CN103999363B - D类功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明设置有第一D类放大单元以对输入声音信号的功率进行放大并且提供至音频输出端子(22a)的正端，还设置有第二D类放大单元以对由反转器(E1)进行反转后的输入声音信号的功率进行放大并且提供至音频输出端子(22a)的负端。模式控制单元(204)在第一模式被指定时激活第一和第二D类放大单元并且将限流电路(I1、I2)的最大电流值设定为第一电流值，而在第二模式被指定时，激活第一D类放大单元但不激活第二D类放大单元，将音频输出端子(22a)的负端接地，并且将限流电路(I1)的最大电流值设定为大于第一电流值的第二电流值。

Description

D类功率放大器

技术领域

本发明涉及D类功率放大器，被称为恒压系统的扬声器系统、或低阻抗(4Ω、8Ω)扬声器等设备可连接至该D类功率放大器。

背景技术

通常已知如下的D类功率放大器，该D类功率放大器通过D类操作方法来执行功率放大，该D类操作方法将输入的模拟信号转换为脉冲宽度调制(PWM)信号，并且通过该脉冲宽度调制信号对输出级的开关元件进行开-关控制。

图4和图5示出了作为传统的D类功率放大器的示例的D类放大器的结构。图4中示出了半桥连接的示例，图5中示出了全桥连接的示例。

首先，在半桥连接的情况下，如图4所示，一个扬声器SPx连接至一个D类功率放大单元Dx。

随后，在D类功率放大单元Dx中，待放大的模拟音频信号作为输入信号IN被输入，其电压由PWM调制器X进行PWM调制，从而转换为PWM信号。随后，将此PWM信号提供给设置在正端电源(+V)和输出信号线之间的开关元件Sxa和设置在负端电源(-V)和输出信号线之间的开关元件Sxb中的每一个，以互补地驱动开关元件Sxa和Sxb。即，开关元件Sxa和Sxb被驱动为(例如)当PWM信号为高电平时，开关元件Sxa接通并且同时开关元件Sxb关断，并且相反的，当PWM信号为低电平时，开关元件Sxa关断并且同时开关元件Sxb接通。

以此方式，在开关元件Sxa导通时电流由正端电源流向输出信号线，在开关元件Sxb导通时电流由输出信号线流向负端电源。通过使随着PWM信号的高/低而改变的电流流过由线圈Lx和电容器Cx形成的低通滤波器，使得用于PWM转换的载波信号能够被移除，由此将该电流解调为模拟音频信号，该模拟音频信号为经过功率放大的输入信号IN(其可以输出的最高电压依赖于电源的电压)。因此，通过将通过低通滤波器的信号经过音频输出端子提供给扬声器SPx，可以利用模拟音频信号(其为放大后的输入信号IN)来驱动扬声器SPx。注意，由扬声器返回至D类功率放大单元Dx的信号流向放大器的地。

此外，在全桥连接的情况下，如图5所示，一个扬声器SPx连接至两个D类功率放大单元Dx、Dy。

随后，在D类功率放大单元Dx中，类似于图4中的情况，作为功率放大后的输入信号IN的模拟音频信号被提供至扬声器SPx。

另一方面，输入信号IN通过反转器E在正和负之间反转，并且被输入至D类功率放大单元Dy。随后，类似于D类功率放大单元Dx中的情况，该反转后的信号在PWM调制器Y中被进行PWM调制，并且利用作为调制结果的PWM信号来互补地驱动开关元件Sya和Syb。因此，经由通过由线圈Ly和电容器Cy形成的低通滤波器，除了正负被反转以外与D类功率放大单元Dx侧的模拟音频信号完全相同的模拟音频信号能够被提供至扬声器SPx。注意，D类功率放大单元Dx和D类功率放大单元Dy之间具有共同的电源。

此处，通过将扬声器SPx的两个端子分别连接至D类功率放大单元Dx和Dy，使得能够利用分别由D类功率放大单元Dx和Dy提供的模拟音频信号的差异信号来驱动扬声器SPx。分别由D类功率放大单元Dx和Dy提供的模拟音频信号为在正和负之间进行了反转了的两个信号(如上所述)，因此采用这种差异信号可以使得扬声器SPx由作为在半桥连接情况下的电压的两倍的电压来驱动。

这样的D类功率放大器被认为是相当高效的放大器。此外，作为与这种D类功率放大器相关的技术，例如，PTL1和PTL2中描述的技术也被人们所熟知。

此外，广泛采用了(例如)阻抗为4Ω或8Ω的低阻抗单扬声器作为连接至D类功率放大器的扬声器。但是，除了上述扬声器以外，通过被称为恒压系统的系统来将多个扬声器并行地连接也是可行的。

