CN112671226A - 一种功放电源电压控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功放电源电压控制方法及系统，属于电源电压控制技术领域，方法包括：采用电压环和电流环双环控制调节电源输出电压；将音频信号叠加至电流环控制电流的参考信号中，进而产生调制信号调节电源输出电压。本发明将音频信号叠加到控制电流的参考信号中，等效于提前将功放的输出功率反馈到电源的控制环节中，使电压环、电流环提前感知功放的输出功率，在此基础上输出调制信号对电源输出电压进行调节，使电源有效响应功放输出功率变化，达到减小母线电压波动的目的，提高了电源的动态响应，能有效提高功放的性能，同时能有效减小功放母线储能电容器，降低体积和成本。

Description

一种功放电源电压控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电源电压控制技术领域，尤其涉及一种功放电源电压控制方法及系统。

背景技术

目前D类功放（以下简称功放）采用的开关电源，一般采用整流后加隔离DC-DC的拓扑结构，开关电源输出功放要求的电压和电流，开关电源和功放之间的控制是相对独立的。由于功放输出负载为随音频信号变化的动态负载，因此要求开关电源需要具备较快的动态响应，以满足母线电压波动较小的要求。现有开关电源的控制方式一般有两种：一种是开环控制，输出电压由电网电压幅值决定，负载波动时电源输出电压会随负载变化波动；另一种是通过采集电源输出电压作为反馈，控制电源以达到稳定输出电压的目的，相对第一种方法能降低电压波动。然而上述两种方式均不能让电源和功放之间实现很好的功率耦合，仍然会导致输入功放的母线电压波动，谐波电流增大，同时也影响功放性能。

目前为了防止母线电压波动，无论是开环控制，还是输出电压反馈控制，电源输出均采用大容量母线滤波电容，增加了系统体积和成本的同时也降低了电源的动态响应。现有开关电源控制方式中，开环控制不具备输出电压稳压的功能，单纯依靠电容容量支撑，输入功放的母线电压波动大；输出电压反馈控制，输出大容量电容会导致反馈滞后，响应较慢，虽然较开环控制能降低电压波动，但是母线电压仍然会存在相对较大波动。因此，如何降低功放母线电压波动是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中输入功放的母线电压波动大的问题，提供了一种功放电源电压控制方法及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种功放电源电压控制方法，所述方法包括：采用电压环和电流环双环控制调节电源输出电压；将音频信号叠加至电流环控制电流的参考信号中，进而产生调制信号调节电源输出电压。

作为一选项，所述调制信号为PWM信号或者PFM信号。

作为一选项，所述产生调制信号具体包括：

采集电源实时输出电压信号V_O、电流信号I_O以及输入功放的音频信号V_sig；

将实时输出电压信号V_O进行比例运算后与基准电压V_ref做差运算得到第一误差信号e_v；

对第一误差信号e_v进行比例积分运算得到信号V_a；

将音频信号V_sig依次进行平方处理、比例运算后与信号V_a经加法器处理得到电流参考信号V_b；

将电流信号I_O进行比例运算后与电流参考信号V_b做差处理得到第二误差信号e_i；

将第二误差信号e_i进行比例积分运算后进行PWM调制或PFM调制进而产生PWM或PFM调制信号。

作为一选项，将电流信号I_O进行比例运算后与信号V_b做差处理前还包括：对电流参考信号V_b进行限幅处理，以此作为电源输出限流控制。

作为一选项，第二误差信号e_i进行PWM调制或PFM调制前还包括：对第二误差信号e_i进行限幅处理。

作为一选项，方法还包括对音频信号V_sig进行信号调理步骤：将采集的音频信号V_sig进行滤波和比例调节后输入至功放。

作为一选项，方法还包括音频信号V_sig进行信号调理步骤：将采集的音频信号V_sig进行相位调节，同时进行滤波及负载特性补偿处理后叠加至电流环控制电流的参考信号中。

需要进一步说明的是，上述方法各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

本发明还包括一种功放电源电压控制方法的控制系统，所述控制系统包括环路控制模块、稳压模块、第一信号采集模块、第二信号采集模块，第一信号采集模块用于采集稳压模块的电压信号和电流信号，第二信号采集模块用于采集输入功放的音频信号；第一信号采集模块输出端、第二信号采集模块输出端与环路控制模块连接，环路控制模块输出端与稳压模块连接，稳压模块输出端与功放、第一信号采集模块连接。

作为一选项，所述控制系统还包括第一信号调理电路模块和用于采集输入功放的音频信号的第三信号采集模块，第三信号采集模块输出端与第一信号调理电路模块连接，第一信号调理电路模块输出端与功放连接。

