CN112398455B - 一种自适应功率放大器芯片及其自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自适应功率放大器芯片及其自适应控制方法,其控制方法主要包括：检测音频输入信号信息，识别所述音频输入信号的立体声模式和声道数量；根据所述音频输入信号的立体声模式和声道数量选择功率放大器芯片的工作模式；根据所述功率放大器芯片的工作模式调节所述功率放大器芯片的电路拓扑结构，使得所述功率放大器芯片具有与所述音频输入信号的声道数量相匹配的子通道；根据所述音频输入信号的声道数量和所述功率放大器芯片的工作模式为所述功率放大器芯片的各个子通道分配源输入信号；根据所述源输入信号输出模拟驱动信号。本发明通过功率放大器芯片电路拓扑结构的切换，实现了功率放大器芯片的多声道切换。
Description
技术领域
本发明涉及音频设备的控制技术领域，尤其涉及一种自适应功率放大器芯片及其自适应控制方法。
背景技术
功率放大器，简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能够产生用以驱动某一负载(例如扬声器)的大功率输出的放大器。功率放大器常被应用在音响系统中，其将音频设备的输入信号组织、协调成为扬声器的驱动信号，其在某种程度上掌控着整个音响系统的输出音质。传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：首先，利用高精度数字模拟转换器将数字语音信号转换为模拟语音信号的；然后，利用模拟功率放大器进行模拟信号放大。常见的模拟功率放大器有A类放大器、B类放大器、AB类放大器和C类放大器。其中A类放大器效率较低，晶体管功耗较大，其效率的理论最大值仅有25％且具有较大的非线性失真；B类放大器虽然效率较A类放大器有所提升，理论最大值可以达到78％，但其工作区间存在非线性区域，交越失真较大；AB类放大器实际上是A类放大器和B类放大器的结合，其在B类放大器的基础上增加偏置电流来客服交越失真，但其在工作状态开始时，失真将会急剧上升，且效率低于B类放大器，一般不能高于70％；C类放大器是器件导通时间小于50％的一类放大器，其失真过大，不适用于音频功放。
相较于模拟功率放大器，数字功率放大器则可直接将数字语音信号作为输入信号，更加适用于数字化音频传输手段。D类放大器即为一种常用的数字功率放大器，是一种将模拟音频信号或PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)数字信号输入转换为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲编码调制)或PDM(Pulse Density Modulation，脉冲密度调制)信号，然后通过PWM或PDM信号来控制大功率开关器件的通断继而控制音频功率放大器。D类放大器通常能够达到85％以上的效率，具有体积小，失真低，频率响应曲线好的有点，是音频播放系统功率放大器的较好选择。
现有的功率放大器在应对多声道音频播放时，每个声道都需要对应一条独立设计或封装的功率放大器线路，功率放大器的总体封装体积和成本较大。
发明内容
针对现有技术中的上述缺点，本发明提供一种自适应功率放大器芯片的控制方法，包括：步骤S110：检测音频输入信号信息，识别所述音频输入信号的立体声模式和声道数量；步骤S120：根据所述音频输入信号的立体声模式和声道数量选择功率放大器芯片的工作模式；步骤S130：根据所述功率放大器芯片的工作模式调节所述功率放大器芯片的电路拓扑结构，使得所述功率放大器芯片具有与所述音频输入信号的声道数量相匹配的子通道；步骤S140：根据所述音频输入信号的声道数量和所述功率放大器芯片的工作模式为所述功率放大器芯片的各个子通道分配源输入信号；步骤S150：根据所述源输入信号输出模拟驱动信号。