这种恒压系统将具有高电压和低电流的音频信号由放大器传输至各个扬声器，通过在每个扬声器的输入单元中提供的降压变压器将其变换为低压信号，并且采用该低压信号来驱动扬声器。即，高阻抗的信号线被用作将放大器和每个扬声器连接起来的主要信号线，并且多个扬声器经过各降压变压器分别与放大器并行连接。

这种恒压系统在(例如)NPL1中进行了描述。

{引用列表}

{专利文献}

{PTL1}JP 2010-41474 A

{PTL2}JP 2009-200551 A

{非专利文献}

{NPL1}Constant voltage speaker system,[Online],November 29,2011,Wikipedia.org,[2011年12月18日检索],互联网<URL:http://en.wikipedia.org/w/index.php？title＝Constant_volt age_speaker_system&oldid＝463042107>

发明内容

{技术问题}

此时，可想而知上述D类功率放大器被构造为能够通过相同音频输出端子连接至低阻抗扬声器或恒压系统的多个扬声器。

首先，在考虑要使其兼容恒压系统时，虽然要取决于所采用的标准，但是(例如)在100V系统的情况下，需要最高为100Vrms(有效电压为100伏)的输出。随后，在采用上述半桥结构时，为了得到此输出，需要±150V或更高的电源电压来作为正端电源和负端电源。

在此情况下，对于开关元件Sxa和Sxb，需要300V或更高的耐压(正端电源和负端电源之间的电压差)。但是，在当前广泛采用作开关元件Sxa和Sxb的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)中，与具有250V以下的耐压的MOSFET相比，具有250V以上的耐压的MOSFET在成本和性能方面往往显著逊色。因此，利用半桥结构，可以说难以制造出能够与恒压系统的各扬声器连接的D类功率放大器。

另一方面，当采用全桥结构时，电源电压可以为采用半桥结构时的电源电压的一半。因此，各MOSFET所需的耐压也较低，从而允许以较低成本来制造性能足够的D类功率放大器。

但是，当此D类功率放大器并非专用于驱动恒压系统而是还可以用于驱动低阻抗扬声器时，实际上会在此结构中出现问题。

通过选择与音响系统和/或目标最大输出功率相对应的输出级的电源和元件(晶体管、线圈、电容器等)来设计功率放大器。在此情况下，首先，为了使用全桥结构驱动100V恒压系统，采用的电源的电压大约为±80V并且该电源的电流容量与所需的最大输出功率相匹配，其次，采用(例如)耐压为80V或更高的高速MOSFET作为输出级中的开关元件。

当驱动低阻抗(例如，4Ω)扬声器时，大电流以低电压流向扬声器，因此在此结构(即，相同的电源、相同的输出级元件、以及相同的全桥结构)中，电源中的仅仅约±80V的一小部分(但是，其随着电流的增加而降低)被扬声器所使用，并且电压的其余部分施加于输出级的元件，因此降低了电源电压利用率。

通常，在D类放大器的电源电压利用率和功率效率(＝施加给扬声器的功率/电源提供的功率)之间，存在图6中所示的关系。从图6可以看出，低的电源电压利用率使得功率效率快速恶化。

基于这种背景而设计了本发明，其目的在于能够以低成本制造如下的D类功率放大器，该D类功率放大器能够有效率地同时驱动低阻抗扬声器和恒压系统的扬声器，同时采用同一音频输出端子来与这两个扬声器进行连接。

{解决方案}

为了实现上述目的，本发明的D类功率放大器包括：音频输出端子；模式指定单元，其指定第一模式和第二模式中的一个；第一D类放大单元，其将输入的音频信号转换为脉冲宽度调制信号并对输入的所述音频信号进行功率放大，并且将功率放大后的音频信号提供给音频输出端子的正端；反转单元，其使输入音频信号的极性反转；第二D类放大单元，其将在反转单元内进行了极性反转的音频信号转换为脉冲宽度调制信号并对进行了极性反转的音频信号进行功率放大，并且将功率放大后的音频信号提供给音频输出端子的负端；第一模式控制单元，其在第一模式被指定时激活第一D类放大单元和第二D类放大单元，并且执行保护使得第一D类放大单元和第二D类放大单元的输出中的每一个输出变为等于或小于第一电流值；以及第二模式控制单元，其在第二模式被指定时使第一D类放大单元和第二D类放大单元中的一个不激活而使另一个激活，使音频输出端子的正端和负端中与未激活的D类放大单元对应的一端接地，并且执行保护使得激活的D类放大单元的输出变为等于或小于比第一电流值大的第二电流值；其中所述第一电流值为在恒压扬声器系统被连接至所述音频输出端子时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值，并且所述第二电流值为在低阻抗扬声器被连接所述音频输出端子时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值。

