CN110504925A - 动态升压控制输出的d类功率放大器和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态升压控制输出的D类功率放大器和系统。功放电源接收模块，用于接收升压电源信号，根据所述升压电源信号输出实际功放电压，并且包含8bit SAR模数转换器实时检测电源电压。数字处理模块，用于接收实际功放电压检测值和数字音频信号，根据实际输出电压检测值和数字音频信号，输出实际音频信号，根据实际音频信号，生成动态升压控制信号和缓冲时延音频信号，动态升压控制信号发送至与功放电源接收模块连接的外部升压模块，以控制外部升压模块动态输出升压电源信号，D类功率放大器模块，用于接收缓冲时延音频信号，对缓冲时延音频信号进行预设的模拟增益输出。本发明可以提高D类音频功放的效率，并且实现免失真音频输出。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种动态升压控制输出的D类功率放大器和系统。
背景技术
智能语音是全国首批人工智能应用领域的四大主要关注焦点之一，而智能音响作为人工智能语音交互落地的载体之一，也取得了井喷式发展。随着智能音箱产品市场的竞争日益激烈，除了人工智能生态系统的百家齐鸣，音响本身的差异化特点也逐步成为立于不败之地的关键：中高功率的双通道立体声、电池供电的便携式播放需求、以及避免播放过程中电压削顶失真的高品质音效，都成为了下一代智能音响发展趋势。
音频功率放大器作为音响系统的主要耗能器件，其工作效率是提高音响系统效率的核心。按照音频功率放大器工作方式，通常分为A类、AB类、B类、以及D类。其中，D类音频功率放大器放大元件工作在开关状态，极大程度上提高了工作效率。考虑到音频信号动态范围广的特点，传统D类音频功率放大器往往使用恒定的供电电压，因而导致音响在播放音量较低情况下，D类音频功率放大器效率会大大下降。
发明内容
基于此，有必要针对D类音频功放效率低的问题，提供一种动态升压控制输出的D类功率放大器和系统。
一种动态升压控制输出的D类功率放大器，包括：
功放电源接收模块，用于接收升压电源信号，根据所述升压电源信号输出实际功放电压，并且包含8bit SAR模数转换器实时检测电源电压。
数字处理模块，用于接收所述实际功放电压检测值和数字音频信号，根据所述实际输出电压和所述数字音频信号，输出实际音频信号，根据所述实际音频信号，生成动态升压控制信号和缓冲时延音频信号；所述动态升压控制信号发送至与所述功放电源接收模块连接的外部升压模块，以控制所述外部升压模块动态输出所述升压电源信号；
D类功率放大器模块，用于接收所述缓冲时延音频信号，对所述缓冲时延音频信号进行预设的模拟增益输出。
在其中一个实施例中，数字处理模块包括：自适应增益单元和动态均衡单元；所述自适应单元的输出端连接所述动态均衡单元的输入端；所述自适应增益单元用于接收所述实际功放电压检测值和数字音频信号，根据所述实际输出电压和所述数字音频信号，输出实际免失真音频信号；所述动态均衡单元用于根据所述实际音频信号，生成动态升压控制信号和缓冲时延音频信号。
在其中一个实施例中，所述自适应增益单元包括：自适应阈值器、比较器、衰减增益单元、alpha滤波器和乘法器；所述自适应阈值器、所述比较器、所述衰减增益单元、所述alpha滤波器和所述乘法器依次连接；所述自适应阈值器的输入端用于接收所述实际功放电压检测值，通过与预先设置的阈值比较输出所需数字音频信号压限阈值；所述比较器的两个输入端用于接收所述压限阈值和所述数字音频信号，输出音频比较结果；所述衰减增益单元接收音频比较结果，根据音频比较结果计算衰减增益值；所述alpha滤波器对输入信号滤波之后，将所述衰减增益值与所述数字音频信号输入所述乘法器，输出实际音频信号。
在其中一个实施例中，所述动态均衡单元包括：缓存时延单元、峰值检测单元、脉宽转换器；所述实际音频信号分别输入所述缓存时延单元和所述峰值检测单元；所述峰值检测单元检测所述实际音频信号的波峰幅值，并且具有可调节的峰值持续时间、提前/滞后裕度；所述脉宽转换器根据所述波峰幅值和所述峰值持续时间，生成脉宽调制形式的动态升压控制信号；所述动态升压控制信号发送至与所述功放电源接收模块连接的外部升压模块，以使所述外部升压模块动态调整输出的升压电源信号；所述缓冲时延单元对所述音频信号提供可调节的时间延迟，输出所述缓冲时延音频信号。