作为一选项，所述控制系统还包括第二信号调理电路模块，第二信号调理电路模块输入端与第二信号采集模块连接，第二信号调理电路模块输出端与环路控制模块连接。

作为一选项，所述控制系统还包括EMI电路模块，EMI电路模块一端连接至交流电源，另一端连接至整流模块。

需要进一步说明的是，上述系统各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

（1）本发明采用电压环和电流环双环控制，电流内环调节可加快电源输出的响应速度；将音频信号叠加到控制电流的参考信号中，等效于提前将功放的输出功率反馈到电源的控制环节中，使电压环、电流环提前感知功放的输出功率，在此基础上输出调制信号对电源输出电压进行调节，使电源有效响应功放输出功率变化，达到减小母线电压波动的目的，提高了电源的动态响应，能有效提高功放的性能，同时能有效减小功放母线储能电容器，降低体积和成本。

（2）本发明对电流参考信号V_b、第二误差信号e_i进行限幅处理，能够进一步限定电源输出电流幅值，确保在后级功放输出功率过大时，限制电源功率输出，达到保护开关电源以及功放的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1的方法流程图；

图2为本发明实施例1的方法流程框图；

图3为本发明实施例2的系统框图；

图4为本发明实施例2与现有双环控制仿真对比示意图，其中（a）为传统双环控制与本发明引入音频信号进行控制后输出母线电压随时间波动的对比示意图、（b）为功放输出功率随时间变化的示意图、（c）为功放输出音频信号随时间变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明开关电源的控制部分采用电压环和电流环双环控制，并将音频信号同步引入到控制环中，叠加到电源电压与参考电压的误差信号，作为电流环参考信号，再与电流反馈比较产生误差信号，产生调制信号调节电源输出电压。本发明将电源的控制与功放的输出功率变化关联起来，等效于将输出功率变化提前反馈到控制回路中，从根本上解决了电源在负载变化后再通过反馈来调节的滞后问题，电源能非常有效的响应功放的功率变化，达到减小母线电压波动的目的。

实施例1

在实施例1中，一种功放电源电压控制方法，具体包括以下步骤：

S01：采用电压环和电流环双环控制调节电源输出电压；具体地，电压环为外环，电流环为内环，电源电路实时输出电压与给定电压信号（基准电压信号）做差处理后经比例积分调节得到的误差信号，即可作为电流环的给定电流信号，给定电流信号与电源实时输出电流信号做差处理即可得到用于产生调制信号的误差信号，进而调节电源输出电压。

S02：将音频信号叠加至电流环控制电流的参考信号中，进而产生调制信号调节电源输出电压。具体地，本实施例中的功放具体为D类功放，D类功放输出功率随输入音频信号的电压而变化，即功放输出电压与音频信号同频率、同相位，仅幅值不同，且幅值取决于功放的放大倍数，作为一实施例，设功放的放大倍数为k，功放负载等效阻抗为R，输入功放的音频信号为V_sig，可知功放输出电压Vo、功放输出电流Io分别为：

Vo=k*V_sig

Io=k*V_sig/R

在此基础上，令电源输出电压为V_dc，输出电流为I_dc，则电源输出功率P_dc=V_dc*I_dc，功放瞬时输出功率为P_amp=Vo*Io，在不考虑损耗的情况下，P_amp=P_dc，即Vo*Io=V_dc*I_dc，将Vo=k*V_sig，Io=k*V_sig/R代入，可得：

I_dc=（k*V_sig）^2/(R*V_dc)

根据上式可以毫无异议地确定电源输出电流与音频信号V_sig的关系，且音频信号V_sig能够反映预期的功放输出的电压变化，即功放输出功率变化，则可通过在电源的控制环路中引入V_sig去调节电源输出电流，达到加快电源输出响应的目的。

进一步地，音频信号V_sig输入至功放前还包括对音频信号V_sig进行信号调理，即将采集的音频信号V_sig进行滤波和比例调节后输入至功放，以提高功放的输入信号质量。

本发明采用电压环和电流环双环控制，电流内环调节可加快电源输出的响应速度；将音频信号叠加到控制电流的参考信号中，等效于提前将功放的输出功率反馈到电源的控制环节中，使控制环路提前感知功放的输出功率，在此基础上输出调制信号对电源输出电压进行调节，使电源有效响应功放输出功率变化，达到减小母线电压波动的目的，提高了电源的动态响应，能有效提高功放的性能，同时能有效减小功放母线储能电容器，降低体积和成本。