本发明的另一种D类功率放大器包括：第一音频输出端子；第二音频输出端子；模式指定单元，其指定第一模式和第二模式中的一个；第一D类放大单元，其将输入的第一音频信号转换为脉冲宽度调制信号并对输入的第一音频信号进行功率放大，并且将功率放大后的第一音频信号提供给第一音频输出端子的正端；第一反转单元，其将输入的第一音频信号的极性反转；第二D类放大单元，其将在第一反转单元内进行了极性反转的第一音频信号转换为脉冲宽度调制信号并对进行了极性反转的第一音频信号进行功率放大，并且将功率放大后的第一音频信号提供给第一音频输出端子的负端；第三D类放大单元，其将输入的第二音频信号转换为脉冲宽度调制信号并对输入的第二音频信号进行功率放大，并且将功率放大后的第二音频信号提供给第二音频输出端子的正端；第二反转单元，其将输入的第二音频信号的极性反转；第四D类放大单元，其将在第二反转单元内进行了极性反转的第二音频信号转换为脉冲宽度调制信号并对进行了极性反转的第二音频信号进行功率放大，并且将功率放大后的第二音频信号提供给第二音频输出端子的负端；第一模式控制单元，其在第一模式被指定时激活第一D类放大单元至第四D类放大单元中的全部，并且执行保护使得各个D类放大单元的输出中的每一个输出变为等于或小于第一电流值；以及第二模式控制单元，其在第二模式被指定时使第一D类放大单元和第四D类放大单元激活而使第二D类放大单元和第三D类放大单元不激活，将第一音频输出端子的负端和第二音频输出端子的正端中的每一个接地，并且执行保护使得第一D类放大单元和第四D类放大单元的输出中的每一个输出变为等于或小于比第一电流值大的第二电流值；其中所述第一电流值为在恒压扬声器系统被连接至所述第一音频输出端子和所述第二音频输出端子中的每一个时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值，并且所述第二电流值为在低阻抗扬声器被连接所述第一音频输出端子和所述第二音频输出端子中的每一个时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值。

在上述各种D类功率放大器中的每一种中，优选地，第一模式为针对将一套恒压扬声器系统连接至每个音频输出端子的情况所配备的模式，并且第一电流值为在恒压扬声器系统被连接时用于将D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值。

此外，优选地，第二模式为针对将一个低阻抗扬声器连接至每个音频输出端子的情况所配备的模式，并且第二电流值为在低阻抗扬声器被连接时将D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值。

{发明的有益效果}

如上所述，本发明的D类功率放大器使得能够以低成本来制造D类功率放大器，该D类功率放大器即使在采用同一音频输出端子来与低阻抗扬声器和恒压系统的扬声器进行连接的情况下也能够有效地驱动这两种扬声器。

附图说明

图1为示出了作为本发明的D类功率放大器的实施例的放大器的结构示意图。

图2为示出了恒压扬声器系统的示例的示意图。

图3为示出了图1中所示的功率放大单元中配备的操作模式和在每个操作模式中对各个单元执行的控制的示意图。

图4为示出了传统的半桥连接的D类放大器的示例的示意图。

图5为示出了传统的全桥连接的D类放大器的示例的示意图。

图6为示出了D类放大器中电源电压利用率和功率效率之间的关系的示意图。

具体实施方式

下文中，将基于附图对实施本发明的模式进行详细描述。

图1示出了作为本发明的D类功率放大器的实施例的放大器的结构。

图1中所示的放大器20包括第一放大单元201和第二放大单元202，该放大器20具有如下的功能：放大经由音频输入端子21a、21b输入的每一个通道的模拟音频信号的功率，并且经由相应的音频输出端子22a、22b将其输出。

注意，诸如电子乐器、乐声再现装置、麦克风、数字混频器等的输出音频信号的音频装置可以作为(在符合放大器20的标准的范围内的)信号源任意地连接至音频输入端子21a、21b。

此外，将被连接至音频输出端子22a、22b的扬声器可以为阻抗是4Ω或8Ω的普通单扬声器、或者为图2中所示的恒压扬声器系统，但是必须基于所连接的扬声器或扬声器系统将所连接的扬声器或扬声器系统设定为合适的模式(这将在下文详细描述)。

该恒压扬声器系统是这样的系统，其使得多个扬声器通过上述恒压系统并行地连接。随后，多个扬声器SPa至SPd分别经由降压变压器Ta至Td连接至高阻抗的主电缆CB。随后，在主电缆CB上利用符合标准(例如，25V、70V、70.7V、100V)的高电压(此处为100V)来传输模拟音频信号，并且在该模拟音频信号通过降压变压器Ta至Td降低为用于驱动扬声器SPa至SPd的合适电压以后被提供至扬声器SPa至SPd。在每个扬声器中，扬声器SPa至SPd的输入阻抗可以不同，并且在每个扬声器中，每个变压器中的降压比也可以不同。