在其中一个实施例中，所述数字处理模块还包括：音频处理单元；所述音频处理单元用于对所述数字音频信号进行音效处理后输入所述自适应增益单元。
在其中一个实施例中，所述功放电源接收模块为boost电压模数转换器。
在其中一个实施例中，所述数字处理模块通过音频高精度模数转换器与所述D类功率放大器模块相连。
在其中一个实施例中，所述D类功率放大器模块为负反馈结构的D类音频功率放大器。
一种动态升压控制输出的D类功率放大系统，包括：上述的动态升压控制输出的D类功率放大器和升压模块；
所述动态升压控制输出的D类功率放大器接收所述升压模块的升压电源信号，所述动态升压控制输出的D类功率放大器根据所述升压电源信号，输出动态升压控制信号，以动态控制所述升压模块输出的所述升压电源信号的数值。
在其中一个实施例中，所述动态升压控制信号为PWM载波信号。
上述动态升压控制输出的D类功率放大器和系统，通过设置功放电源接收模块，可以检测到升压电源的实际功放电压，然后通过数字处理模块，可以对实际功放电压进行解析，从而计算得到动态升压控制信号和缓冲时延音频信号，实质上动态升压控制信号用以控制外部升压模块动态输出升压电源信号，实现免失真的音频输出，从而提高动态升压控制输出的D类功率放大器的效率。
附图说明
图1为一个实施例中动态升压控制输出的D类功率放大器的示意性结构图；
图2为一个实施例中自适应增益单元的示意性结构图；
图3为一个实施例中动态均衡单元的示意性结构图；
图4为一个实施例中音频处理单元的示意性结构图；
图5为一个实施例中动态升压控制输出的D类功率放大系统的示意性结构图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种动态升压控制输出的D类功率放大器的示意性结构图，包括：功放电源接收模块102、数字处理模块104和D 类功率放大器模块106。
功放电源接收模块102、数字处理模块104和D类功率放大器模块106依次连接，另外，功放电源接收模块102的输入端连接外部升压模块，数字处理模块 104的反馈输出端连接外部升压模块的控制端，D类功率放大器模块106的输出端连接发声单元。
其中，外部升压模块为D类功率放大器供电，外部升压模块包括一个控制端，外部升压模块生成的升压电源信号的大小由动态升压控制信号控制。数字处理模块104包括两个输出端，其中一个连接D类功率放大器模块106的输入端，另一个反馈输出端与外部升压模块的控制端连接。发声单元可以是智能音箱、高功率音箱等。
具体的，功放电源接收模块102接收升压电源信号，根据所述升压电源信号输出实际功放电压，并且包含8bit SAR模数转换器实时检测电源电压。数字处理模块104接收实际功放电压检测值和数字音频信号，从而对实际功放电压检测值和数字音频信号进行数字处理，生成动态升压控制信号和缓冲时延音频信号。D类功率放大器模块106，在接收到缓冲时延音频信号后，对缓冲时延音频信号进行预设的模拟增益输出。
上述动态升压控制输出的D类功率放大器，通过设置功放电源接收模块，可以检测到升压电源的实际功放电压，然后通过数字处理模块，可以对实际功放电压进行解析，从而计算得到动态升压控制信号和缓冲时延音频信号，实质上动态升压控制信号用以控制外部升压模块动态输出升压电源信号，实现免失真的音频输出，从而提高动态升压控制输出的D类功率放大器的效率。
在其中一个实施例中，数字处理模块包括：自适应增益单元和动态均衡单元；自适应单元的输出端连接动态均衡单元的输入端；自适应增益单元用于接收实际功放电压检测值和数字音频信号，根据实际输出电压检测值和数字音频信号，输出实际音频信号，动态均衡单元用于根据实际音频信号，生成动态升压控制信号和缓冲时延音频信号。
在一个具体的实施例中，如图2所示，提供一种自适应增益单元的示意性结构图，包括：自适应阈值器202、比较器204、衰减增益单元206、alpha滤波器208和乘法器210。
自适应阈值器202、比较器204、衰减增益单元206、alpha滤波器208和乘法器210依次连接，自适应阈值器202的输入端用于接收实际功放电压检测值，通过与预先设置的增益阈值比较输出所需数字音频信号压限阈值。比较器 204的两个输入端用于接收所述压限阈值和数字音频信号，输出音频比较结果。衰减增益单元206接收音频比较结果，根据音频比较结果计算衰减增益值。alpha 滤波器208对输入信号滤波之后，将衰减增益值与数字音频信号输入乘法器210，输出实际音频信号。
