CN106100330B - 直接式数字功放电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直接式数字功放电路，包括开关电源电路、能量回收电路储能模块和扬声器，开关电源电路的一端连接直流电，储能模块的一端连接开关电源电路，储能模块的一端连接扬声器的正极，扬声器的负极接地；所述能量回收电路与储能模块的一端连接，且该能量回收电路还连接直流电；能量回收电路用于将来自储能模块的放电电荷反馈至直流电。直接将开关电源电路改造为数字功放，改造后电路解决了传统数字功放开关电源和数字功放两个独立频率的电磁辐射，使得整体电路可靠性提高，电磁兼容性能改善。

Description

直接式数字功放电路

技术领域

本发明涉及数字功放技术领域，尤其涉及直接式数字功放电路。

背景技术

传统数字功放众所周知使用效率高，失真小，具有极佳的瞬态响应。因而传统数字功放在功耗、体积、性能上占有优势，但是传统数字功放在实际应用汇总仍然存在着不足，主要表现在下面几个方面：

1.传统数字功放基本上都是有开关电源和数字功放两部分组成的，元器件多，生产工艺复杂。

2.传统数字功放有两个不同的工作频率，开关电源的频率和数字功放的频率两者单独存在，因此会造成整体电路的电磁辐射干扰难以处理，难以实现软开关技术。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种直接式数字功放电路，直接将开关电源电路改造为数字功放电路，解决了传统数字功放的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

直接式数字功放电路，包括开关电源电路、能量回收电路储能模块和扬声器，开关电源电路的一端连接直流电，储能模块的一端连接开关电源电路，储能模块的一端连接扬声器的正极，扬声器的负极接地；所述能量回收电路与储能模块的一端连接，且该能量回收电路还连接直流电；

其中，能量回收电路用于将来自储能模块的放电电荷反馈至直流电。

优选的，所述开关电源电路为BUCK降压电路，所述能量回收电路为BOOST升压电路。

优选的，BUCK降压电路包括第一开关管、续流二极管和低通滤波器，BOOST升压电路包括第二开关管、能量转换模块和隔离二极管；第一开关管的漏极、隔离二极管的负极均连接直流电；第一开关管的源极、续流二极管的负极和能量转换模块连接低通滤波器的一端；第二开关管的漏极、隔离二极管的正极连接能量转换模块；储能模块连接低通滤波器的另一端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极连接调制信号输出端。

优选的，所述BUCK降压电路包括第一开关管、续流二极管和低通滤波器，BOOST升压电路包括第二开关管和隔离二极管；第一开关管的漏极和隔离二极管的负极均连接直流电；第一开关管的源极、续流二极管的负极、第二开关管的漏极、隔离二极管的正极均连接低通滤波器的一端，储能模块连接低通滤波器的另一端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极连接调制信号输出端。

优选的，所述开关电源电路为BUCK-BOOST变换器，该BUCK-BOOST变换器由BUCK降压电路和BOOST升压电路串联而成，且该BUCK降压电路和BOOST升压电路共同一个开关管。

优选的，该BUCK-BOOST变换器包括电感、开关管、二极管和电容；电感的一端与直流电连接，电感的另一端和开关管的漏极均与二极管的正极连接，二极管的负极、电容的一端和能量回收电路均与储能模块的一端连接；开关管的源极、电容的另一端均接地开关管的栅极连接一调制信号输出端。

优选的，BUCK-BOOST变换器包括电感、开关管、二极管和电容，开关管的漏极连接直流电，开关管的源极和电感L的一端均与二极管的负极连接，二极管的正极、电容的一端和能量回收电路均与储能模块的一端连接，电容的另一端接地，开关管的栅极连接一调制信号输出端。

优选的，所述开关电源电路为半桥型隔离开关电源电路，该半桥型隔离开关电源电路的输入端连接调制信号输出端，半桥型隔离开关电源电路的输出端连接能量回收电路。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明直接将开关电源电路改造为数字功放，使整体可靠性提高，电磁兼容性能提升，用声频源信号对开关电源电路进行调制，其记载电压有之前来自反馈电路变化的稳定电压，而转变为参考信号是一个不断变化的声频源信号，使负载输出电压按声频源信号的变化而变化。