该放大器20的特点为其与第一和第二放大单元201、202的结构和操作模式相对应的操作控制，因此随后将主要关注这一点对放大器20进行详细地描述。

如图1中所示，除了第一放大单元201和第二放大单元202外，放大器20还包括电源单元203、模式控制单元204、以及模式切换单元205。

其中，电源单元203为供电装置，该供电装置为第一放大单元201和第二放大单元202中包含的总计四个D类放大单元中的每一个提供+80V的正端电源和-80V的负端电源。

模式控制单元204具有如下的功能：根据由模式切换单元205指定的模式来控制PWM调制器X1至X4的操作(激活)/停止(不激活)、以及控制第一放大单元201和第二放大单元202中包括的开关S1和开关S2的接通/关断，并且为限流电路I1至I4设定电流上限，从而允许第一放大单元201和第二放大单元202执行与模式相对应的操作。

注意，模式切换单元205具有根据用户的操作来指定第一模式至第三模式中的一个模式的功能，并且可以通过采用三态开关(两个通路的接通/关断)和具有三个选项的选择器(选择性地连接三个端子中的一个)来简单地构造。可以通过具有CPU的微型计算机来执行类似的功能。

此外，第一放大单元201和第二放大单元202分别具有两个D类放大单元，并且具有如下的功能：放大由信号源IN1和IN2提供、并经由音频输入端子21a和21b输入的每一个通道的模拟音频信号(这些信号将分别被称为输入信号IN1和IN2)的功率，以及通过相应的音频输出端子22a和22b输出这些模拟音频信号。

其中，第一放大单元201包括：具有PWM调制器X1、开关元件S1a和S1b、线圈L1、和电容器C1的第一D类放大单元，以及具有PWM调制器X2、开关元件S2a和S2b、线圈L2、和电容器C2的第二D类放大单元。

第一D类放大单元不管模式如何总是激活的(持续操作)，但是第二D类放大单元能够根据模式而激活(操作)或不激活(停止操作)。停止操作的第二D类放大单元几乎不消耗电能。将经由放大器20的第一输入端子21a输入的模拟音频信号(输入信号IN1)提供至第一D类放大单元，将由反转器E1在正和负(电压的极性)之间反转了的输入信号IN1inv提供至第二D类放大单元。

在第一D类放大单元中，PWM调制器X1对输入信号IN1的电压进行PWM调制并且输出PWM信号。在正端和负端的开关元件S1a、S1b中的每一个为功率MOSFET。正端的元件S1a的漏极连接至正端电源(+80V)，正端的元件S1a的源极连接至负端的元件S1b的源极和线圈L1的输入端，负端的元件S1b的漏极连接至负端电源(-80V)。

开关元件S1a、S1b根据由PWM调制器X1提供给各个栅极的PWM信号来将线圈L1的输入端连接(切换)至正端电源或负端电源中的一个。因此，功率放大后的PWM信号被提供至线圈L1的输入端。随后，通过由线圈L1和电容器C1形成的低通滤波器截止功率放大后的PWM信号的高频部分，作为功率放大后的输入信号IN1的模拟音频信号在线圈L1的输出端被解调制并且被提供给音频输出端子22a的正端。

类似地，在激活状态下的第二D类放大单元中，反转的输入信号IN1inv由PWM调制器X2进行PWM调制，并且通过开关元件S2a、S2b进行功率放大。随后，通过由线圈L2和电容器C2形成的低通滤波器截止功率放大后的PWM信号的高频部分，作为功率放大后的反转输入信号IN1inv的模拟音频信号在线圈L2的输出端被解调并且被提供给音频输出端子22a的负端。

此外，在第一放大单元201中，在由第一D类放大单元和第二D类放大单元至音频输出端子22的各信号输出路径上分别提供限流电路I1和I2。这些限流电路I1、I2的功能为：当由相应D类放大单元输出的信号的电流值超过由模式控制单元204控制的预定值时，限流电路I1和I2通过将栅极接地或诸如此类方法来强制关断相应的开关元件，从而停止信号输出。限流电路I1关断开关元件S1a、S1b，限流电路I2关断开关元件S2a、S2b。

但是，当限流电路I1、I2关断各开关元件时，电流不再流至各限流电路，因此所检测到的电流值迅速变得等于或小于电流上限值。随后，当从强制关断起过了预设时间之后，限流电路I1和I2取消对各开关元件的强制关断。随后，响应于此，如之前一样执行通过D类放大单元放大后的音频信号的输出。

