS管的源极连接第二MOS管的漏极、第二MOS管的栅极、第四MOS管的栅极、第六MOS管的栅极和第八MOS管的栅极，所述第三MOS管的源极连接第四MOS管的漏极，第五MOS管的源极连接第六MOS管的漏极，第七MOS管的源极连接第八MOS管的漏极，所述第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管的源极均接地；
所述第三MOS管的漏极连接第十MOS管的漏极、第十MOS管的栅极、第十二MOS管的栅极和第十四MOS管的栅极，所述第十MOS管的源极连接第九MOS管的漏极、第九MOS管的栅极、第十一MOS管的栅极和第十三MOS管的栅极，第十二MOS管的源极连接第十一MOS管的漏极，第十四MOS管的源极连接第十三MOS管的漏极，所述第九MOS管、第十一MOS管和第十三MOS管的源极均连接基准电源端；所述第十二MOS管的漏极连接充放电控制单元的第一输入端，所述第十四MOS管的漏极连接充放电控制单元的第二输入端，所述第五MOS管的漏极连接充放电控制单元的第一输出端，所述第七MOS管的漏极连接充放电控制单元的第二输出端。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管均为NMOS管；所述第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管和第十四MOS管均为PMOS管。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，充放电控制单元包括第一反相器、第二反相器、第一电容、第二电容、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管和第十八MOS管；所述第一反相器的输入端连接PWM调制模块，第一反相器的输出端连接第十五MOS管的栅极和第十六MOS管的栅极，第十五MOS管的源极连接第十二MOS管的漏极，第十六MOS管的源极连接第五MOS管的漏极，所述第一电容的一端连接第十五MOS管的漏极和第十六MOS管的漏极，第一电容的另一端接地；
所述第二反相器的输入端连接PWM调制模块，第二反相器的输出端连接第十七MOS管的栅极和第十八MOS管的栅极，第十七MOS管的源极连接第十四MOS管的漏极，第十八MOS管的源极连接第七MOS管的漏极，所述第二电容的一端连接第十七MOS管的漏极和第十八MOS管的漏极，第二电容的另一端接地。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，所述逻辑控制模块包括：第一抗扰电路、第二抗扰电路、第三反相器、第四反相器、或门、第十九MOS管、第二十MOS管、第二十一MOS管和第二十二MOS管；所述第十九MOS管的栅极连接第二十MOS管的栅极和充放电控制单元，第十九MOS管的漏极连接第二十MOS管的漏极和第三反相器的输入端，第二十MOS管的源极连接第一抗扰电路的输入端，所述第三反相器的输出端连接第一抗扰电路的控制端和或门OR的第一输入端；
所述第二十一MOS管的栅极连接第二十二MOS管的栅极和充放电控制单元，第二十一MOS管的漏极连接第二十二MOS管的漏极和第四反相器的输入端，第二十二MOS管的源极连接第二抗扰电路的输入端，所述第四反相器的输出端连接第二抗扰电路的控制端和或门的第二输入端；
所述第十九MOS管、第二十一MOS管的源极均连接基准电源端，所述或门的输出端连接PWM调制模块。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，所述第一抗扰电路包括第二十三MOS管和第二十四MOS管，所述第二十三MOS管的漏极连接第二十三MOS管的栅极、第二十MOS管的源极和第二十四MOS管的漏极，所述第二十四MOS管的栅极连接第三反相器的输出端，所述第二十三MOS管、第二十四MOS管的源极均接地。