本实施例中，自适应阈值器202可以根据用户设置，自适应的确定增益阈值。然后通过音频比较，可以计算出衰减值，通过与数字音频信号的乘积，即可以输出实际音频信号，本实施例的处理，可以解决功放电源接收模块输出不精准的条件下，自适应的调整内部增益，从而有效的避免输入数字音频信号的削波失真。
在一个具体实施例中，自适应阈值器202中包括外部接口，该外部接口可以写入用户设置的增益阈值，另外，其中的一个输入接口接收到实际功放电压检测值，从而可以通过最小值比较，输出所需数字音频信号压限阈值，实质上，根据实际输出电压计算数字处理模块的所需自适应增益。
在其中一个实施例中，如图3所示，提供一种动态均衡单元的示意性结构图，包括：缓存时延单元302、峰值检测单元304和脉宽转换器306。
在连接关系上，峰值检测单元304和脉宽转换器306相连，缓存时延单元 302和峰值检测单元304的输入信号相同。
具体的，实际音频信号分别输入缓存时延单元302和峰值检测单元304。峰值检测单元304检测所述实际音频信号的波峰幅值，并且具有可调节的峰值持续时间、提前/滞后裕度。脉宽转换器306根据波峰幅值和峰值持续时间，生成脉宽调制形式的动态升压控制信号。缓冲时延单元对对所述音频信号提供可调节的时间延迟，输出缓冲时延音频信号。
本实施例中，通过对实际音频信号进行波形检测，从而根据波形检测得到的波峰幅值，提供可调节的峰值持续时间、提前/滞后裕度，可以生成脉宽调制形式的动态升压控制信号，从而另一个角度，利用缓冲时延单元，输出缓冲时延音频信号，提供动态升压检测的数据缓存时间，可以有效的避免电压削波失真。
在又一个实施例中，动态均衡单元还包括：信号处理单元，信号处理单元的输出端与峰值检测单元的输入端连接，信号处理单元对实际音频信号取绝对值后，取双通道音频的最大值，然后输入给峰值检测单元，峰值检测单元可以根据信号处理单元输出的结果，检测波峰幅值和峰值持续时间。
对于脉宽形式的动态升压控制信号，在其中一个实施例中，设置了384kHz PWM的8档动态升压控制信号，具体如表1所示：
表1 8档动态升压控制信号
| 档数 | Hex格式PWM信号 |
| 1 | 0101 |
| 2 | 0303 |
| 3 | 0707 |
| 4 | 0F0F |
| 5 | 1F1F |
| 6 | 3F3F |
| 7 | 7F7F |
| 8 | FFFF |
在其中一个实施例中，数字处理模块还包括：音频处理单元，音频处理单元用于对数字音频信号进行音效处理后输入自适应增益单元。
本实施例可以给用户提供个性化的需求，对输入的数字音频信号进行个性化处理。
具体的，如图4所示，提供了一种音频处理单元的示意性结构图，包括：混合器402、音量控制器404和均衡器406。混合器402、音量控制器404和均衡器406依次连接，混合器402、音量控制器404和均衡器406均是两通道音频信号输入，可以完成对音频信号的音效处理。
在一个具体实施例中，功放电源接收模块为模数转换器。将输入的模拟信号转化为数字信号输入。具体可以是8bit SAR ADC结构，可以实时检测升压电源信号。
在一个具体实施例中，数字处理模块通过音频高精度模数转换器与D类功率放大器模块相连，从而将模拟信号转化为D类功率放大器模块的数字输入。音频高精度模数转换器采用Sigma-Delta结构，实现了高信噪比的音频信号输出。
在一个具体实施例中，D类功率放大器模块为负反馈结构的D类音频功率放大器。通过负反馈结构，可以有效地抑制音频带内噪声以及电源干扰，并且实现恒定地模拟增益，与实际功放电压无关。
在一个实施例中，如图5所示，提供一种动态升压控制输出的D类功率放大系统的示意性结构图，包括上述动态升压控制输出的D类功率放大器502和升压模块504。
动态升压控制输出的D类功率放大器接收升压模块的升压电源信号，动态升压控制输出的D类功率放大器根据升压电源信号，输出动态升压控制信号，以动态控制升压模块输出的所述升压电源信号的数值。
本实施例中，通过计算并反馈动态升压控制信号，可以形成闭环结构，从而实现动态生成升压电源信号，调整实时功放电压，调整音频增益避免失真。