附图说明

图1为本发明的实时原理图；

图2为本发明实施例一的电路结构图；

图3为本发明实施例一的第一步等效示意图；

图4为本发明实施例一的第二步等效示意图；

图5为本发明实施例一的第三步等效示意图；

图6为本发明实施例一的第四步等效示意图；

图7为本发明实施例二的电路结构图；

图8为本发明实施例三的电路结构图；

图9为本发明实施例四的电路结构图；

图10为本发明实施例五的电路结构图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

参见图1，本发明对开关电源电路进行改造，在传统开关电源电路，负载电流为单向，数字功放声频源信号的电流为双向，因此输出端增加能量回收电路，用声频源信号对开关电源采样端和能量回收电路进行调制，通过能量回收电路对输出滤波电容的放电电荷回收给电源，即实现了能量回收，又另声频源信号在负载电阻端完整呈现。

为实现本发明的目的，本发明提供的直接式数字功放电路包括开关电源电路、能量回收电路、电容C1、储能模块和扬声器S，开关电源电路和电容C1的一端连接直流电VCC，电容C1的另一端接地，储能模块的一端连接开关电源电路，储能模块的一端连接扬声器S的正极，扬声器S的负极接地；能量回收电路与储能模块的一端连接，且该能量回收电路还连接直流电VCC。能量回收电路用于将来自储能模块的放电电荷反馈至直流电VCC。储能模块位图1中的电容C2。

实施例一：

参见图2，本实施例中，开关电源电路为BUCK降压电路，所述能量回收电路为BOOST升压电路；该BUCK降压电路包括MOS管Q2、 二极管D1、电感L和电容C3，所述BOOST升压电路包括电感L1、MOS管Q1和二极管D2；所述MSO管Q2的漏极、二极管D2的负极和电容C1的一端均与直流电VCC连接，MOS管Q2的源极和二极管D1的负极均与电感L的一端连接，电容C3的一端、电容C2的一端和电感L1的一端均与电感L的另一端连接；电感L1的另一端和MOS管Q1的漏极均与二极管D2的正极连接；二极管D1的正极、电容C3的另一端和MOS管Q1的源极均接地；MOS管Q1的栅极和MOS管Q2的栅极均连接一调制信号输出端。电感L1为能量转换模块。电感L和电容C3组成低通滤波器。

在本实施例中是对BUCK降压电路进行改造，其工作原理为：

由Q2、D1、L、C3组成BUCK开关电源电路进行改造，用加载声频源信号的调制波对BUCK开关电源开关器件进行驱动，声频源信号的上升沿部分可得到输出滤波电容的快速响应，下降沿部分受输出滤波电容和负载电阻的RC时间常数影响，无法在负载电阻端实现声频源信号的完整重现。现在增加由L1、Q1、D2组成BOOST拓扑结构开关电源构成的能量回收电路将输出滤波电容C2的放电电流回收给电源VCC，既实现了对滤波电容C2放电电荷的能量回收，又令声频源信号的下降沿部分在输出负载上完整呈现。

针对本实施例改造电路的具体工作流程为：

1.改造电路第一步工作等效电路图，参见图3，在BUCK开关电源中当调制信号驱动高电平使得MOS管Q2导通的时候，不考虑MOS管Q2的导通压降，储能电感L电流呈线性上升，MOS Q2导通时电感L正向伏秒为： Vin*Ton=(Vin-Vo)*Ts。

2.改造电路第二步工作等效电路图，参见图4，在BUCK开关电源中当调制信号驱动低电平的时候，Q2 MOS管截止，电感L电流不能突变，经过续流二极管形成D1回路，给输出负载供电对滤波电容C9充电，此时电感电流下降，Q2 MOS管截止时电感L反向伏秒为：Vo*Toff=Vo*（Ts-Ton）。根据电感L伏秒平衡，可以得到公式：（Vin-Vo）*Ton=Vo*（Ts-Ton）。由此可得到：Vo=Vin*D。

根据Ts= Ton+ Toff，Vo=Vin*D，Vo 为输出电压，Vin为输入电压，D 为占空比，因此忽略MOS管Q1和负载电阻上的压降不计时，滤波电容C2两端电压为Vo=Vin*D。

3.改造电路第三步工作等效电路图，参见图5，在BOOST拓扑开关电源组成的能量回收电路中当MOS管Q2截止、MOS管Q1导通时，滤波电容C2向电感L1放电。充满电的滤波电容C2可充当能量回收电路供电电源，滤波电容C2两端电压相当于能量回收电路的输入电压。