所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其中，所述第二抗扰电路包括第二十五MOS管和第二十六MOS管，所述第二十五MOS管的漏极连接第二十五MOS管的栅极、第二十二MOS管的源极和第二十六MOS管的漏极，所述第二十六MOS管的栅极连接第四反相器的输出端，所述第二十五MOS管、第二十六MOS管的源极均接地。
一种具有占空比限制功能的D类功放装置，其包括滤波器、扬声器和所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，所述D类功放芯片通过滤波器连接扬声器，D类功放芯片输出的高压脉冲通过滤波器滤波还原为音频信号输出给扬声器，驱动扬声器振动发出声音。
相较于现有技术，本发明提供的具有占空比限制功能的D类功放芯片及其装置，通过PWM调制模块将输入的差分音频信号和三角波模块产生三角波信号转换成低压脉冲的PWM信号，对所述PWM信号进行驱动处理生成高压脉冲；本实施例通过占空比检测模块实时检测所述PWM信号的占空比，当逻辑控制模块判断PWM信号的占空比大于预设最大占空比时，控制PWM调制模块停止工作，关闭该D类功放芯片的高压脉冲输出，相当于关闭了D类功放装置的音频输出；其限制了输出的音频信号的幅度，避免其幅值过大烧坏扬声器，达到了音频信号限制和保护扬声器的作用。
附图说明
图1为现有D类功放芯片的应用电路图；
图2为本发明实施例提供的具有占空比限制功能的D类功放装置的示意图；
图3为本发明实施例提供的具有占空比限制功能的D类功放芯片中占空比检测模块的电路图；
图4为本发明实施例提供的具有占空比限制功能的D类功放芯片中逻辑控制模块示意图；
图5为本发明实施例提供的具有占空比限制功能的D类功放芯片的波形图。
具体实施方式
本发明提供一种具有占空比限制功能的D类功放芯片及其装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决D类功放PWM信号的占空比过大烧坏扬声器的问题，本发明提供的具有占空比限制功能的D类功放芯片通过限制PWM信号的最大占空比，在PWM信号的占空比大于预设最大占空比时关闭D类功放芯片的高压脉冲输出，相当于关闭了D类功放装置的音频输出，避免音频信号输出的幅值过大烧坏扬声器；在PWM信号的占空比小于预设最大占空比时打开或保持D类功放芯片的高压脉冲输出，确保了D类功放的正常工作。
请参阅图2，本发明提供的具有占空比限制功能的D类功放装置包括滤波器、扬声器和具有占空比限制功能的D类功放芯片10，所述D类功放芯片10通过滤波器连接扬声器。D类功放芯片10包括PWM调制模块100、占空比检测模块200、逻辑控制模块300和三角波模块400。所述PWM调制模块100、占空比检测模块200和逻辑控制模块300依次连接，所述三角波模块400连接PWM调制模块100，所述逻辑控制模块300连接PWM调制模块100。PWM调制模块100将输入的差分音频信号和所述三角波模块400产生的三角波信号转换成低压脉冲的PWM信号，对所述PWM信号进行驱动处理生成高压脉冲、再通过滤波器滤波还原为音频信号输出给扬声器，驱动扬声器振动发出声音。在PWM调制模块100工作时，占空比检测模块200实时检测所述PWM信号的占空比。逻辑控制模块300判断PWM信号的占空比大于预设最大占空比时、控制PWM调制模块100停止工作，关闭该D类功放芯片的高压脉冲输出，相当于关闭所述D类功放装置的音频输出，避免了音频信号输出的幅值过大烧坏扬声器；在PWM信号的占空比小于预设最大占空比时、逻辑控制模块300不启动，PWM调制模块100正常工作，确保音频信号的正常输出。其中，所述三角波模块400为现有技术，此处对此不作详述。
