CN111371419A - 数字功放电路结构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字功放电路结构，包括数字包络检测电路模块，用于检测音频信号的幅值；数模转换模块，用于将数字信号转换为模拟信号；反馈控制电路模块，用于对信号进行反馈和调节；DC‑DC电路模块，用于进行电压转换；功放电路模块，所述的功放电路模块的输入端与所述的DC‑DC电路模块的输出端相连接，用于调节信号大小的动态变化。本发明还涉及一种基于该电路结构实现省电功能的方法。采用了该电路结构和方法，数字功放由于是数字电路，一致性比较好，调试方便。整体方案比较合理、简单、容易实现，还可以通过增加通道延迟模块，调节电源电压和输出信号的同步，保证不因瞬间音量变化带来失真。

Description

数字功放电路结构和方法
技术领域
本发明涉及音频处理领域，尤其涉及电路结构改进的音频处理领域，具体是指一种数字功放电路结构和方法。
背景技术
D类功放电源电压越低，相同输出功率条件下的效率就越高，也就意味着更省电。通常功放所连接的电源电压是固定不变的，因而一旦选定了电源电压、负载，效率的高低就取决于输出功率的大小。输出功率越大，效率也就越高。因此，在现有电源电压固定不变的情况下，输出功率不变，D类功放的效率就不会提高。如果要提升效率，在功放电路已经选定的情况下，就需要降低电源电压来实现。现有技术的省电策略是，根据输入音频信号的大小，动态的调整电源电压，使得输出电压始终略低于电源电压。理想情况下，这样既不会引起削波失真，又能将效率做到最大化。然而现有技术需要比较复杂的设计才能实现上述方式电源电压的降低，复杂度、成本偏高、一致性差，还存在电源电压与输出信号不能保持很好同步，音频信号瞬间变大容易引起削波失真的问题。
一种现有技术，需要将音频信号源接入专用电路或器件组合进行解析，得到与音频信号包络大小成正比的信号，再控制DC-DC电路的电压输出，从而实现功放的电源电压随音频信号大小作相应的改变。
一种现有技术：《一种音频自适应升压电路、BOOST芯片及音频设备》
现有技术缺点在于实现该功能需要较多额外的电路模块用于解析音频信号源、得到与音频信号包络大小一致的模拟信号，再控制DC-DC电路的输出，供给功放模块作为电源电压。需要额外增加电路，可能还包括封装，至少需要对原有设计进行比较大的设计改动才可以实现。如果考虑到电源电压与输出信号同步的问题，还需要做更多、更复杂的设计才能很好的实现。此外，对于模拟电路来说，一致性通常也比数字电路要差很多。
现有技术的实施例如图2所示，说明如下：
1)该实施例中用于控制DC-DC的FB端口的线路是用模拟电路搭建，需要的结构是左、右声道信号运放线路(取最大值)、信号包络提取运放线路、电压转换电流运放线路，共三个模块，全部采用模拟线路实现。
2)采用的方法是：左、右声道模拟输入经过运算放大后取其中的最大值，然后将信号包络(峰值包络)检出，转换为电流信号去改变FB端的电压值。包络电压值低的时候，电流小，FB端电压增大，输出电压按电阻比例减小；包络电压值大的时候，电流大，FB端电压减小，输出电压按电阻比例增大。正好对应信号小，电压低，信号大，电压高。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足电路简单、省电、成本低的数字功放电路结构和方法。
为了实现上述目的，本发明的数字功放电路结构和方法如下：
该数字功放电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括：
数字包络检测电路模块，用于检测音频信号的幅值；
数模转换模块，所述的数模转换模块的输入端与所述的数字包络检测电路模块的输出端相连接，用于将数字信号转换为模拟信号；
反馈控制电路模块，所述的反馈控制电路模块的输入端与所述的数模转换模块的输出端相连接，用于对信号进行反馈和调节；
DC-DC电路模块，所述的DC-DC电路模块的输入端与所述的反馈控制电路的输出端相连接，用于进行电压转换；