当调制脉冲信号驱动高电平使得MOS管Q1导通的时候，不考虑MOS管Q1的导通压降，电感L1电流呈线性上升， MOS管Q1导通时电感L1正向伏秒为：Vin*Ton=(Vin-Vo)*Ts。

4.改造电路第四步工作等效电路图，参见图6，在BOOST拓扑开关电源组成的能量回收电路中当脉冲高频调制信号为低电平的时候， MOS管Q1截止，电感L1电流不能突变，经过续流二极管D2形成回路，电路收集滤波电容C2的放电电荷反馈给电源，此时电感L1电流下降， MOS管Q1截止时电感反向伏秒为：（Vo-Vin）（Ts-Ton），

根据电感L1伏秒平衡，可以得到公式：（Vo - Vin）*Toff= Vin*Ton，

由此可得到：Vo=Vin/(1-D)；根据Ts= Ton+ Toff，Vo=Vin/(1-D)，Vo 为输出电压，Vin为输入电压，D 为占空比。

滤波电容C3放电电流，最终经过电感L1和二极管D2回传给主电源，也就是直流电VCC，BOOST拓扑开关电源组成的能量回收电路从而来实现对滤波电容C2电容放电的能量回收，又令声频信号的下降沿部分完整呈现，从而将开关电源改造成为数字功放。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，BUCK降压电路和BOOST升压电路共用储能电感，从而节省一个电感，降低整个放大装置的成本，参见图7，该BUCK降压电路包括MOS管Q2、 二极管D1、电感L和电容C2，所述BOOST升压电路包括MOS管Q1和二极管D2；所述MSO管Q2的漏极、二极管D2的负极和电容C1的一端均与直流电VCC连接，MOS管Q2的源极和二极管D1的负极均与电感L的一端连接，电容C3的一端、电容C2的一端均与电感L的另一端连接；MOS管Q1的漏极与二极管D2的正极连接；二极管D1的正极、电容C3的另一端和MOS管Q1的源极均接地；MOS管Q1的栅极和MOS管Q2的栅极均连接一调制信号输出端OUT，MOS管Q1的漏极还连接电感L的一端。

实施例三：

本实施例参见图8，开关电源电路为为BUCK-BOOST变换器，该BUCK-BOOST变换器由BUCK降压电路和BOOST升压电路串联而成，且该BUCK降压电路和BOOST升压电路共同一个开关管。该BUCK-BOOST变换器包括电感L、MOS管Q2、二极管D1和电容C3，所述能量回收电路包括电感L1、MOS管Q1和二极管D2；电感L的一端和电感L1的一端均与直流电VCC连接，电感L的另一端和MOS管Q2的漏极均与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极、电容C3的一端和MOS管Q1的漏极均与电容C2的一端连接，MOS管Q1的源极、二极管D2的负极均与电感L1的另一端连接；MOS管Q2的原籍、电容C3的另一端和二极管D2的正极均接地；MOS管Q1的栅极和MOS管Q2的栅极均连接一调制信号输出端OUT。本实施例的原理和改造步骤可参照实施例一。本实施例是将BOOST升压电路改造为数字功放。

实施例四：

本实施例参见图9，开关电源电路同样为BUCK-BOOST变换器，其包括电感L、MOS管Q2、二极管D1和电容C3，所述能量回收电路包括电感L1、MOS管Q1和二极管D2；所述MOS管Q2的漏极和二极管D2的负极均与直流电VCC连接，MOS管Q2的源极和电感L的一端均与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极、电容C3的一端和MOS管Q1的漏极均与电容C2的一端连接，MOS管Q1的源极、电感L1的一端均与二极管D2的正极连接，电感L的另一端、电感L1的另一端和电容C3的另一端均接地；MOS管Q1的栅极和MOS管Q2的栅极均连接一调制信号输出端。同样的，本实施例的原理和改造步骤可参照实施例一。本实施例是基于BUCK-BOOST电源改造为数字功放。

实施例五：

参见图10，本实施例的开关电源电路为半桥型隔离开关电源电路，该半桥型隔离开关电源电路的输入端连接调整信号输出端，半桥型隔离开关电源电路的输出端连接能量回收电路。调制信号输出端来自于声频源信号电路。本实施例还包括声频源信号电路，所述开关电源电路包括控制芯片U1、变压器T1、变压器T2、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、电感L1、二极管D1至D5、电容C3和电容C4；

