CN113904633A - 一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器，包括输入信号采集电路、输入运算电路、控制电路、输出信号采集电路、输出运算电路和功率放大模块。输入信号采集电路连接外部输入信号，输出端连接输入运算电路和控制电路；输入运算电路对输入信号运算得到预设功率；输出信号采集电路连接功率放大模块的输出端，输出端连接输出运算电路；输出运算电路对输出信号运算得到实际功率；控制电路根据预设功率、实际功率，判断当前功率放大模块的工作情况，控制功率放大模块的参数设置。本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器，动态的根据功率放大器的功率判断适配情况，扩大了适配的负载范围，适用于更多的场合。

Description

一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器

技术领域

本发明涉放大电路技术领域，具体涉及一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器。

背景技术

音频功率放大器是用于推动扬声器等负载发声，从而重现声音的放大装置，几乎所有发声的产品中都要用到。现有市场的功放对负载阻抗有比较窄的适用范围，如适配4欧至8欧，根据欧姆定律，功放的过流保护将会针对4欧进行设计；若此时接入2欧负载，电流会增加一倍，因此触发过流保护，更有甚者会导致功放及负载产生不可逆的损坏。上述功率放大器的负载范围通常为2欧-16欧，主要以电流驱动扬声器，输出电压低，电流大。

随着远距离传输需求的增加，公共广播、背景音乐等场合开始大范围的使用定压喇叭。定压喇叭在前端加入了降压变压器，将传输电压降至适合喇叭工作的范围，以电压来驱动扬声器工作，输出电流低，电压大。由于加入变压器，单个定压喇叭的阻抗通常远大于定阻喇叭，因此现有技术中通常通过功率放大器输出端电流、电压的检测来确定负载类型；然而定压喇叭通常并联使用，极端情况下定压喇叭并联后的阻抗值会落入定阻喇叭阻抗值的范围，此时根据输出运算得到阻抗值判断负载类型就不再奏效。

现有情况下最接近技术的分析和对比。

目前，现有情况下最接近的技术方案为：申请号为CN201620899797.8的《一种负载类型自动判断电路》（下文简称“对比文件1”）、申请号为CN201710793927.9的《定阻定压输出装置及定阻定压功放机》（下文简称“对比文件2”）、申请号为CN201810014761.0的《一种定压定阻音箱通用功率放大器》（下文简称“对比文件3”）。

对比文件1，申请号为CN201620899797.8的《一种负载类型自动判断电路》描述了利用信号源分别发送10Hz、100Hz测试信号，通过电压表和电流表测试负载输出情况，经过单片机计算得到电阻值，从而判断负载类型。该电路选用的测试信号频率位于音频范围内，仅在开机前完成，无法做到实时检测；另外该电路为外置电路，加入功率放大器中需要重新设计，程序复杂，不利于实际操作；采用电压与电流的简单相除得到电阻值，误差较大容易误判。

对比文件2，申请号为CN201710793927.9的《定阻定压输出装置及定阻定压功放机》描述了根据控制电路获取的用户对负载设备的参数配置信息和负载类型检测模块的判断结果，从而切换功率放大器输出模式的电路。该电路在负载设备启动的初始化时间段进行负载检测，无法进行实时检测。

对比文件3，申请号为CN201810014761.0的《一种定压定阻音箱通用功率放大器》描述了根据用户输入的音箱电阻值，自动计算出功率放大器的输出电压值并使自身同时适应定压音箱和定阻音箱的功率放大器。该电路仅通过外部输入的负载类型更改功率放大器的工作模式，无法实时适配，也无法自行判断。

因此，以上技术均不能实时根据负载的改变而改变功率放大器的工作状态，无法使得功率放大器在低成本的情况下适配宽范围的负载，很有必要提供一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器，包括输入信号采集电路、输入运算电路、控制电路、输出信号采集电路、输出运算电路、功率放大模块。所述输入信号采集电路的输入端连接外部输入信号，输出端连接所述输入运算电路和所述控制电路。所述输入运算电路对采集的输入信号进行运算得到预设功率，输出端连接所述控制电路。所述输出信号采集电路的输入端连接所述功率放大模块的输出端，输出端连接所述输出运算电路。所述输出运算电路对采集的输出信号进行运算，得到实际功率，输出端连接所述控制电路。所述控制电路根据所述预设功率、实际功率，判断当前所述功率放大模块的工作模式是否与负载适配，从而控制所述功率放大模块的参数设置。所述功率放大模块的输入端和控制端均连接所述控制电路的输出端，输出端连接负载。

所述输入运算电路对所述输入信号采集电路输出的外部输入信号进行信号检测和运算。所述输入运算电路的输入端连接所述输入信号采集电路，对外部输入信号进行缓存和幅度检测，获取所述输入信号幅度Ui，乘以此时所述功率放大模块的增益Gs，相乘结果进行平方运算后，除以所述功率放大模块当前模式下适配的负载最大值Zm，最后乘以所述功率放大器的最大允许误差e，得到预设功率Ps。