优选地，所述控制方法还包括温度控制步骤，所述温度控制步骤监测所述功率放大器芯片的各个子通道的工作温度，使所述工作温度不超过热关断安全阈值。
优选地，当子通道的工作温度超过热关断安全阈值时，将该子通道的源输入信号切换至空闲的子通道，并关断该子通道的输出级。
优选地，所述控制方法还包括音量调节步骤，所述音量调节步骤根据心理声学主观效应以及所述工作温度的升温历史设置子通道的输出功率；当子通道的工作温度超过热关断安全阈值的80％时，执行所述音量调节步骤，减少扬声器音量降低对使用者收听效果的影响，保证子通道的工作温度不超过热关断阈值。
优选地，所述控制方法还包括延时启动步骤，所述延时启动步骤在所述功率放大器芯片开始接收所述音频输入信号时，在一个延迟时间后接通各所述子通道输出极与扬声器之间的通路。
优选地，所述延迟时间为所述自适应功率放大器芯片的隔直电容被充电到偏置点所消耗的时间。
优选地，所述延迟时间为所述功率放大器芯片执行步骤S110至步骤S140所消耗的时间。
本发明还提供了一种自适应功率放大器芯片，至少由两组全桥放大拓扑结构D类放大器组成，其还包括：识别单元，用于检测音频输入信号信息，识别所述音频输入信号的立体声模式和声道数量；选择单元，根据所述音频输入信号的立体声模式和声道数量选择功率放大器芯片的工作模式；调节单元，根据所述功率放大器芯片的工作模式调节所述功率放大器芯片的电路拓扑结构，使得所述功率放大器芯片具有与所述音频输入信号的声道数量相匹配的子通道；分配单元，根据所述音频输入信号的声道数量和所述功率放大器芯片的工作模式为所述功率放大器芯片的各个子通道分配源输入信号；子通道电路拓扑结构，根据所述源输入信号输出模拟驱动信号。
优选地，当所述音频输入信号为双声道输入信号时，所述子通道拓扑结构的数量为二，分别为两组全桥放大拓扑结构D类放大器。
优选地，当所述音频输入信号为4.1声道输入信号时，所述子通道拓扑结构的数量为五，分别为四组半桥放大拓扑结构D类放大器和一组全桥放大拓扑结构D类放大器；或者，分别为五组半桥放大拓扑结构D类放大器。
优选地，所述四组半桥放大拓扑结构D类放大器由两组全桥放大拓扑结构D类放大器改组而成。
优选地，所述调节单元用于将一组所述全桥放大拓扑结构D类放大器切换为两组所述半桥放大拓扑结构D类放大器；或者，将两组相应的半桥放大拓扑结构D类放大器切换为一组全桥放大拓扑结构D类放大器。
优选地，所述功率放大器芯片还包括延时启动单元，用于在所述功率放大器芯片开始接收所述音频输入信号时，在一个延迟时间后接通各所述子通道输出极与扬声器之间的通路。
优选地，所述延时启动单元为延时启动电路。
优选地，所述功率放大器芯片采用层叠式SIP封装，各分层子封装与基板所包覆空间的内壁涂覆电磁吸收材料涂层。
本发明通过D类放大器的全桥与半桥拓扑结构切换，在双通道应用场合最大限度地维持了全桥放大拓扑结构的低噪特性，又可以在不拓展元器件数量的条件下在多通道应用场合实现多通道模拟或数字音频信号的调制，兼顾了功率放大器芯片的体积、成本与输出品质。
附图说明
图1为本发明实施例自适应功率放大器芯片控制方法的流程图。
图2为本发明实施例自适应功率放大器芯片的结构示意图。
图3为本发明实施例自适应放大器芯片的一组全桥放大拓扑结构D类放大器的电路图一。
图4为本发明实施例自适应放大器芯片的一组全桥放大拓扑结构D类放大器的电路图二。
其中，功率放大器芯片-100、识别单元-110、选择单元-120、调节单元-130、分配单元-140、子通道电路拓扑结构-150；音频输入信号-21、源输入信号-211、模拟驱动信号-212、立体声模式-213、声道数量-214、工作模式-22。
M1至M4-金属氧化物半导体场效应晶体管，S1至S7-控制开关，L1、L2-电感，C1、C2电容,A1、A2-反相器，R1、R2-扬声器，X1、X2-电路节点，VDD-电源。
具体实施方式
为了能够使得单一功率放大器芯片在支持多声道输出的同时兼顾芯片体积和制造成本，本发明所提供的自适应功率放大器芯片及其自适应控制方法是通过以下技术方案实现的：