所述控制芯片U1的第一输出端14和变压器T1的初级线圈的一端均与二极管D1的正极连接，控制芯片U1的第二输出端11和变压器T1的初级线圈的另一端均与二极管D2的正极连接，二极管D1的负极和二极管D2的负极均与MOS管Q3的栅极连接；变压器T1的第一次级线圈的一端连接MOS管Q1的栅极，变压器T1的第一次级线圈的另一端、MOS管Q1的源极和MOS管Q2的漏极均与变压器T2的初级线圈的一端连接；变压器T1的第二次级线圈的一端连接MOS管Q2的栅极，变压器T1的第二次级线圈的另一端和MOS管Q2的源极均接地；MOS管Q1的漏极和电容C1的一端均接直流电VCC；电容C1的另一端、变压器T2的初级线圈的另一端均与电容C3的一端连接，电容C3的另一端接地；变压器T2的第一次级线圈的一端连接二极管D3的正极，变压器T2的第二次级线圈的一端连接二极管D4的正极，变压器T2的第一次级线圈的另一端和第二次级线圈的另一端均接地，二极管D3的负极、二极管D4的负极、二极管D5的正极和电感L1的一端均与MOS管Q3的漏极连接，电感L1的另一端和电容C4的一端均与电容C2的一端连接，MOS管Q3的源极和电容C4的另一端均接地；二极管D5的负极连接能量回收电路；声频源信号电路的一端连接电感L1的另一端，另一端连接控制芯片U1的电容启动端8。

在本实施例中，控制芯片U1的型号优选为SG3525A。对控制芯片U1的使用为现有技术，在百度文库有对该型号的芯片详细介绍。其第一输出端14和第二输出端11为两路互补输出端，电容启动端为软启动电容接入端。

本实施例实际上是对隔离开关电源的改造，以半桥型隔离开关电源为例改造成数字功放。声频源信号电路为图10中的运算IC1A、电阻R24、电阻R25、电阻26、电容C20和声频源组成，连接关系具体参见附图10。

声频源信号被调制在周期性的高频载波信号上，进行脉宽调制。T1为变压器，初级线圈和次级线圈相互磁耦合，经声频源信号调制的高频信号经过逻辑电路，形成互补的高频调制信号供給T1变压器初级线圈，耦合至次级电路上。MOS管Q1开通，MOS管Q2关断，此时变压器T2的初级线圈两端所加的电压为主电压的一半，同时能量由初级向次级边传递。MOS管Q1关断，MOS管Q2关断，电路处于死区时间，此时变压器次级两个绕组由于整流二极管两个管子同时续流而处于短路状态。此时后面的能量回收模块将工作。MOS管Q1断开，MOS管Q2开通。此时变压器T2初级线圈两端所加的电压为主电压的一半，同时能量由初级向次级传递。次级两个二极管完成换流。

隔离开关电源由于两个电容C1和电容C3的连结点电位是随MOS管Q1和MOS管Q2的导通情况而浮动的，所以能自动平衡每个晶体管开关的伏秒值。当MOS管Q1和MOS管Q2中有一个管出现关断延时，就会出现不平衡的波形驱动。不平衡的波形驱动会发生偏磁现象，这种结果会出现降低转换效率更严重使晶体管烧毁而炸机。一般解决办法是在变压器T2初级串一个电容，将不平衡的伏秒值滤去，达到消磁目的。

根据磁通变换，变压器T2将调制脉冲信号由初级耦合到次级，变压器的初级和次级线圈高度耦合，电流双向流动，从而实现双向能量循环。

变压器T2次级线圈电路的整流电路是有分离二极管（肖特基二极管或者快恢复二极管）组成，保证电流仅从变压器T2的次级线圈的两端向电路输出端的正向流出，确保了整个循环中都有电流流动，而二极管将不管是正脉冲还是负脉冲都转换为正脉冲，结果是次级电路中载波频率加倍。

经过整流后的振幅信号，频率加倍经过LC低通滤波器滤除加载频率而得到放大的声频源信号波形，在经过二极管D3和二极管D4镇流后形成的直流脉冲对滤波电容C2充电。

而当MOS管Q1关断，MOS管Q2关断，二极管D1和二极管D2取值为低电平，经过逻辑电路驱动MOS管Q3导通，滤波电容C2充当电源给电感L1放电，形成由电容C2到电感L1的电流流向，MOS管Q3断开时，电感L1电流不能突变，经过续流二极管D5将电容C2的放电电荷传给能量回收电路回收给主电源，即直流电VCC。