应当理解的是，所述差分音频信号分两路输入PWM调制模块100中。则所述PWM调制模块100包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一放大器AMP、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第一驱动电路和第二驱动电路。所述第一放大器AMP的正向输入端通过第一电阻R1连接差分音频信号第一输入端A（用于输入差分音频信号）、还通过第三电阻R3连接第一驱动电路的输出端，第一放大器AMP的反向输入端通过第二电阻R2连接差分音频信号第二输入端B、还通过第四电阻R4连接第二驱动电路的输出端，第一放大器AMP的正输出端连接第一比较器CMP1的反相输入端，第一放大器AMP的负输出端连接第二比较器CMP2的反相输入端，所述第一比较器CMP1与第二比较器CMP2的正相输入端均连接三角波模块的输出端（用于接收三角波信号），第一比较器CMP1的输出端连接第一驱动电路的输入端和占空比检测模块200，第二比较器CMP2的输出端连接第二驱动电路的输入端和占空比检测模块200，第一驱动电路的输出端（即所述D类功放芯片10的第一输出端C）和第二驱动电路的输出端（即所述D类功放芯片10的第二输出端D）均为D类功放芯片10的输出端，均连接滤波器，第一驱动电路的控制端和第二驱动电路的控制端均连接逻辑控制模块300的输出端。
PWM调制模块100的第一放大器AMP将差分音频信号放大后输出波形相反的sp信号和sn信号。sp信号和sn信号分别与输入的固定频率的三角波信号通过第一比较器CMP1、第二比较器CMP2比较后输出两路占空比互补的PWM信号（低压脉冲）、即PWMP信号和PWMN信号（如，PWMP信号的占空比为60%，则PWMN信号的占空比为40%）。第一驱动电路、第二驱动电路分别对PWMP信号、PWMN信号进行驱动处理生成两路对应的高压脉冲，滤波器对高压脉冲进行滤波还原成两路对应的音频信号给扬声器。本实施例的占空比检测模块200即是对PWMP信号和PWMN信号的占空比进行检测。
具体实施时，占空比检测模块200采用预定的电流给电容充电和放电，以充电电流与放电电流的比例来反应PWM信号的占空比。则所述预设最大占空比以电流方式表现为：Idischarge/(Icharge+Idischarge)，其中Icharge为电容的充电电流，Idischarge为电容的放电电流。占空比检测模块200将PWM信号的高低电平转换成对电容的充电电流和放电电流，从而检测出其占空比。
请一并参阅图3，为了实现占空比与电流之间的转换，所述占空比检测模块200包括镜像电流单元和充放电控制单元201。所述充放电控制单元201连接镜像电流单元、逻辑控制模块、以及PWM调制模块的第一比较器CMP1的输出端和第二比较器CMP2的输出端。镜像电流单元采用镜像电流源技术，其将输入的偏置电流Ibias按预设比例镜像转换为充电电流和放电电流给充放电控制单元201，充放电控制单元201根据所述PWM调制模块产生的PWM信号输出对应的充、放电指令，将所述镜像电流单元输出的充电电流和放电电流转换成对应压值的电容电压给逻辑控制模块300。逻辑控制模块300根据所述充电电压和放电电压判断PWM信号的占空比与预设最大占空比之间的大小。
其中，所述镜像电流单元包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十四MOS管M14。所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8均为NMOS管；所述第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十四MOS管 M14均为PMOS管。
所述第一MOS管M1的栅极连接第一MOS管M1的漏极、第三MOS管M3的栅极、第五MOS管M5的栅极和第七MOS管M7的栅极，第一MOS管M1的源极连接第二MOS管M2的漏极、第二MOS管M2的栅极、第四MOS管M4的栅极、第六MOS管M6的栅极和第八MOS管M8的栅极，所述第三MOS管M3的源极连接第四MOS管M4的漏极，第五MOS管M5的源极连接第六MOS管M6的漏极，第七MOS管M7的源极连接第八MOS管M8的漏极，第二MOS管M2、第四MOS管M4、第六MOS管M6和第八MOS管M8的源极均接地；所述第三MOS管M3的漏极连接第十MOS管M10的漏极、第十MOS管M10的栅极、第十二MOS管M12的栅极和第十四MOS管M14