功放电路模块，所述的功放电路模块的输入端与所述的DC-DC电路模块的输出端相连接，用于调节信号大小的动态变化；
所述的数模转换模块包括：
PCM转PWM单元，所述的PCM转PWM单元的输入端与所述的数字包络检测电路模块的输出端相连接，用于将离散的数字信号转变为连续的模拟信号；
低通滤波电路单元，所述的低通滤波电路单元的输入端与所述的PCM转PWM单元的输出端相连接，所述的低通滤波电路单元的输出端均与所述的反馈控制电路模块的输入端和功放电路模块的输入端相连接，用于滤除信号的高频分量。
较佳地，所述的电路结构还包括通道延迟模块，所述的通道延迟模块的输入端与数字音频输入信号相连接，所述的通道延迟模块的输出端与所述的数模转换模块的输入端相连接，用于调节功放电源电压和输出电压的相位关系。
较佳地，所述的电路结构还包括模拟包络检测电路，所述的模拟包络检测电路的输入端与所述的数模转换模块的输出端相连接，所述的模拟包络检测电路的输出端与所述的反馈控制电路的输入端相连接。
较佳地，所述的低通滤波电路包括RC滤波电、LC滤波电路、一阶滤波电路和多阶滤波电路。
该基于上述的电路结构实现省电功能的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)所述的数字包络检测电路模块检测数字音频信号的幅值；
(2)所述的数模转换模块将所述的数字信号转换为模拟信号；
(3)所述的电路结构对信号进行电压转换；
(4)所述的DC-DC电路调节DC-DC的反馈端并控制DC-DC输出。
较佳地，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)所述的通道延迟模块选择合适的延迟；
(1.2)所述的数字包络检测电路模块检测数字音频信号的幅值。
较佳地，所述的数模转换模块包括PCM转PWM单元和低通滤波电路单元，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)所述的PCM转PWM单元将幅值的数字信号转换为PWM信号；
(2.2)所述的低通滤波电路滤除高频分量。
采用了本发明的数字功放电路结构和方法，利用数字功放本身数字音频信号处理带有的音频信号幅度检测功能模块和PCM-PWM功能模块，只需要外加低通滤波电路，将输出连接到DC-DC电路的FB端，就可以实现上述动态省电功能。保护点是音频信号幅度检测后利用PCM转PWM功能，再通过RC滤波器(不限于此方式)转换成可以控制DC-DC电路反馈端的电压信号。该信号反映了当前音频信号的幅度，同时用于控制DC-DC电路的反馈端。另外，数字功放由于是数字电路，一致性比较好，调试方便。整体方案比较合理、简单、容易实现，还可以通过增加通道延迟模块，调节电源电压和输出信号的同步，保证不因瞬间音量变化带来失真。
附图说明
图1为现有技术的电路示意图。
图2为现有技术的实施例原理图。
图3为现有技术的反馈控制电路的实施例的连接图。
图4为本发明的数字功放电路结构的电路结构图。
图5为本发明的数字功放的方法的流程图。
图6为本发明的数字功放电路结构的低通滤波电路连接到DC-DC电路的连接图。
图7为本发明的数字功放电路结构的动态省电功能的效果图。
图8为本发明的数字功放电路结构的实施例1的电路结构图。
图9为本发明的数字功放电路结构的实施例1的方法流程图。
图10为本发明的数字功放电路结构的实施例2的电路结构图。
图11为本发明的数字功放电路结构的实施例2的方法流程图。
图12为本发明的数字功放电路结构的实施例3的电路结构图。
图13为本发明的数字功放电路结构的实施例3的方法流程图。
图14为本发明的数字功放电路结构的实施例4的电路结构图。
图15为本发明的数字功放电路结构的实施例4的方法流程图。
图16为本发明的数字功放电路结构的实施例5的电路结构图。
图17为本发明的数字功放电路结构的实施例5的方法流程图。
图18为本发明的数字功放电路结构的实施例6的电路结构图。
图19为本发明的数字功放电路结构的实施例6的方法流程图。
图20为本发明的数字功放电路结构的实施例7的电路结构图。
图21为本发明的数字功放电路结构的实施例7的方法流程图。