实施例1：
请参阅图1，其中，图1为本发明实施例自适应功率放大器芯片控制方法的流程图。
本实施例提供一种自适应功率放大器芯片的控制方法，包括：
步骤S110：检测音频输入信号信息，识别音频输入信号的立体声模式和声道数量；步骤S120：根据音频输入信号的立体声模式和声道数量选择功率放大器芯片的工作模式；步骤S130：根据功率放大器芯片的工作模式调节所述功率放大器芯片的电路拓扑结构，使得所述功率放大器芯片具有与音频输入信号的声道数量相匹配的子通道；步骤S140：根据音频输入信号的声道数量和功率放大器芯片的工作模式为所述功率放大器芯片的各个子通道分配源输入信号；步骤S150：根据源输入信号输出模拟驱动信号。
具体地，当功率放大器芯片接收音频输入信号信息时，其可通过音频信号的文件类型索引信息或声道索引信息识别音频输入信号的立体声模式和声道数量，例如，单声道或双声道音频输入信号。
当音频输入信号为单声道信号时，将功率放大器芯片设置为单声道工作模式，其将采用一个全桥放大拓扑结构D类放大器对单声道音频输入信号进行处理；当音频输入信号为双声道信号时，将功率放大器芯片设置为双声道工作模式，通过逻辑开关或选择开关电路改变放大器电路的拓扑结构，将其设置为与双声道音频输入信号相匹配的两个半桥放大拓扑结构D类放大器，即功率放大器芯片的两个子通道，并将双声道音频输入信号的左声道音频输入信号和右声道音频输入信号分别分配给上述两个子通道，最终完成对源输入信号的处理和输出。
此外，为了确保功率放大器芯片的工作状态保持稳定，本实施例所提供的自适应功率放大器芯片的控制方法还包括温度控制步骤，该温度控制步骤监测功率放大器芯片各个子通道的工作温度，使其工作温度不超过热关断安全阈值。
具体地，当子通道的工作温度超过热关断安全阈值时，将该子通道的源输入信号切换至空闲的子通道，并关断该子通道的输出级。
特别地，本实施例所提供的自适应功率放大器芯片的控制方法还包括音量调节步骤，该音量调节步骤根据心理声学主观效应以及所述工作温度的升温历史设置子通道的输出功率，对音频的高频成分在输出功率上作出在心理声学上对使用者收听的响度效果影响较小的限制，同时使得该子通道的产热量和散热量保持动态平衡，从而限制该子通道的升温；当子通道的工作温度超过热关断安全阈值的80％时，则执行该音量调节步骤，减少扬声器音量降低对使用者收听效果的影响，保证子通道的工作温度不超过热关断阈值。
此外，为了消除自适应功率放大器芯片通电瞬间的“POP”噪声，本实施例所提供的自适应功率放大器芯片的控制方法还包括延时启动步骤，该延时启动步骤在自适应功率放大器芯片开始接收音频输入信号时，在一个延迟时间后接通各子通道输出极与扬声器之间的通路。
具体地，该延迟时间为自适应功率放大器芯片的隔直电容被充电到偏置点所需要的时间。
或者，该延迟时间为所述功率放大器芯片执行步骤S110至步骤S140所需要的时间。
本实施例针对现有的功率放大器在应对多声道音频播放时，每个声道都需要对应一条独立设计或封装的功率放大器线路，功率放大器的总体封装体积和成本较大的技术问题，提供了一种自适应功率放大器芯片的控制方法，其针对音频输入信号对功率放大器芯片的放大器电路拓扑结构进行自适应性调整，在不拓展元器件数量的条件下对多通道应用场合实现多通道模拟或数字音频信号的调制，兼顾了功率放大器芯片的体积、成本与输出品质。
实施例2：
请参阅图2，其中，图2为本发明实施例自适应功率放大器芯片的结构示意图。
本实施例提供一种由至少两组全桥放大拓扑结构D类放大器组成自适应功率放大器芯片100，包括：识别单元110，用于检测音频输入信号21信息，识别音频输入信号21的立体声模式213和声道数量214；选择单元120，根据音频输入信号21的立体声模式213和声道数量214选择功率放大器芯片100的工作模式22；调节单元，根据功率放大器芯片100的工作模式22调节功率放大器芯片100的电路拓扑结构，使得功率放大器芯片100具有与所述音频输入信号21的声道数量214相匹配的子通道；分配单元140，根据音频输入信号21的声道数量214和功率放大器芯片100的工作模式22为功率放大器芯片100的各个子通道分配源输入信号211；子通道电路拓扑结构150，根据源输入信号211输出模拟驱动信号212。