的栅极，所述第十MOS管M10的源极连接第九MOS管M9的漏极、第九MOS管M9的栅极、第十一MOS管M11的栅极和第十三MOS管M13的栅极，第十二MOS管M12的源极连接第十一MOS管M11的漏极，第十四MOS管M14的源极连接第十三MOS管M13的漏极，所述第九MOS管M9、第十一MOS管M11和第十三MOS管M13的源极均连接基准电源端VREF；所述第十二MOS管M12的漏极连接充放电控制单元201的第一输入端1，所述第十四MOS管M14的漏极连接充放电控制单元201的第二输入端2，所述第五MOS管M5的漏极连接充放电控制单元201的第一输出端5，所述第七MOS管M7的漏极连接充放电控制单元201的第二输出端6。
偏置电流Ibias由偏置电路产生，偏置电路为现有结构，此处对此不作详述。本实施例采用该偏置电流Ibias作为充电电流和放电电流的电流来源。通过第一MOS管M1和第二MOS管M2将所述偏置电流Ibias按第一预设比例镜像给第三MOS管M3和第四MOS管M4，第五MOS管M5和六MOS管M6，第七MOS管M7和第八MOS管M8。第三MOS管M3和第四MOS管M4上的电流再通过第九MOS管M9和第十MOS管M10按第二预设比例镜像给第十一MOS管M11和第十二MOS管M12，第十三MOS管M13和第十四MOS管M14。所述第一预设比例和第二预设比例由对应MOS管的宽（W）、长（L）限定，可从已知的公式推算出，此为现有技术，此处对此不作详述。
同时，偏置电流Ibias（具有一定高压）使第一MOS管M1~第八MOS管M8导通，第一MOS管M1~第八MOS管M8组合成放电通路，等待充放电控制单元201的放电指令。第三MOS管M3和第四MOS管M4导通接地将第十MOS管M10的栅极拉低，从而使第九MOS管M9、第十一MOS管M11~第十四MOS管M14均导通，接通基准电源端VREF，第九MOS管M9~第十四MOS管M14组合成充电通路，等待充放电控制单元201的充电指令。
其中，所述充放电控制单元201包括第一反相器NOT1、第二反相器NOT2、第一电容C1、第二电容C2、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17和第十八MOS管M18；所述第十五MOS管M15和第十七MOS管M17均为PMOS管，第十六MOS管M16和第十八MOS管M18均为NMOS管，第一电容C1和第二电容C2的容值的单位级为pF。
所述第一反相器NOT1的输入端（即充放电控制单元201的第三输入端3）连接PWM调制模块100的第一比较器CMP1的输出端，第一反相器NOT1的输出端连接第十五MOS管M15的栅极和第十六MOS管M16的栅极，第十五MOS管M15的源极（即充放电控制单元201的第一输入端1）连接第十二MOS管M12的漏极，第十六MOS管M16的源极（即充放电控制单元201的第一输出端5）连接第五MOS管M5的漏极，所述第一电容C1的一端（即充放电控制单元201的第三输出端7）连接第十五MOS管M15的漏极和第十六MOS管M16的漏极，第一电容C1的另一端接地。
所述第二反相器NOT2的输入端（即充放电控制单元201的第四输入端4）连接PWM调制模块100的第二比较器CMP2的输出端，第二反相器NOT2的输出端连接第十七MOS管M17的栅极和第十八MOS管M18的栅极，第十七MOS管M17的源极（即充放电控制单元201的第二输入端2）连接第十四MOS管M14的漏极，第十八MOS管M18的源极（即充放电控制单元201的第二输出端6）连接第七MOS管M7的漏极，所述第二电容C2的一端（即充放电控制单元201的第四输出端8）连接第十七MOS管M17的漏极和第十八MOS管M18的漏极，第二电容C2的另一端接地。