从隔离电源改造数字功放中，变压器T2的次级电路可以等效为一个带隔离的BUCK拓扑开关电源，同三大基础开关电源改造数字功放等同，声频源信号的上升沿部分得到快速响应对滤波电容C2电容充电，下降沿部分受输出滤波电容和负载电阻的RC时间常数影响，需要能量回收模块对滤波电容C2电容放电并回传给给主电源，才能实现了滤波电容C2电容放电能量回收，是声频信号的下降部分完整呈现，从而实现音频信号整个波形在负载电阻上的流通，进而将开关电源转化为数字功放。

半桥隔离开关电源改造成数字功放的电路中由电阻做为介质组成反馈电路，将从LC低频滤波器端滤除载波还原放大出来的声频源信号取样，反馈给调制模块，从而减小电路整体失真和校正电路的整体平衡。

在本具体实施方式中，经过对三大基础类DC/DC开关电源和隔离开关电源改造数字功放的电路分析，改造后电路解决了传统数字功放开关电源和数字功放两个独立频率的电磁辐射，直接将开关电源电路改造为数字功放，使得整体电路可靠性提高，电磁兼容性能改善。

当然，本发明创造并不局限于将上述三大基础类DC/DC开关电源和隔离电源改造成数字功放的几种具体实施方法，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明的精神前提下还可以做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形和替换均包含下本申请专利要求包含的范围之内。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.直接式数字功放电路，其特征在于，包括开关电源电路、能量回收电路储能模块和扬声器，开关电源电路的一端连接直流电，储能模块的一端连接开关电源电路，储能模块的一端连接扬声器的正极，扬声器的负极接地；所述能量回收电路与储能模块的一端连接，且该能量回收电路还连接直流电；

其中，能量回收电路用于将来自储能模块的放电电荷反馈至直流电。

2.如权利要求1所述的直接式数字功放电路，其特征在于，所述开关电源电路为BUCK降压电路，所述能量回收电路为BOOST升压电路。

3.如权利要求2所述的直接式数字功放电路，其特征在于，所述BUCK降压电路包括第一开关管、续流二极管和低通滤波器，BOOST升压电路包括第二开关管、能量转换模块和隔离二极管；第一开关管的漏极、隔离二极管的负极均连接直流电；第一开关管的源极、续流二极管的负极和能量转换模块连接低通滤波器的一端；第二开关管的漏极、隔离二极管的正极连接能量转换模块；储能模块连接低通滤波器的另一端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极连接调制信号输出端。

4.如权利要求2所述的直接式数字功放电路，其特征在于，所述BUCK降压电路包括第一开关管、续流二极管和低通滤波器，BOOST升压电路包括第二开关管和隔离二极管；第一开关管的漏极和隔离二极管的负极均连接直流电；第一开关管的源极、续流二极管的负极、第二开关管的漏极、隔离二极管的正极均连接低通滤波器的一端，储能模块连接低通滤波器的另一端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极连接调制信号输出端。

5.如权利要求1所述的直接式数字功放电路，其特征在于，所述开关电源电路为BUCK-BOOST变换器，该BUCK-BOOST变换器由BUCK降压电路和BOOST升压电路串联而成，且该BUCK降压电路和BOOST升压电路共同一个开关管。

6.如权利要求5所述的直接式数字功放电路，其特征在于，该BUCK-BOOST变换器包括电感、开关管、二极管和电容；电感的一端与直流电连接，电感的另一端和开关管的漏极均与二极管的正极连接，二极管的负极、电容的一端和能量回收电路均与储能模块的一端连接；开关管的源极、电容的另一端均接地开关管的栅极连接一调制信号输出端。

7.如权利要求5所述的直接式数字功放电路，其特征在于，BUCK-BOOST变换器包括电感、开关管、二极管和电容，开关管的漏极连接直流电，开关管的源极和电感L的一端均与二极管的负极连接，二极管的正极、电容的一端和能量回收电路均与储能模块的一端连接，电容的另一端接地，开关管的栅极连接一调制信号输出端。

8.如权利要求1所述的直接式数字功放电路，其特征在于，所述开关电源电路为半桥型隔离开关电源电路，该半桥型隔离开关电源电路的输入端连接调制信号输出端，半桥型隔离开关电源电路的输出端连接能量回收电路。