具体地，当音频输入信号21为双声道输入信号时，则子通道拓扑结构的数量为二，其分别为两组全桥放大拓扑结构D类放大器。当音频输入信号21为4.1声道输入信号时，则子通道拓扑结构的数量为五，分别为四组半桥放大拓扑结构D类放大器和一组全桥放大拓扑结构D类放大器，其中，四组半桥放大拓扑结构D类放大器由两组全桥放大拓扑结构D类放大器改组而成。
更具体地，由调节单元130将一组全桥放大拓扑结构D类放大器切换为两组半桥放大拓扑结构D类放大器；或者，将两组相应的半桥放大拓扑结构D类放大器切换为一组全桥放大拓扑结构D类放大器。
特别地，本实施例提供的功率放大器芯片100还包括延时启动单元，用于在功率放大器芯片100开始接收音频输入信号21时，在一个延迟时间后接通各子通道输出极与扬声器之间的通路。
具体地，所述延时启动单元为延时启动电路。
此外，本实施例提供的功率放大器芯片100还可以采用层叠式SIP封装，各分层子封装与基板所包覆空间的内壁涂覆电磁吸收材料涂层。
具体地，该功率放大器芯片100兼容单通道、双通道以及4.1声道模式，体积不超过4.93cm3，厚度不超过1.88cm，投影面积不超过2.21cm2，频率响应范围为8至48KHz，信噪比能够达到133dB，子通道单端输出功率能够达到1000mw@600Ω,12V。
本实施例提供了一种自适应功率放大器芯片，其针对音频输入信号21对功率放大器芯片的放大器电路拓扑结构进行自适应性调整，通过全桥放大拓扑结构D类放大器和半桥放大拓扑结构D类放大器的切换构建和分配功率放大器芯片的子通道，在不拓展元器件数量的条件下对多通道应用场合实现多通道模拟或数字音频信号的调制，兼顾了功率放大器芯片的体积、成本与输出品质。
实施例3：
请参阅图3和图4，其中，图3为本发明实施例自适应放大器芯片的一组全桥放大拓扑结构的电路图一，图4为本发明实施例自适应放大器芯片的一组全桥放大拓扑结构的电路图二。
本实施例提供了一种自适应功率放大器芯片的D类放大器拓扑结构，其能够在全桥放大拓扑结构D类放大器和两个半桥放大拓扑结构D类放大器之间进行切换，以作为不同的子通道针对不同声道数量214的音频输入信号21进行处理。
具体地，当该D类放大器为一个全桥放大拓扑结构D类放大器时,调节单元130根据工作模式22控制图3所示电路中相应开关的通断，同时，仅接口X1一侧的PWM调制电路(如图4所示)提供输入信号，其作为唯一输入源与图3所示电路组成全桥放大拓扑结构D类放大器驱动扬声器R1输出声音；当该D类放大器为两个半桥放大拓扑结构D类放大器时，调节单元130根据工作模式22调节图3所示电路中相应开关的通断，同时，接口X1和X2两侧的PWM调制电路(如图4所示)均提供输入信号，与图3所示电路组成两个半桥放大拓扑结构D类放大器分别驱动扬声器R1和扬声器R2输出声音。
本实施例提供了一种可用于本发明自适应功率放大器芯片的D类放大器拓扑结构的具体实施方式。
需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。
Claims (15)
1.一种自适应功率放大器芯片的控制方法，其特征在于，包括：
步骤S110：检测音频输入信号信息，识别所述音频输入信号的立体声模式和声道数量；
步骤S120：根据所述音频输入信号的立体声模式和声道数量选择功率放大器芯片的工作模式；
步骤S130：根据所述功率放大器芯片的工作模式调节所述功率放大器芯片的电路拓扑结构，使得所述功率放大器芯片具有与所述音频输入信号的声道数量相匹配的子通道；
步骤S140：根据所述音频输入信号的声道数量和所述功率放大器芯片的工作模式为所述功率放大器芯片的各个子通道分配源输入信号；