图22为本发明的数字功放电路结构的实施例8的电路结构图。
图23为本发明的数字功放电路结构的实施例8的方法流程图。
图24为本发明的数字功放电路结构的反馈控制电路的实施例的连接图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该数字功放的电路结构，其中，所述的电路结构包括：
数字包络检测电路模块，用于检测音频信号的幅值；
数模转换模块，所述的数模转换模块的输入端与所述的数字包络检测电路模块的输出端相连接，用于将数字信号转换为模拟信号；
反馈控制电路模块，所述的反馈控制电路模块的输入端与所述的数模转换模块的输出端相连接，用于对信号进行反馈和调节；
DC-DC电路模块，所述的DC-DC电路模块的输入端与所述的反馈控制电路的输出端相连接，用于进行电压转换；
功放电路模块，所述的功放电路模块的输入端与所述的DC-DC电路模块的输出端相连接，用于调节信号大小的动态变化；
所述的数模转换模块包括：
PCM转PWM单元，所述的PCM转PWM单元的输入端与所述的数字包络检测电路模块的输出端相连接，用于将离散的数字信号转变为连续的模拟信号；
低通滤波电路单元，所述的低通滤波电路单元的输入端与所述的PCM转PWM单元的输出端相连接，所述的低通滤波电路单元的输出端均与所述的反馈控制电路模块的输入端和功放电路模块的输入端相连接，用于滤除信号的高频分量。
作为本发明的优选实施方式，所述的电路结构还包括通道延迟模块，所述的通道延迟模块的输入端与数字音频输入信号相连接，所述的通道延迟模块的输出端与所述的数模转换模块的输入端相连接，用于调节功放电源电压和输出电压的相位关系。
作为本发明的优选实施方式，所述的电路结构还包括模拟包络检测电路，所述的模拟包络检测电路的输入端与所述的数模转换模块的输出端相连接，所述的模拟包络检测电路的输出端与所述的反馈控制电路的输入端相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的低通滤波电路包括RC滤波电、LC滤波电路、一阶滤波电路和多阶滤波电路。
该基于上述的电路结构实现省电功能的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)所述的数字包络检测电路模块检测数字音频信号的幅值；
(1.1)所述的通道延迟模块选择合适的延迟；
(1.2)所述的数字包络检测电路模块检测数字音频信号的幅值；
(2)所述的数模转换模块将所述的数字信号转换为模拟信号；
(2.1)所述的PCM转PWM单元将幅值的数字信号转换为PWM信号；
(2.2)所述的低通滤波电路滤除高频分量；
(3)所述的电路结构对信号进行电压转换；
(4)所述的DC-DC电路调节DC-DC的反馈端并控制DC-DC输出。
本发明的具体实施方式中，本发明的技术方案基于数字功放电路，利用数字功放本身已经具备数字音频信号处理能力，不需要增加复杂的电路，就能实现音频信号大小的检测。只需要将检测结果通过PCM-PWM转换(这也是数字功放基本模块)，而后滤波，就能提供给DC-DC电路反馈端所需的控制信号，从而实现功放电源电压随音频信号大小动态变化，从而提升效率、省电的功能。需要说明的是，虽然检测音频信号包络的思想类似，但是数字功放处理的是数字信号，其检测方式、产生信号输出的方式，所需的方法和结构是截然不同的。并且，有益的效果除了简单、成本低、一致性好之外，还很容易做到电源电压与输出电压的同步，因为数字功放延迟设计很容易实现，也很容易调试，因而利用该方法和结构性能更好。
电路结构基于方法，图4和图5所示幅值检测模块、通道延迟模块、PCM转PWM模块属于数字功放的数字处理模块。首先数字音频信号通过幅值检测模块，可以得到音频信号大小的信息，通过PCM转PWM模块，从离散的数字信号变为连续的模拟信号，经过低通滤波电路，将高频分量滤除，就可以得到适用于控制DC-DC电路反馈端的信号。DC-DC电路的输出就是功放模块的电源电压，这样电源电压就随着音频信号大小的变化相应变化，从而实现做功效率的最大化。这里低通滤波电路，可以是RC滤波，也可以是LC滤波，可以是一阶滤波，也可以是多阶滤波。这个实施例中，PCM转PWM模块也同样用于处理数字音频信号本身，得到的PWM波经过低通滤波电路，就是功放模块的输入信号。但PWM输出也可以不经过RC滤波，直接输出到PWM输入的功放模块。此外，通道延迟模块不是必须，但是可以用来调节功放电源电压和输出电压的相位关系，从而达到完全同步的效果，避免音频信号瞬间的变化导致的失真问题。