因此，限流电路I1、I2进行操作以保护电源、输出单元的元件、以及第一放大单元20连接的扬声器以避免超出设计放大器20时的每个假定功率并且避免损坏。

例如，当连接两个4Ω扬声器(第二操作模式)时，放大器20对每个扬声器的假定最大输出为250Wmax时，上述预定值仅需要为满足4×I×I＝250且I≈7.9A(有效值)≈11.2A(峰值)的值。

此外，当连接一个8Ω扬声器(第三操作模式)时，放大器20的假定最大输出为500Wmax时，上述预定值仅需要为满足8×I×I＝500且I≈7.9A(有效值)≈11.2A(峰值)的值。

此外，当连接两套恒压扬声器系统(第一操作模式)时，放大器20对每套系统的假定最大输出为250Wmax时，由于100V系统的最大输出电压(有效电压)为100V，因此可以得到电流上限值I为I＝250/100＝2.5A(有效值)≈3.5A(峰值)。在此情况下，每个恒压扬声器系统均需要被构造为使其整个输入阻抗为100/2.5＝40Ω或更高。当构成一套100V系统的扬声器的数量增加时，会导致输入阻抗小于40Ω，放大器20的输出不能达到假定最大输出。

如上所述，不管连接到放大器20的扬声器是两套100V的系统、两个4Ω扬声器、和一个8Ω扬声器中的哪一种，整个放大器20的假定最大输出都完全相同(500Wmax)。这是为了最大程度地利用所采用的电源的容量。

此外，在第一放大单元201中，提供开关S1以用于使音频输出端子22a的负端在接地和不接地之间切换。

当第二D类放大单元不激活时，开关S1同时接通以将音频输出端子22a的负端接地。因此，第一放大单元201起到了具有仅半桥连接了第一D类放大单元的结构的D类放大器的作用。此处，具体而言，通过停止PWM调制器X2和将开关元件S2a、S2b固定为“关断”的方式执行第二D类放大单元的“不激活”。在此情况下，几乎没有电流从电源单元203流至第二D类放大单元，并且功率消耗减少了这一数量。

另一方面，当第二D类放大单元激活时，开关S1同时关断。因此，在第一放大单元201中，由第一D类放大单元输出的信号被提供给音频输出端子22a的正端，由第二D类放大单元输出的信号被提供给音频输出端子22a的负端，并且由这些信号间的差异的信号来驱动扬声器SP1。因此，第一放大单元201起到了其中全桥连接了第一D类放大单元和第二D类放大单元的D类放大器的作用。

此外，第二放大单元202包括具有PWM调制器X3、开关元件S3a和S3b、线圈L3、和电容器C3的第三D类放大单元以及具有PWM调制器X4、开关元件S4a和S4b、线圈L4、和电容器C4的第四D类放大单元。第三D类放大单元和第四D类放大单元中的每个都能够基于模式而激活(操作)或不激活(停止操作)。停止操作的D类放大单元几乎不消耗电能。经由放大器20的第二输入端子21b输入的模拟音频信号(输入信号IN2)被提供至第三D类放大单元，由反转器E2执行了正和负(电压的极性)之间的反转后的输入信号IN2inv被提供至第四D类放大单元。

随后，处于激活状态的第三D类放大单元对输入信号IN2进行功率放大并将其提供给音频输出端子22b的正端，处于激活状态的第四D类放大单元对反转后的输入信号IN2inv进行功率放大并将其提供给音频输出端子22b的负端。每个D类放大单元和限流电路I3、I4的功能均与第一放大单元201中类似元件的功能相同，因此省略其详细描述。

此外，在第二放大单元202中，提供开关S2以用于使音频输出端子22b的正端在接地和不接地之间切换。

当第三D类放大单元不激活时，开关S2同时接通以将音频输出端子22b的正端接地。因此，第二放大单元202起到了具有仅半桥连接了第四D类放大单元的结构的D类放大器的作用。此处，具体而言，通过停止PWM调制器X3和将开关元件S3a、S3b固定为“关断”的方式来执行第三D类放大单元的“不激活”。在此情况下，几乎没有电流从电源单元203流至第三D类放大单元，并且功率消耗减少了这一数量。

另一方面，当第三D类放大单元激活时，开关S2同时关断。因此，在第二放大单元202中，由第三D类放大单元输出的信号被提供给音频输出端子22b的正端，由第四D类放大单元输出的信号被提供给音频输出端子22b的负端，并且由这些信号间的差异的信号来驱动扬声器SP2。因此，第二放大单元202起到了全桥连接了第三D类放大单元和第四D类放大单元的D类放大器的作用。