本实施例中，由第一反相器NOT1、第一电容C1、第十五MOS管M15和第十六MOS管M16组成的电路将PWMP信号的占空比以充、放电流方式表现。具体工作原理为：当PWMP信号为高电平时，第一反相器NOT1输出低电平使第十五MOS管M15导通，第十六MOS管M16截止，第十一MOS管M11和第十二MOS管M12对偏置电流Ibias镜像后提供充电电流Icharge依次通过第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十五MOS管M15对第一电容C1充电，为进入充电状态，第一电容C1上的电容电压CP逐渐上升。当PWMP信号为低电平时，第一反相器NOT1输出高电平使第十六MOS管M16导通，第十五MOS管M15截止。第一电容C1输出的放电电流Idischarge（由第五MOS管M5和第六MOS管M6提供）依次通过第十六MOS管M16、第五MOS管M5、六MOS管M6流出到地，进入放电状态，第一电容C1上的电容电压CP逐渐下降。
对应地，本实施例中由第二反相器NOT2、第二电容C2、第十七MOS管M17和第十八MOS管M18组成的电路将PWMN信号的占空比以充、放电流方式表现；其工作原理与PWMP信号相同，具体实施时可参照上述PWMP信号的工作原理，此处对此不作赘述。
应当理解的是，电容电压CP充电时能否上升到最高电压（约等于基准电源VREF上的电压VVREF），取决于充电电流与放电电流的比例、以及PWMP信号的占空比的大小。如果充、放电电流大小相等，占空比只要大于50%，第一电容C1就会不断累积电压，直到最高电压；如果占空比低于50%，第一电容C1就会不断放电直到最低电压。
如果充、放电电流不相等，假设充电电流为Icharge，放电电流为Idischarge，检测的占空比临界点（即预设最大占空比）为Idischarge/(Icharge+Idischarge)。第一电容C1上的电容电压CP和第二电容C2上的电容电压CN输出给逻辑控制模块时，一般放电电流要大于充电电流，才能检测到50%以上的占空比；否则，如果放电电流小于充电电流，只能检测到50%以下的占空比，这样该D类功放芯片10一直不会有输出。这是因为PWMP信号和PWMN信号的占空比是互补的，两者之间总会有一个占空比大于50%，结果总是会触发逻辑控制模块300输出使能信号EN。通过调整充、放电电流的比例就可以调整检测的最大占空比。
第一电容C1上的电容电压CP和第二电容C2上的电容电压CN输入逻辑控制模块300中作进一步判断。请一并参阅图4、所述逻辑控制模块300包括：第一抗扰电路301、第二抗扰电路302、第三反相器NOT3、第四反相器NOT4、或门OR、第十九MOS管M19、第二十MOS管M20、第二十一MOS管M21和第二十二MOS M22管。所述第十九MOS管M19和第二十一MOS管M21均为PMOS管，第二十MOS管M20和第二十二MOS M22管均为NMOS管。
所述第十九MOS管M19的栅极连接第二十MOS管M20的栅极和充放电控制单元201中第一电容C1的一端，第十九MOS管M19的漏极连接第二十MOS管M20的漏极和第三反相器NOT3的输入端，第二十MOS管M20的源极连接第一抗扰电路301的输入端1，所述第三反相器NOT3的输出端连接第一抗扰电路301的控制端2和或门OR的第一输入端。
所述第二十一MOS管M21的栅极连接第二十二MOS管M22的栅极和充放电控制单元201中第二电容C2的一端，第二十一MOS管M21的漏极连接第二十二MOS管M22的漏极和第四反相器NOT4的输入端，第二十二MOS管M22的源极连接第二抗扰电路302的输入端3，所述第四反相器NOT4的输出端连接第二抗扰电路302的控制端4和或门OR的第二输入端。
所述第十九MOS管M19、第二十一MOS管M21的源极均连接基准电源端VREF，所述或门OR的输出端连接PWM调制模块中第一驱动电路的控制端、第二驱动电路的控制端、第一比较器CMP1的控制端、第二比较器CMP2的控制端和第一放大器AMP的控制端。
本实施例中，第二十MOS管M20和第二十二MOS管M22的翻转电压设置为VVREF/2。当第一电容C1上的电容电压CP或这第二电容C2上的电容电压CN为高电平且大于VVREF/2时，第二十MOS管M20或第二十二MOS管M22即可导通，最终输出高电平的使能信号EN，从而关闭第一驱动电路、第二驱动电路、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第一放大器AMP，停止较大幅度的音频信号输出，避免烧毁扬声器。