低通滤波电路连接到DC-DC电路的一种简单的实施例如图6所示(包含但不限于这种实施方式)。
R1、R2、R3用于调节DC-DC电路输出电压与FB端输入信号的关系，用于设定输出电源电压的最大值、最小值等等。
本发明动态省电功能的效果示例如图7所示(包含但不限于这一种效果)，图中上面电源电压、下面音频信号，电源电压随着输入音频信号动态变化。
如何设定具体的电源电压随输入音频信号大小变化规律，可以通过幅值检测模块任意设置，这不同于模拟电路实现方式，设置的灵活性很高，成本很低，并且可以根据需要随时调整。调整方式可以通过I2C指令实施改变，也可以通过软件程序烧写来改变。
1、本专利申请可以采用多种方式具体的实施例来实现上述效果，并具备各自不同的有益效果。
以下实施例1～4没有采用数字包络检测结构，5-8均采用数字包络检测结构。
实施例1～4需要在数字信号处理完成后增加模拟的包络检测，这个步骤与现有技术是类似的，优点是可以通过增加通道延迟单元做到电源电压变化和音频信号同步变化，消除不同步带来的削波、失真等问题，缺点是还是需要和现有技术一样用到模拟包络检测电路；
实施例5～8在数字信号处理部分增加了数字包络检测电路，与现有技术具有本质区别，优点是不再需要模拟包络检查电路(该电路需要器件多，成本高，所需的电容器件值大不好集成)，而数字方式实现很简单，可以用软件方式调节，而且通过简单设计可以简化反馈控制电路的设计(比现有技术更简单，无需做电压到电流的转换，直接用电压控制电压)。此外，这些实施例同样还可以附带通道延迟模块。
1)实施例1的结构如图8所示，实施例1的结构对应的实施方法如图9所示
无通道延迟模块，包络检测电路、反馈控制电路和现有技术的结构一致，采用该实施例数字功放实现和现有技术在外围上是类似的。
2)实施例2的结构如图10所示，实施例1的结构对应的实施方法如图11所示
带通道延迟模块，其它的包络检测电路、反馈控制电路和现有技术的结构一致，采用该实施例数字功放实现和现有技术在外围上是类似的。优点是通道延迟模块可以优化电源电压和信号在功放电路端的同步变化问题。
3)实施例3的结构如图12所示，实施例1的结构对应的实施方法如图13所示
将实施例1的PCM转PWM模块和低通滤波电路用数模转换模块替代，其它和实施例1一致。
4)实施例4的结构如图14所示，实施例1的结构对应的实施方法如图15所示
将实施例2的PCM转PWM模块和低通滤波电路用数模转换模块替代，其它和实施例2一致。
5)实施例5的结构如图16所示，实施例1的结构对应的实施方法如图17所示
采用了数字包络检测电路，数字处理后不再需要模拟包络检测电路，两者相比显然本实施例结构成本更低、灵活度更高、性能更好，还使得反馈控制电路可以大大简化。
6)实施例6的结构如图18所示，实施例1的结构对应的实施方法如图19所示
采用了数字包络检测电路，数字处理后不再需要模拟包络检测电路，两者相比显然本实施例结构成本更低、灵活度更高、性能更好，还使得反馈控制电路可以大大简化。相比实施例5，增加了通道延迟模块。
7)实施例7的结构如图20所示，实施例1的结构对应的实施方法如图21所示
采用了数字包络检测电路，数字处理后不再需要模拟包络检测电路，两者相比显然本实施例结构成本更低、灵活度更高、性能更好，还使得反馈控制电路可以大大简化。相比实施例5，用数模转换模块取代了PCM转PWM模块、低通滤波电路。
8)实施例8的结构如图22所示，实施例1的结构对应的实施方法如图23所示
采用了数字包络检测电路，数字处理后不再需要模拟包络检测电路，两者相比显然本实施例结构成本更低、灵活度更高、性能更好，还使得反馈控制电路可以大大简化。相比实施例7，增加了通道延迟模块。