随后将描述放大器20的操作模式。

图3为示出了放大器20中配备的操作模式和在每个模式中分别对每个单元执行的控制的示意图。如上所述，由用户对模式切换单元205来设定操作模式，并且模式控制单元204基于所设定的模式向图1中所示的各个单元输出控制信号以执行图3中所示的操作。

首先，第一操作模式为当恒压扬声器系统连接至音频输出端子22a、22b时用户设定的操作模式。

在此情况下，第一至第四D类放大单元(PWM调制器X1至X4)均操作(激活)。此外，开关S1和S2均关断。随后，限流电路I1至I4的电流上限值均被切换至用于进行保护的第一值(有效值2.5A或峰值3.5A)，从而使得在连接了100V系统时放大器20的输出不会超过假定最大输出(250W)。

在此第一操作模式中，第一放大单元201和第二放大单元202中的每一个均起到了全桥连接的D类放大器的作用。因此，放大器20可以使提供给音频输出端子22a、22b的模拟音频信号的电压在比由电源单元203提供的每个电压(±80V)的两倍略小的电压范围(-160+αV至+160-αV)内摆动，并且可以利用假定的有效100V或更高的最大振幅来驱动100V恒压扬声器系统。因此，即使当预料到有电压的变化时，也可以使用具有相对较低耐压(约200V)的元件作为开关元件S1a至S4b。可以获得便宜和可靠的开关元件作为这种开关元件，并且因此可以制造出便宜和可靠的系统来作为整个系统。

此外，第二操作模式为当低阻抗(例如4Ω)扬声器连接至音频输出端子22a和22b时用户设定的操作模式。

在此情况下，第一和第四D类放大单元(PWM调制器X1和X4)均操作(激活)，而第二和第三D类放大单元(PWM调制器X2和X3)停止(不激活)。此外，开关S1和S2接通。随后，限流电路I1和I4的电流上限值均被切换至用于进行保护的第二值(有效值7.9A或峰值11.2A)以，从而使得在连接了低阻抗(4Ω)的扬声器时放大器20的输出不会超过假定最大输出(250W)。

相比于恒压扬声器系统，该情况下的扬声器的阻抗低，因此基于相同最大输出而确定的第二值变成大于上述第一值的值。注意，关于限流电路I2和I3，由于开关元件S2a、S2b、S3a、S3b均被关断并且大电流的流通是毫无可能的，因此任何电流上限值均可以接受。

在此第二操作模式中，第一放大单元201和第二放大单元202中的每一个均起到半桥连接的D类放大器的作用。因此，放大器20可以使提供给音频输出端子22a、22b的模拟音频信号的电压在比由电源单元203提供的电压(±80V)略小的电压范围(-80+βV至+80-βV)内摆动。在假定最大输出(250W)时的振幅为4×7.9＝31.6V(有效值)≈44.7V(峰值)，因此在这种情况下，在电源电压±80V中仅有约±23V通过全桥连接在驱动中被有效利用。但是，在此实施例中，由于通过半桥连接进行驱动，在±80V中有约45V被有效利用。

此处，通过切换至半桥连接，提高了电压的使用效率。如图6中所示，通过电源电压利用率能够增加的量，可以获得高功率效率。此外，由于第二和第三D类放大单元停止，功率消耗也可以降低这一数量。

注意，在D类功率放大器中，已知在半桥的情况下会发生一种被称为泵浦(pumping)的现象。以第一放大单元201为例进行描述，此现象为：由于在信号输出线路上提供了线圈L1作为感性负载，在开关元件S1a和S1b的导通和不导通被切换时电流沿着电源电压的反方向流动，并且由此导致电源单元的电容器被充电至等于或大于电源的电压，从而改变了电源的电压。随后，当泵浦现象发生时，正端的电源电压和负端的电源电压变得不平衡，导致输出中的噪声或者向输出级的各开关元件施加大于假定值的电压。

在全桥的情况下，由于电流由两个D类功率放大单元中流出，因此在正端和负端的电源中在彼此相反的方向上出现了泵浦现象，因此电源电压的不平衡并未发生。

在第二操作模式的情况下，由于基本上是半桥连接，因此有发生该泵浦现象的可能性。但是，由于未反转的输入信号IN1在第一放大单元201内进行功率放大并且反转后的输入信号IN2inv在第二放大单元内进行功率放大，因此当两个相对类似的信号(例如作为输入信号IN1和IN2的立体声的左声道信号和右声道信号)被输入时，类似于全桥连接的情况，由第一放大单元201至电源的再生功率和由第二放大单元202至电源的再生功率彼此抵消，从而使得泵浦现象不再发生。即，推荐在第二操作模式中输入相似度较高的两个信号作为输入信号IN1和IN2。