进一步地，调制信号为PWM信号或者PFM信号，本实施例中的调制信号具体为PWM信号。

进一步地，如图1-2所示，本发明产生调制信号具体包括以下步骤：

S11：采集电源实时输出电压信号V_O、电流信号I_O以及输入功放的音频信号V_sig；

S12：将实时输出电压信号V_O进行比例运算后与基准电压V_ref做差运算得到第一误差信号e_v；

S13：对第一误差信号e_v进行比例积分运算得到信号V_a；

S14：将音频信号V_sig依次进行平方处理、比例运算后与信号V_a经加法器处理得到电流参考信号V_b；其中，将信号V_a与经比例运算后的音频信号V_sig进行加法处理，相当于将功放输出功率的变化信号叠加至电流参考信号上，以此得到包含输出功率信息的电流参考信号V_b。

S15：将电流信号I_O进行比例运算后与电流参考信号V_b做差处理得到第二误差信号e_i，第二误差信号e_i具体为电流误差信号。

S16：将第二误差信号e_i进行比例积分运算后进行PWM调制进而产生PWM信号。

进一步地，步骤S15中将电流信号I_O进行比例运算后与电流参考信号V_b做差处理前还包括：

对电流参考信号V_b进行限幅处理得到信号I_ref，用于限制最大电流，作为电源限流。

进一步地，步骤S16中将第二误差信号e_i进行PWM调制或PFM调制前还包括：对第二误差信号 e_i进行限幅处理得到信号V_D，能够进一步限定电源占空比或频率调节幅度，确保在后级功放输出功率变化过大时，限制电源功率输出，达到保护开关电源以及功放的目的。

进一步地，步骤S11采集输入功放的音频信号还包括对音频信号V_sig进行滤波和信号调理，以将采集的音频信号V_sig转换为低频包络信号作为电流前馈信号。

本发明与传统的双闭环（电压外环，电流内环）控制方式相比，将音频信号叠加到内环电流的参考信号，相当于实现了针对输出功率的前馈，使环路提前感知功放的输出功率，并提前进行PWM调节，以使电源同步输出功率满足功放输出功率，提高了电源响应速度。

实施例2

本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，提供了一种功放电源电压控制系统，如图3所示，控制系统包括环路控制模块、稳压模块、第一信号采集模块、第二信号采集模块，第一信号采集模块用于采集稳压模块的电压信号和电流信号，第二信号采集模块用于采集输入功放的音频信号；第一信号采集模块输出端、第二信号采集模块输出端与环路控制模块连接，环路控制模块输出端与稳压模块连接，稳压模块输出端与功放、第一信号采集模块连接。

具体地，环路控制模块包括PI控制单元、PWM控制单元以及限幅单元；稳压模块具体为DC-DC稳压模块；第一信号采集模块用于采集稳压模块的实时输出电压信号V_O和电流信号I_O（实时输出电流信号）；第二信号采集模块可以为数据线或麦克风或数模转换器中的任意一种。具体地，PI控制单元接收第一信号采集模块采集的稳压模块的实时输出电压信号V_O和电流信号I_O，并将实时输出电压信号V_O进行比例运算后与基准电压V_ref做差运算得到第一误差信号e_v，再将第一误差信号e_v进行PI处理得到信号V_a；然后将音频信号依次进行平方处理、比例运算后与信号V_a经加法器处理得到电流参考信号V_b后并输入至限幅单元，得到限幅处理后的信号I_ref；再将电流信号I_O进行比例运算后与信号I_ref做差处理得到第二误差信号e_i，PI控制单元继续对第二误差信号e_i进行比例积分运算后输入至限幅单元，限幅单元将进行比例积分的第二误差信号进行限幅处理后输出至PWM控制单元，PWM控制单元根据该实现比例积分、限幅处理的第二误差信号调节稳压模块中开关器件的导通时间，进而调节稳压模块的输出电压，使电源输出功率满足功放输出功率，以达到减小功放母线电压波动的目的。

进一步地，系统还包括第一信号调理电路模块和用于采集输入功放的音频信号的第三信号采集模块，第三信号采集模块输出端与第一信号调理电路模块连接，第一信号调理电路模块输出端与功放连接。具体地，第三信号采集模块与第二信号采集模块相同，均用于采集输入的音频信号；第一信号调理模块用于对音频信号V_sig进行滤波和比例调节处理并输入至D类功放，以提高功放的输入信号质量。

进一步地，控制系统还包括第二信号调理电路模块，第二信号调理电路模块输入端与第二信号采集模块连接，第二信号调理电路模块输出端与环路控制模块连接。第二信号调理电路模块将对音频信号V_sig进行滤波和相位调节，同时进行滤波及负载特性补偿处理后叠加至电流环控制电流的参考信号中。