值得说明的是，由于数字处理模块接收的是两通道的音频信号，因此数字处理模块可以对两通道的音频信号进行数字处理，例如动态检测两通道音频中左右声道的最大输出，以此确定升压模块生成的升压电源信号。
在其中一个实施例中，动态升压控制信号为PWM载波信号，因此可以简单的配合升压模块，提高升压模块的适配性，另外，通过构建升压模块，可以同时避免单一芯片的热损耗问题，提高中高功率的音频输出效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种动态升压控制输出的D类功率放大器，其特征在于，包括：
功放电源接收模块，用于接收升压电源信号，根据所述升压电源信号输出实际功放电压，并且包含8bit SAR模数转换器实时检测电源电压；
数字处理模块，用于接收所述实际功放电压检测值和数字音频信号，根据所述实际输出电压和所述数字音频信号，输出实际音频信号，根据所述实际音频信号，生成动态升压控制信号和缓冲时延音频信号；所述动态升压控制信号发送至与所述功放电源接收模块连接的外部升压模块，以控制所述外部升压模块动态输出所述升压电源信号；
D类功率放大器模块，用于接收所述缓冲时延音频信号，对所述缓冲时延音频信号进行预设的模拟增益输出。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，数字处理模块包括：自适应增益单元和动态均衡单元；所述自适应单元的输出端连接所述动态均衡单元的输入端；
所述自适应增益单元用于接收所述实际功放电压检测值和数字音频信号，根据所述实际输出电压和所述数字音频信号，输出实际免失真音频信号；
所述动态均衡单元用于根据所述实际音频信号，生成动态升压控制信号和缓冲时延音频信号。
3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述自适应增益单元包括：自适应阈值器、比较器、衰减增益单元、alpha滤波器和乘法器；所述自适应阈值器、所述比较器、所述衰减增益单元、所述alpha滤波器和所述乘法器依次连接；
所述自适应阈值器的输入端用于接收所述实际功放电压检测值，通过与预先设置的增益阈值比较输出所需数字音频信号压限阈值；
所述比较器的两个输入端用于接收所述压限阈值和所述数字音频信号，输出音频比较结果；
所述衰减增益单元接收音频比较结果，根据音频比较结果计算衰减增益值；
所述alpha滤波器对输入信号滤波之后，将所述衰减增益值与所述数字音频信号输入所述乘法器，输出实际音频信号。
4.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述动态均衡单元包括：缓存时延单元、峰值检测单元和脉宽转换器；
所述实际音频信号分别输入所述缓存时延单元和所述峰值检测单元；
所述峰值检测单元检测所述实际音频信号的波峰幅值，并且具有可调节的峰值持续时间、提前/滞后裕度；
所述脉宽转换器根据所述波峰幅值和所述峰值持续时间，生成脉宽调制形式的动态升压控制信号；
所述缓冲时延单元对所述音频信号提供可调节的时间延迟，输出所述缓冲时延音频信号。
5.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述数字处理模块还包括：音频处理单元；
所述音频处理单元用于对所述数字音频信号进行音效处理后输入所述自适应增益单元。
6.根据权利要求1至5任一项所述的放大器，其特征在于，所述功放电源接收模块为boost电压模数转换器。
7.根据权利要求1至5任一项所述的放大器，其特征在于，所述数字处理模块通过音频高精度模数转换器与所述D类功率放大器模块相连。
8.根据权利要求1至5任一项所述的放大器，其特征在于，所述D类功率放大器模块为负反馈结构的D类音频功率放大器。
9.一种动态升压控制输出的D类功率放大系统，其特征在于，包括：权利要求1至8任一项所述的动态升压控制输出的D类功率放大器和升压模块；
所述动态升压控制输出的D类功率放大器接收所述升压模块的升压电源信号，所述动态升压控制输出的D类功率放大器根据所述升压电源信号，输出动态升压控制信号，以动态控制所述升压模块输出的所述升压电源信号的数值。
10.根据权利要求9所述的D类功率放大系统，其特征在于，所述动态升压控制信号为PWM载波信号。
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