此外，第三操作模式为当低阻抗(例如8Ω)扬声器仅连接至音频输出端子22a、并且即使以牺牲通道数量为代价也期望获得较大的输出时用户设定的操作模式。

在此模式中，第一和第二D类放大单元(PWM调制器X1、X2)操作，与此同时第三和第四D类放大单元(PWM调制器X3、X4)停止(不激活)。此外，开关S1被关断。第二放大单元202实质上未操作，因此开关S2可以接通或者关断。

随后，限流电路I1和I2的电流上限值均被切换至用于进行保护的第三值(有效值7.9A或峰值11.2A)，从而使得在连接了8Ω的低阻抗扬声器时放大器20的输出不会超过假定最大值(500W)。关于限流电路I3和I4，由于开关元件S3a、S3b、S4a、S4b均被关断并且大电流的流通是毫无可能的，因此任何电流上限值均是可以接受的。仅关注第一放大单元201，在第三操作模式中以第二操作模式中的电压的双倍电压来驱动双倍阻抗(8Ω)的扬声器，从而获得双倍的最大输出(500W)。在此情况下，第二操作模式和第三操作模式的最大输出时的电流为相同值，因此限流电路I1、I2的第二值和第三值可以互相为相同值。

在此第三操作模式中，第一放大单元201起到全桥连接的D类放大器的作用，第二放大单元202未起作用。因此，通过为第二放大单元202保障的最大输出功率量，第一放大单元201的最大输出功率可以增加，并且可以输出具有大输出的信号。在此情况下，放大器20可以提供给音频输出端子22a、22b的模拟音频信号的电压在比由电源单元203提供的每个电压(±80V)的两倍略小的电压范围(-160+αV至+160-αV)内摆动。在假定最大输出(500W)时的振幅为8×7.9＝63.2V(有效值)≈89.4V(峰值)，在这种情况下，在电源电压±80V中约45V被有效利用。此外，由于是全桥连接，因此可以容忍泵浦现象。此外，由于第三和第四D类放大单元停止，功率消耗也可以减少这一数量。

这样，对各实施例的描述已经结束。但是，毋庸置疑的是装置的结构和电路的结构、模式的设定、以及具体数值均不限于上述实施例中所描述的那些。

例如，在上述实施例中，描述了具有四个D类放大单元的放大器，但是功率放大器也可以是具有多个这种四个单元的放大器。在此情况下，考虑到在第二操作模式中泵浦现象的影响，优选地，针对四的正整数倍个D类放大单元提供一个电源单元203。

此外，在功率放大器中可以仅提供第一放大单元201和第二放大单元202中的一个。即，关于两个D类放大单元，可以设想在第二模式中预定的一个不激活而另外一个被激活，并且将音频输出端子的正端和负端中与不激活的D类放大单元对应的一端接地。在此情况下，在第二操作模式中泵浦现象的影响需要被单独考虑，但是类似于上述实施例的情况，由于单独采用半桥连接和全桥连接因此可以得到电压利用率的提高和成本的降低。

此外，在上述实施例中，描述了由用户手动指定操作模式的示例。但是，还可以设想的是为功率放大器提供一种用于检测负载(例如连接至音频输出端子的扬声器)的阻抗的部件，以根据检测到的阻抗来鉴别连接至音频输出端子22a、22b的扬声器的类型(4Ω、8Ω、100V恒压、70V恒压、或诸如此类)，从而自动设定适合于所鉴别的类型的操作模式。

例如，当检测到的阻抗为约25Ω至1000Ω时，鉴别出连接了恒压扬声器系统，从而设定第一操作模式。当检测到关于音频输出端子22a的阻抗约为8Ω至20Ω并且音频输出端子22b未连接(阻抗为数千Ω或更高)时，鉴别出连接了一个8Ω的扬声器，从而可以设定第三操作模式，或者(至少一个小于8Ω或两者均小于20Ω)鉴别出连接了4Ω的扬声器或连接了2个低阻抗扬声器，从而可以设定第二模式。以这种方式，可以避免由于用户的设定错误而导致不能获得假定最大输出的情况。

此外，虽然上述实施例的D类功率放大器采用与所连接的100V恒压系统对应的约为±80V的电源，但并不需要严格设定为±80V，而是可以是相差约几伏至几十伏的电压。此外，如果连接了不同的恒压系统，需要采用与该系统对应的不同电压的电源。例如，如果连接了25V的恒压系统则可以采用约为±20V的电源，而如果连接了70V的恒压系统则可以采用约为±55V的电源。此外，在这些情况中，需要根据被驱动的扬声器或系统以及根据功率放大器的最大输出功率来适当地确定第一电流值和第二电流值。