其中所述Gs为一变化值，取自所述控制电路为所述功率放大模块设置的实时增益；所述Zm为一变化值，取自所述控制电路为所述功率放大模块设置的实时负载适配范围的最大值；所述最大允许误差e为一固定值，为所述功率放大器所固有。

所述输出运算电路对所述输出信号采集电路输出的所述功率放大模块的输出信号进行信号检测和运算。所述输出运算电路的输入端连接所述输出信号采集电路，对输出信号进行缓存和幅度检测，获取输出电流幅度Io、输出电压幅度Uo，二者经相位补偿后相乘，得到实际功率Pr。

优选地，所述相位补偿即所述输出电压经步进式的延时后与所述输出电流相乘，每一步进得到一个实际功率的暂时值，如Pr1、Pr2、Pr3等，取Pri（i=1,2,3,......）中的最大值为所述实际功率Pr。

所述控制电路根据所述输入运算电路输出的所述预设功率Ps、所述输出运算电路输出的所述实际功率Pr，判断当前所述功率放大模块的工作情况，根据判断结果调整所述功率放大模块的参数设置。当功率放大器上电后，所述控制电路默认将所述功率放大模块的增益设置为所述功率放大器适配的最小负载范围时的增益和限流值。当所述预设功率Ps小于实际功率Pr时，不对所述功率放大模块的参数配置做调整；当所述预设功率Ps大于实际功率Pr时，判断所述功率放大模块没有工作在合适的参数配置下，步进地提高所述功率放大模块的增益、降低所述功率放大模块的限流值。

优选地，所述输入信号采集模块、所述输入运算电路、所述输出信号采集模块、所述输出运算电路在所述控制电路判断和调整时，依然在进行采集和运算。上电后所述功率放大器的采集、运算、控制操作持续进行，至断电时止。

优选地，所述控制电路在对所述功率放大模块进行步进调整后，所述输入运算电路得到的预设功率Ps和所述输出运算电路得到的实际功率Pr发生改变，此时若所述预设功率Ps依然大于输出功率Pr，再进一步提高所述功率放大模块的增益、降低所述功率放大模块的限流值。依此类推，直到所述预设功率Ps小于输出功率Pr或所述预设功率Ps与输出功率Pr的差值在最大允许误差e的范围内。

优选地，当所述预设功率Ps小于输出功率Pr时，有以下两种情况：一是所述功率放大模块工作在合适的参数配置下，即实际连接的负载位于所述功率放大器适配的负载范围内；另一种是，当实际连接的负载远小于当前时刻所述功率放大器适配的负载范围。

其中，当实际连接的负载远小于当前时刻所述功率放大器适配的负载范围时，根据欧姆定律，负载阻抗过小会导致电流过大，当超过所述功率放大模块的当前限流值时，会首先触发过流保护，至所述功率放大器重新启动。重新启动后，所述控制电路默认将所述功率放大模块的增益设置为所述功率放大器适配的最小负载范围时的增益和限流值。

所述功率放大模块将外部输入信号按一定的增益进行放大后驱动负载。所述功率放大模块的输入端连接所述控制电路，接收处理后的外部输入信号；控制端连接所述控制电路，实现限流值的调整；输出端连接负载。所述功率放大模块具有过流保护功能，即当输出电流超过限流值时，切断供电，并在短时间内重新启动。

本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器，动态的根据所述功率放大模块的负载适配情况调整参数配置。上述的所有电路均内置于功率放大器的拓扑中，无需重新设计；在功率放大器上电后实现了实时检测；本发明没有采用电压与电流的相除得到电阻值的方法识别负载，而是通过功率判断适配情况，扩大了适配的负载范围，适用于更多的场合。

为了让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图；

图1为本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器的一个实施例的系统框图；

图2为本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器的另一个实施例（图2）的系统框图；

图3为本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器的另一个实施例中DSP内部的算法框图；

图中编号：

10：输入信号采集电路；20：输入运算电路；30：控制电路；30’：单片机；

40、40’：输出信号采集电路；50：输出运算电路；60、60’：功率放大模块；

70：DSP（数字信号处理器）；601’：可编程增益放大器；602’：功率级；

603’：过流保护；401’：电压、电流检测；402’：模数转换。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

请参阅图1，为本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器的系统框图，包括输入信号采集电路10、输入运算电路20、控制电路30、输出信号采集电路40、输出运算电路50、功率放大模块60。输入信号采集电路10的输入端连接外部输入信号Vin，输出端连接输入运算电路20和控制电路30。输入运算电路20对采集的输入信号Vin进行运算得到预设功率，输出端连接控制电路30。输出信号采集电路40的输入端连接功率放大模块60的输出端，输出端连接输出运算电路50。输出运算电路50对采集的输出信号进行运算，得到实际功率，输出端连接控制电路30。控制电路30根据上述预设功率、实际功率，判断当前功率放大模块60的工作模式是否与负载适配，从而控制功率放大模块60的参数设置。功率放大模块60的输入端和控制端均连接控制电路30的输出端，输出端连接负载。