其中，所述第一抗扰电路301包括第二十三MOS管M23和第二十四MOS管M24；所述第二十三MOS管M23的漏极（即第一抗扰电路301的输入端1）连接第二十三MOS管M23的栅极、第二十MOS管M20的源极和第二十四MOS管M24的漏极，所述第二十四MOS管M24的栅极（即第一抗扰电路301的控制端2）连接第三反相器NOT3的输出端，所述第二十三MOS管M23、第二十四MOS管M24的源极均接地。
对应地，所述第二抗扰电路302包括第二十五MOS管M25和第二十六MOS管M26；所述第二十五MOS管M25的漏极（即第二抗扰电路302的输入端3）连接第二十五MOS管M25的栅极、第二十二MOS管M22的源极和第二十六MOS管M26的漏极，所述第二十六MOS管M26的栅极（即第二抗扰电路302的控制端4）连接第四反相器NOT4的输出端，所述第二十五MOS管M25、第二十六MOS管M26的源极均接地。
本实施例中，当第一电容C1上的电容电压CP为低电平时，第十九MOS管M19导通输出高电平，经过第三反相器NOT3反向后输出低电平给或门OR；此时或门OR的输出结果由第四反相器NOT4的输出决定。或门OR任一输入为高电平时，其输出高电平；只有两个输入均为低电平时，才输出低电平。
当第一电容C1上的电容电压CP为高电平且大于VVREF/2时，第二十MOS管M20导通。由于第二十三MOS管M23的栅极与其漏极连接，第二十三MOS管M23等效于一个二极管（压降为0.7V），二极管的正极连接第二十MOS管M20的源极，二极管的负极接地。因此，当第二十MOS管M20导通时，二极管（即第二十三MOS管M23）也导通，将第三反相器NOT3的输入端拉低，则第三反相器NOT3输出高电平至或门OR，或门OR输出高电平。同时，第三反相器NOT3输出高电平控制第二十四MOS管M24导通使第二十三MOS管M23短路，只要电容电压CP持续为高电平，就能确保第三反相器NOT3持续输出高电平，有效地解决了电容电压CP的波形抖动、或出现干扰毛刺导致输出不稳定的问题。
所述第二抗扰电路302的工作原理与第一抗扰电路301相同，此处不作赘述。
为了减少误判断，进一步地可在或门OR后面增加延时电路，即所述或门OR的输出端连接延时电路的输入端，延时电路的输出端连接PWM调制模块100中第一驱动电路的控制端、第二驱动电路的控制端、第一比较器CMP1的控制端、第二比较器CMP2的控制端和第一放大器AMP的控制端；使高电平的使能信号EN延时100毫秒后再输出。所述延时电路对为现有技术，可实现的方式较多，本实施例只要能使高电平的使能信号EN延时输出即可，此处对其具体电路结构不作限定。
请同时参阅图5，对上述D类功放芯片进行波形仿真后可以看出，假设PWMP信号的占空比为70%。PWMP信号的高电平持续时间较长，对第一电容C1的充电时间（即PWMP信号为高电平的时间）长于其放电时间（即PWMP信号为低电平的时间）；本实施例中Idischarge/Icharge=2，则检测的预设最大占空比为66.7%。当占空比为70%的PWMP信号输入时，电容电压CP的电压最终可以达到的最大电压为VVREF。由于PWMN信号的占空比与PWMP信号信号的占空比相加之和为100%，则PWMN信号的占空比为30%。电容电压CN的电压最终为零。电容电压CP和电容电压CN经过逻辑控制模块的处理输出I5_out信号从低电平转换为高电平，I5_out信号经过延时后输出高电平的使能信号EN为，输出使能信号EN变成高电平，关闭D类功放芯片的高压脉冲输出，保护了扬声器。
另外，当差分音频信号的幅度过大时，会使输入电容（即图2中差分音频信号输入时连接的两个电容）对地短路。由于通过所述具有占空比限制功能的D类功放装置能在差分音频信号的幅度过大时关闭D类功放芯片的输出，保护扬声器。因此，输入电容对地短路时也会关闭D类功放芯片的输出，所述D类功放装置还能检测输入电容短路的异常状况。