2、其它模块的结构说明
现有技术反馈控制电路的一种实施例如图3所示。
反馈控制电路的另一种实施例如图24所示(适用于实施例5～8，但不限于这一种结构)
采用了本发明的数字功放电路结构和方法，利用数字功放本身数字音频信号处理带有的音频信号幅度检测功能模块和PCM-PWM功能模块，只需要外加低通滤波电路，将输出连接到DC-DC电路的FB端，就可以实现上述动态省电功能。保护点是音频信号幅度检测后利用PCM转PWM功能，再通过RC滤波器(不限于此方式)转换成可以控制DC-DC电路反馈端的电压信号。该信号反映了当前音频信号的幅度，同时用于控制DC-DC电路的反馈端。另外，数字功放由于是数字电路，一致性比较好，调试方便。整体方案比较合理、简单、容易实现，还可以通过增加通道延迟模块，调节电源电压和输出信号的同步，保证不因瞬间音量变化带来的失真。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种数字功放电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括：
数字包络检测电路模块，用于检测音频信号的幅值；
数模转换模块，所述的数模转换模块的输入端与所述的数字包络检测电路模块的输出端相连接，用于将数字信号转换为模拟信号；
反馈控制电路模块，所述的反馈控制电路模块的输入端与所述的数模转换模块的输出端相连接，用于对信号进行反馈和调节；
DC-DC电路模块，所述的DC-DC电路模块的输入端与所述的反馈控制电路的输出端相连接，用于进行电压转换；
功放电路模块，所述的功放电路模块的输入端与所述的DC-DC电路模块的输出端相连接，用于调节信号大小的动态变化；
所述的数模转换模块包括：
PCM转PWM单元，所述的PCM转PWM单元的输入端与所述的数字包络检测电路模块的输出端相连接，用于将离散的数字信号转变为连续的模拟信号；
低通滤波电路单元，所述的低通滤波电路单元的输入端与所述的PCM转PWM单元的输出端相连接，所述的低通滤波电路单元的输出端均与所述的反馈控制电路模块的输入端和功放电路模块的输入端相连接，用于滤除信号的高频分量。
2.根据权利要求1所述的数字功放电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括通道延迟模块，所述的通道延迟模块的输入端与数字音频输入信号相连接，所述的通道延迟模块的输出端与所述的数模转换模块的输入端相连接，用于调节功放电源电压和输出电压的相位关系。
3.根据权利要求1至2中任一项的所述的数字功放电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括模拟包络检测电路，所述的模拟包络检测电路的输入端与所述的数模转换模块的输出端相连接，所述的模拟包络检测电路的输出端与所述的反馈控制电路的输入端相连接。
4.根据权利要求1所述的数字功放电路结构，其特征在于，所述的低通滤波电路包括RC滤波电、LC滤波电路、一阶滤波电路和多阶滤波电路。
5.一种基于权利要求1所述的电路结构实现省电功能的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)所述的数字包络检测电路模块检测数字音频信号的幅值；
(2)所述的数模转换模块将所述的数字信号转换为模拟信号；
(2.1)所述的PCM转PWM单元将幅值的数字信号转换为PWM信号；
(2.2)所述的低通滤波电路滤除高频分量
(3)所述的电路结构对信号进行电压转换；
(4)所述的DC-DC电路调节DC-DC的反馈端并控制DC-DC输出。
6.根据权利要求5所述的实现省电功能的方法，所述的电路结构还包括通道延迟模块，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)所述的通道延迟模块选择合适的延迟；
(1.2)所述的数字包络检测电路模块检测数字音频信号的幅值。
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