此外,本发明当然不仅可应用于独立的放大器，还可以应用于与任意音频信号处理装置(例如电子乐器、数字混频器、效果器、音调产生装置、或音频输入/输出装置)一体形成的功率放大器。

此外，还可以在一致的范围内对上述示例的结构和变形进行适当的组合。

{工业实用性}

由上述描述清楚地知道，本发明的D类功率放大器使得能够以低成本来制作D类功率放大器，该D类功率放大器使得即使在采用同一音频输出端子来连接多个扬声器时也能够高效驱动恒压系统的扬声器。

因此，通过应用本发明可以提高D类功率放大器的质量。

{参考符号列表}

20…放大器,21a、21b…音频输入端子,22a、22b…音频输出端子,201…第一放大单元,202…第二放大单元,203…电源单元,204…模式控制单元,205…模式切换单元,C1至C4…电容器,CB…主电缆,D12,D34…D类功率放大单元,E1,E2…反转器,I1至I4…限流电路,IN1,IN2…输入信号,L1至L4…线圈,S1,S2…开关,S1a至S4a、S1b至S4b…开关元件,SP1、SP2、Spa至SPd…扬声器,Ta至Td…降压变压器,X1至X4…PWM调制器。

Claims (2)

1.一种D类功率放大器，包括：

音频输出端子；

模式指定单元，其指定第一模式和第二模式中的一个；

第一D类放大单元，其将输入的音频信号转换为第一脉冲宽度调制信号，对所述第一脉冲宽度调制信号进行功率放大并且提供给所述音频输出端子的正端；

反转单元，其使所述输入的音频信号的极性反转；

第二D类放大单元，其将在所述反转单元内进行了极性反转的音频信号转换为第二脉冲宽度调制信号，对所述第二脉冲宽度调制信号进行功率放大并且提供给所述音频输出端子的负端；

第一模式控制单元，其在所述第一模式被指定时激活所述第一D类放大单元和所述第二D类放大单元，并且执行保护使得所述第一D类放大单元和所述第二D类放大单元的输出中的每一个输出变为等于或小于第一电流值；以及

第二模式控制单元，其在所述第二模式被指定时使所述第一D类放大单元和所述第二D类放大单元中的一个不激活而使另一个激活，使所述音频输出端子的正端和负端中与未激活的D类放大单元对应的一端接地，并且执行保护使得激活的D类放大单元的输出变为等于或小于比所述第一电流值大的第二电流值，

所述第一电流值为在恒压扬声器系统被连接至所述音频输出端子时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值，并且

所述第二电流值为在低阻抗扬声器被连接所述音频输出端子时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值。

2.一种D类功率放大器，包括：

第一音频输出端子；

第二音频输出端子；

模式指定单元，其指定第一模式和第二模式中的一个；

第一D类放大单元，其将输入的第一音频信号转换为第一脉冲宽度调制信号，对所述第一脉冲宽度调制信号进行功率放大并且提供给所述第一音频输出端子的正端；

第一反转单元，其将输入的第一音频信号的极性反转；

第二D类放大单元，其将在所述第一反转单元内进行了极性反转的第一音频信号转换为第二脉冲宽度调制信号，对所述第二脉冲宽度调制信号进行功率放大并且提供给所述第一音频输出端子的负端；

第三D类放大单元，其将输入的第二音频信号转换为第三脉冲宽度调制信号，对所述第三脉冲宽度调制信号进行功率放大并且提供给所述第二音频输出端子的正端；

第二反转单元，其将输入的第二音频信号的极性反转；

第四D类放大单元，其将在所述第二反转单元内进行了极性反转的第二音频信号转换为第四脉冲宽度调制信号，对所述第四脉冲宽度调制信号进行功率放大并且提供给所述第二音频输出端子的负端；

第一模式控制单元，其在所述第一模式被指定时激活所述第一D类放大单元至所述第四D类放大单元中的全部，并且执行保护使得各个D类放大单元的输出中的每一个输出变为等于或小于第一电流值；以及

第二模式控制单元，其在所述第二模式被指定时使所述第一D类放大单元和所述第四D类放大单元激活而使所述第二D类放大单元和所述第三D类放大单元不激活，将所述第一音频输出端子的负端和所述第二音频输出端子的正端中的每一个接地，并且执行保护使得所述第一D类放大单元和所述第四D类放大单元的输出中的每一个输出变为等于或小于比所述第一电流值大的第二电流值,

所述第一电流值为在恒压扬声器系统被连接至所述第一音频输出端子和所述第二音频输出端子中的每一个时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值，并且

所述第二电流值为在低阻抗扬声器被连接所述第一音频输出端子和所述第二音频输出端子中的每一个时将所述D类功率放大器的最大输出抑制为等于或小于与预定电源容量相对应的值的值。