进一步地，稳压模块输出端设有正负母线电容，进而为后级功放供电。

进一步地，控制系统还包括整流模块，整流模块经一输出母线电容与稳压模块连接。具体地，整流模块可以为具有PFC功能整流模块，用于将220V交流电转化为直流电，同时对输入电流波形进行控制，使其与输入电压波形同步，以此提高电源电路有效功率。

进一步地，控制系统还包括EMI电路模块，EMI电路模块一端连接至交流电源，另一端连接至整流模块，继而滤除交流电源中的干扰信号。

为进一步说明本发明的技术效果，采用容值为2200uF的正负母线电容，此时稳压模块的输出电压为±85V，如图4（c）所示模拟功放输出50Hz音频信号，如图4（b）所示功放峰值功率约为5750W，在此条件下进行仿真验证，分别采用传统的双环控制和引入音频信号前馈的方案进行对比，验证方案效果，电源输出电压随时间变化的具体仿真结果如图4（a）所示，根据图4（a）可以显而易见看出，传统双环控制输出总母线电压（图4（a）中波形x）波动幅值约6V，引入音频信号进行控制后，输出母线电压（图4（a）中波形y）波动幅值约0.2V，在相同条件下极大改善了电源输出电压稳定度，实现了减小功放母线电压波动的目的。

实施例3

本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上提供了一种存储介质，其上存储有计算机指令，计算机指令运行时执行实施例1中的一种功放电源电压控制方法的步骤。

基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

实施例4

本实施例还提供一种终端，与实施例1具有相同的发明构思，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机指令，处理器运行计算机指令时执行实施例1中的一种功放电源电压控制方法的步骤。处理器可以是单核或者多核中央处理单元或者特定的集成电路，或者配置成实施本发明的一个或者多个集成电路。

在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种功放电源电压控制方法，其特征在于：所述方法包括：

采用电压环和电流环双环控制调节电源输出电压；

将音频信号叠加至电流环控制电流的参考信号中，进而产生调制信号调节电源输出电压。

2.根据权利要求1所述的一种功放电源电压控制方法，其特征在于：所述调制信号为PWM信号或者PFM信号。

3.根据权利要求2所述的一种功放电源电压控制方法，其特征在于：所述产生调制信号具体包括：

采集电源实时输出电压信号V_O、电流信号I_O以及输入功放的音频信号V_sig；

将实时输出电压信号V_O进行比例运算后与基准电压V_ref做差运算得到第一误差信号e_v；

对第一误差信号e_v进行比例积分运算得到信号V_a；

将音频信号V_sig依次进行平方处理、比例运算后与信号V_a经加法器处理得到电流参考信号V_b；

将电流信号I_O进行比例运算后与电流参考信号V_b做差处理得到第二误差信号e_i；

将第二误差信号e_i进行比例积分运算后进行PWM调制或PFM调制进而产生PWM或PFM调制信号。

4.根据权利要求3所述的一种功放电源电压控制方法，其特征在于：将电流信号I_O进行比例运算后与电流参考信号V_b做差处理前还包括：

对电流参考信号V_b进行限幅处理；

第二误差信号e_i进行PWM调制或PFM调制前还包括：

对第二误差信号e_i进行限幅处理。

5.根据权利要求3所述的一种功放电源电压控制方法，其特征在于：方法还包括对音频信号V_sig进行信号调理步骤：

将采集的音频信号V_sig进行滤波和比例调节后输入至功放。

6.根据权利要求3所述的一种功放电源电压控制方法，其特征在于：方法还包括音频信号V_sig进行信号调理步骤：

将采集的音频信号V_sig进行相位调节，同时进行滤波及负载特性补偿处理后叠加至电流环控制电流的参考信号中。

7.采用权利要求1-6任意一项所述的一种功放电源电压控制方法的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括环路控制模块、稳压模块、第一信号采集模块、第二信号采集模块，第一信号采集模块用于采集稳压模块的电压信号和电流信号，第二信号采集模块用于采集输入功放的音频信号；

第一信号采集模块输出端、第二信号采集模块输出端与环路控制模块连接，环路控制模块输出端与稳压模块连接，稳压模块输出端与功放、第一信号采集模块连接。

8.根据权利要求7所述的一种功放电源电压控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括第一信号调理电路模块和用于采集输入功放的音频信号的第三信号采集模块，第三信号采集模块输出端与第一信号调理电路模块连接，第一信号调理电路模块输出端与功放连接。

9.根据权利要求7所述的一种功放电源电压控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括第二信号调理电路模块，第二信号调理电路模块输入端与第二信号采集模块连接，第二信号调理电路模块输出端与环路控制模块连接。

10.根据权利要求7所述的一种功放电源电压控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括EMI电路模块，EMI电路模块一端连接至交流电源，另一端连接至整流模块。

Images