步骤S150：根据所述源输入信号输出模拟驱动信号。
2.根据权利要求1所述的自适应功率放大器芯片的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括温度控制步骤，所述温度控制步骤监测所述功率放大器芯片的各个子通道的工作温度，使所述工作温度不超过热关断安全阈值。
3.根据权利要求2所述的自适应功率放大器芯片的控制方法，其特征在于，当子通道的工作温度超过热关断安全阈值时，将该子通道的源输入信号切换至空闲的子通道，并关断该子通道的输出级。
4.根据权利要求2所述的自适应功率放大器芯片的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括音量调节步骤，所述音量调节步骤根据心理声学主观效应以及所述工作温度的升温历史设置子通道的输出功率；当子通道的工作温度超过热关断安全阈值的80％时，执行所述音量调节步骤，减少扬声器音量降低对使用者收听效果的影响，保证子通道的工作温度不超过热关断阈值。
5.根据权利要求1所述的自适应功率放大器芯片的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括延时启动步骤，所述延时启动步骤在所述功率放大器芯片开始接收所述音频输入信号时，在一个延迟时间后接通各所述子通道输出极与扬声器之间的通路。
6.根据权利要求5所述的自适应功率放大器芯片的控制方法，其特征在于，所述延迟时间为所述自适应功率放大器芯片的隔直电容被充电到偏置点所消耗的时间。
7.根据权利要求5所述的自适应功率放大器芯片的控制方法，其特征在于，所述延迟时间为所述功率放大器芯片执行步骤S110至步骤S140所消耗的时间。
8.一种自适应功率放大器芯片，所述功率放大器芯片由至少两组全桥放大拓扑结构D类放大器组成，其特征在于，包括：
识别单元，用于检测音频输入信号信息，识别所述音频输入信号的立体声模式和声道数量；
选择单元，根据所述音频输入信号的立体声模式和声道数量选择功率放大器芯片的工作模式；
调节单元，根据所述功率放大器芯片的工作模式调节所述功率放大器芯片的电路拓扑结构，使得所述功率放大器芯片具有与所述音频输入信号的声道数量相匹配的子通道；
分配单元，根据所述音频输入信号的声道数量和所述功率放大器芯片的工作模式为所述功率放大器芯片的各个子通道分配源输入信号；
子通道电路拓扑结构，根据所述源输入信号输出模拟驱动信号。
9.根据权利要求8所述的自适应功率放大器芯片，其特征在于，当所述音频输入信号为双声道输入信号时，所述子通道拓扑结构的数量为二，分别为两组全桥放大拓扑结构D类放大器。
10.根据权利要求8所述的自适应功率放大器芯片，其特征在于，当所述音频输入信号为4.1声道输入信号时，所述子通道拓扑结构的数量为五，分别为四组半桥放大拓扑结构D类放大器和一组全桥放大拓扑结构D类放大器。
11.根据权利要求10所述的自适应功率放大器芯片，其特征在于，所述四组半桥放大拓扑结构D类放大器由两组全桥放大拓扑结构D类放大器改组而成。
12.根据权利要求8所述的自适应功率放大器芯片，其特征在于，所述调节单元用于将一组所述全桥放大拓扑结构D类放大器切换为两组半桥放大拓扑结构D类放大器；或者，将两组相应的半桥放大拓扑结构D类放大器切换为一组全桥放大拓扑结构D类放大器。
13.根据权利要求8所述的自适应功率放大器芯片，其特征在于，所述功率放大器芯片还包括延时启动单元，用于在所述功率放大器芯片开始接收所述音频输入信号时，在一个延迟时间后接通各所述子通道输出极与扬声器之间的通路。
14.根据权利要求13所述的自适应功率放大器芯片，其特征在于，所述延时启动单元为延时启动电路。
15.根据权利要求8所述的自适应功率放大器芯片，其特征在于，所述功率放大器芯片采用层叠式SIP封装，各分层子封装与基板所包覆空间的内壁涂覆电磁吸收材料涂层。
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