综上所述，本发明提供的具有占空比限制功能的D类功放芯片及其装置，基于音频信号的输出幅度与PWM信号的占空比成正比的原理，通过实时检测PWM信号的占空比，在判断PWM信号的占空比大于预设最大占空比时、PWM调制模块停止工作，关闭该D类功放芯片的高压脉冲输出，从而关闭了D类功放装置的音频输出，限制过大占空比的输出相当于限制幅度过大的音频信号的输出，从而避免了幅度过大的音频信号烧坏扬声器。在PWM信号的占空比小于预设最大占空比时打开或保持D类功放装置的音频输出，确保了D类功放装置的正常工作。
另外，所述D类功放装置还能检测一些异常情况的发生，例如：输入电容对地短路等。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，包括：
三角波模块，用于产生三角波信号；
PWM调制模块，用于将输入的差分音频信号和所述三角波模块产生的三角波信号转换成低压脉冲的PWM信号，对所述PWM信号进行驱动处理生成高压脉冲；
占空比检测模块，用于实时检测所述PWM调制模块产生的PWM信号的占空比；
逻辑控制模块，用于当所述PWM调制模块产生的PWM信号的占空比大于预设最大占空比时，控制PWM调制模块停止工作。
2.根据权利要求1所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述PWM调制模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一放大器、第一比较器、第二比较器、第一驱动电路和第二驱动电路；所述第一放大器的正向输入端通过第一电阻连接差分音频信号第一输入端、还通过第三电阻连接第一驱动电路的输出端，第一放大器的反向输入端通过第二电阻连接差分音频信号第二输入端、还通过第四电阻连接第二驱动电路的输出端，第一放大器的正输出端连接第一比较器的反相输入端，第一放大器的负输出端连接第二比较器的反相输入端，所述第一比较器与第二比较器的正相输入端均连接三角波模块的输出端，第一比较器的输出端连接第一驱动电路的输入端和占空比检测模块，第二比较器的输出端连接第二驱动电路的输入端和占空比检测模块，第一驱动电路的输出端和第二驱动电路的输出端均为D类功放芯片的输出端，第一驱动电路的控制端和第二驱动电路的控制端均连接逻辑控制模块。
3.根据权利要求1所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述占空比检测模块包括：
镜像电流单元，用于将输入的偏置电流按预设比例镜像转换为充电电流和放电电流给充放电控制单元；
充放电控制单元，用于根据所述PWM调制模块产生的PWM信号输出对应的充、放电指令，将所述镜像电流单元输出的充电电流和放电电流转换成对应压值的电容电压给逻辑控制模块。
4.根据权利要求3所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述镜像电流单元包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管和第十四MOS管；
所述第一MOS管的栅极连接第一MOS管的漏极、第三MOS管的栅极、第五MOS管的栅极和第七MOS管的栅极，第一MOS管的源极连接第二MOS管的漏极、第二MOS管的栅极、第四MOS管的栅极、第六MOS管的栅极和第八MOS管的栅极，所述第三MOS管的源极连接第四MOS管的漏极，第五MOS管的源极连接第六MOS管的漏极，第七MOS管的源极连接第八MOS管的漏极，所述第二MOS管、第四MOS管、第六MOS管和第八MOS管的源极均接地；
所述第三MOS管的漏极连接第十MOS管的漏极、第十MOS管的栅极、第十二MOS管的栅极和第十四MOS管的栅极，所述第十MOS管的源极连接第九MOS管的漏极、第九MOS管的栅极、第十一MOS管的栅极和第十三MOS管的栅极，第十二MOS管的源极连接第十一MOS管的漏极，第十四MOS管的源极连接第十三MOS管的漏极，所述第九MOS管、第十一MOS管和第十三MOS管的源极均连接基准电源端；所述第十二MOS管的漏极连接充放电控制单元的第一输入端，所述第十四MOS管的漏极连接充放电控制单元的第二输入端，所述第五MOS管的漏极连接充放电控制单元的第一输出端，所述第七MOS管的漏极连接充放电控制单元的第二输出端。