请参阅图2，为本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器的另一个实施例的系统框图，包括DSP70、输出信号采集电路40’、功率放大模块60’、控制电路30’。DSP70包括输入信号采集电路、输入运算电路、输出运算电路和部分控制电路；单片机30’为控制电路的其余部分；功率放大模块60’主要包括可编程增益放大器601’、功率级602’和过流保护603’。功率放大模块60’的输出信号经电压、电流检测401’和模数转换402’后，通过I²S总线将检测结果发送至DSP70进行输出信号的运算，外部输入信号直接接入DSP70进行采集和运算；DSP70的运算和比较结果通过GPIO0发送给单片机30’；单片机30’根据运算和比较结果通过I²C信号控制可编程增益放大器601’，同时控制过流保护603’的限流值设置，单片机30’还将可编程增益放大器601’的增益设置和过流保护603’的限流值设置经I²C信号通信给DSP70。

请参阅图3，为本发明所述的一种根据功率变化适配宽范围负载的功率放大器的另一个实施例（图2）中DSP内部的算法框图。Input1中的0、1端口为采集的输入信号，输入信号一方面经音频处理后通过数模转换输入至图2中功率放大模块60’；另一方面经过滤波、运算、查表得到预设功率。其中查表即说明书中所述获取变化的实时增益Gs和实时负载适配范围的最大值Zm。Input1中的2端口为输出电流，3端口为输出电压，二者经运算后得到实际功率，与预设功率进行比较后通过GPIO0端口发送至图2的单片机30’。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器，其特征在于，包括输入信号采集电路、输入运算电路、控制电路、输出信号采集电路、输出运算电路、功率放大模块；所述输入信号采集电路的输入端连接外部输入信号，输出端连接所述输入运算电路和所述控制电路；所述输入运算电路对采集的输入信号进行运算得到预设功率Ps，输出端连接所述控制电路；所述输出信号采集电路的输入端连接所述功率放大模块的输出端，输出端连接所述输出运算电路；所述输出运算电路对采集的输出信号进行运算，得到实际功率Pr，输出端连接所述控制电路；所述控制电路根据所述预设功率Ps、实际功率Pr，判断当前所述功率放大模块的工作情况，从而控制所述功率放大模块的参数设置；所述功率放大模块的输入端和控制端均连接所述控制电路的输出端，输出端连接负载；

其中，所述输入运算电路对所述输入信号采集电路输出的外部输入信号进行缓存、幅度检测和运算；所述输出运算电路对所述输出信号采集电路输出的所述功率放大模块的输出信号进行缓存、幅度检测和运算；

其中，所述输入信号采集模块、所述输入运算电路、所述输出信号采集模块、所述输出运算电路在所述控制电路判断和调整时，依然在进行采集和运算；上电后所述功率放大器的采集、运算、控制操作持续进行，至断电时止；

其中，所述功率放大模块具有过流保护功能，即当输出电流超过限流值时，切断供电，并在短时间内重新启动。

2.如权利要求1所述的一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器，其特征在于，所述输入运算电路对外部输入信号进行幅度检测，获取所述输入信号幅度Ui，乘以此时所述功率放大模块的增益Gs，相乘结果进行平方运算后，除以所述功率放大模块当前模式下适配的负载最大值Zm，最后乘以所述功率放大器的最大允许误差e，得到预设功率Ps；

所述输出运算电路对输出信号进行幅度检测，获取输出电流幅度Io、输出电压幅度Uo，二者经相位补偿后相乘，得到实际功率Pr；

其中，所述相位补偿为所述输出电压经步进式的延时后与所述输出电流相乘，每一步进得到一个实际功率的暂时值Pri（i=1,2,3,......），取Pri（i=1,2,3,......）中的最大值为所述实际功率Pr。

3.如权利要求1所述的一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器，其特征在于，当所述功率放大器上电后，所述控制电路默认将所述功率放大模块的增益设置为所述功率放大器适配的最小负载范围时的增益和限流值；当所述预设功率Ps小于实际功率Pr时，不对所述功率放大模块的参数配置做调整；当所述预设功率Ps大于实际功率Pr时，判断所述功率放大模块没有工作在合适的参数配置下，步进地提高所述功率放大模块的增益、降低所述功率放大模块的限流值。

4.如权利要求2所述的一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器，其特征在于，所述Gs为一变化值，取自所述控制电路为所述功率放大模块设置的实时增益；所述Zm为一变化值，取自所述控制电路为所述功率放大模块设置的实时负载适配范围的最大值；所述最大允许误差e为一固定值，为所述功率放大器所固有。

5.如权利要求3所述的一种根据实时功率变化适配宽范围负载的功率放大器，其特征在于，所述控制电路在对所述功率放大模块进行步进调整后，所述输入运算电路得到的预设功率Ps和所述输出运算电路得到的实际功率Pr发生改变，此时若所述预设功率Ps依然大于输出功率Pr，再进一步提高所述功率放大模块的增益、降低所述功率放大模块的限流值；依此类推，直到所述预设功率Ps小于输出功率或所述预设功率Pr与输出功率的差值在最大允许误差e的范围内。

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