5.根据权利要求4所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管均为NMOS管；所述第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管和第十四MOS管均为PMOS管。
6.根据权利要求4所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，充放电控制单元包括第一反相器、第二反相器、第一电容、第二电容、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管和第十八MOS管；所述第一反相器的输入端连接PWM调制模块，第一反相器的输出端连接第十五MOS管的栅极和第十六MOS管的栅极，第十五MOS管的源极连接第十二MOS管的漏极，第十六MOS管的源极连接第五MOS管的漏极，所述第一电容的一端连接第十五MOS管的漏极和第十六MOS管的漏极，第一电容的另一端接地；
所述第二反相器的输入端连接PWM调制模块，第二反相器的输出端连接第十七MOS管的栅极和第十八MOS管的栅极，第十七MOS管的源极连接第十四MOS管的漏极，第十八MOS管的源极连接第七MOS管的漏极，所述第二电容的一端连接第十七MOS管的漏极和第十八MOS管的漏极，第二电容的另一端接地。
7.根据权利要求3所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述逻辑控制模块包括：第一抗扰电路、第二抗扰电路、第三反相器、第四反相器、或门、第十九MOS管、第二十MOS管、第二十一MOS管和第二十二MOS管；所述第十九MOS管的栅极连接第二十MOS管的栅极和充放电控制单元，第十九MOS管的漏极连接第二十MOS管的漏极和第三反相器的输入端，第二十MOS管的源极连接第一抗扰电路的输入端，所述第三反相器的输出端连接第一抗扰电路的控制端和或门OR的第一输入端；
所述第二十一MOS管的栅极连接第二十二MOS管的栅极和充放电控制单元，第二十一MOS管的漏极连接第二十二MOS管的漏极和第四反相器的输入端，第二十二MOS管的源极连接第二抗扰电路的输入端，所述第四反相器的输出端连接第二抗扰电路的控制端和或门的第二输入端；
所述第十九MOS管、第二十一MOS管的源极均连接基准电源端，所述或门的输出端连接PWM调制模块。
8.根据权利要求7所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述第一抗扰电路包括第二十三MOS管和第二十四MOS管，所述第二十三MOS管的漏极连接第二十三MOS管的栅极、第二十MOS管的源极和第二十四MOS管的漏极，所述第二十四MOS管的栅极连接第三反相器的输出端，所述第二十三MOS管、第二十四MOS管的源极均接地。
9.根据权利要求7所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述第二抗扰电路包括第二十五MOS管和第二十六MOS管，所述第二十五MOS管的漏极连接第二十五MOS管的栅极、第二十二MOS管的源极和第二十六MOS管的漏极，所述第二十六MOS管的栅极连接第四反相器的输出端，所述第二十五MOS管、第二十六MOS管的源极均接地。
10. 一种具有占空比限制功能的D类功放装置，其特征在于，包括滤波器、扬声器和如权利要求1-9任意一项所述的具有占空比限制功能的D类功放芯片，所述D类功放芯片通过滤波器连接扬声器，D类功放芯片输出的高压脉冲通过滤波器滤波还原为音频信号输出给扬声器，驱动扬声器振动发出声音。
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