CN115514329A - 音频功放电路及其线性过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音频功放电路及其线性过温保护电路，该线性过温保护电路包括设置在音频功放电路的积分放大模块中的第二级积分放大器的输入之间的开关；温度检测模块，用于随着温度的变化输出对应的温度信息；以及增益控制模块，用于生成占空比大小与温度信息相对应的开关控制信号，开关控制信号通过控制开关的导通时间来动态调整积分放大模块的增益，以通过调整电路增益的办法来限制芯片的输出功率，达到控制芯片的温度的目的。与现有技术的过温保护方案相比，本发明的方案不仅不会导致声音反复断断续续，使得用户的听感体验不佳，而且不会导致声音的失真增大，提高了用户体验。

Description

音频功放电路及其线性过温保护电路

技术领域

本发明涉及音频功放技术领域，更具体地，涉及一种音频功放电路及其线性过温保护电路。

背景技术

D类放大器电路是一种开关型的功放电路，其与线性功放电路相比，具有效率高、发热少的特点，因此常被作为音频功放电路广泛应用于智能电视、手机等消费电子产品领域。

图1示出了现有的两级音频功放电路的电路示意图。如图1所示，该音频功放电路100包括积分放大模块110、信号调制模块120和驱动输出模块130。

所述积分放大模块110包括第一级积分放大器AMP1和第二级积分放大器AMP2，一对差分信号INA和INB分别通过电容Cin和电阻Rin耦合至第一级积分放大器AMP1的输入，依次经过第一级积分放大器AMP1和第二级积分放大器AMP2进行全差分放大后输出信号OPA和OPB。输出信号OPA和OPB分别通过信号调制模块120中的比较器CMP1和比较器CMP2与一调制信号RAMP进行调制，产生脉宽调制信号PWMA和PWMB。驱动输出模块130通过晶体管半桥的交替工作将脉宽调制信号PWMA和PWMB进行功率放大，产生驱动信号OUTA和OUTB。反馈电阻Rfb1和Rfb2用于将驱动信号OUTA和OUTB反馈到输入端。在实际应用中，由驱动输出模块130输出的驱动信号可以直接传输至扬声器还原为音频信号(扬声器本身具有一定的低通滤波能力)或经由低通滤波电路还原为音频信号传输至扬声器播放。

在大功率的音频功放设计中，一旦长时间大功率播放音乐，很容易造成芯片温度急剧升高，严重时还会将芯片烧毁，为了保护芯片的安全，现有技术往往会在芯片中加入过温保护，随着功放电路工作时间延长或者工作环境温度升高，会引起电路内部温度的升高而触发温度保护，继而直接关闭功放，或者拉低音频信号的幅值来保护芯片。直接关闭功放直到温度恢复虽然能够保护芯片，但是这种操作方式会导致声音反复断断续续，使得用户的听感体验不佳；第二种操作方式虽然能够在触发温度保护时使得功放能够继续工作，但是会导致失真增大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种音频功放电路及其线性过温保护电路，通过控制电路的增益来限制芯片的输出功率，从而达到控制芯片的温度的目的。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种音频功放电路的线性过温保护电路，所述音频功放电路包括积分放大模块，其至少包括第一级运算放大器和第二级积分放大器，用于将差分输入信号经过积分运算放大后得到差分输出信号，所述线性过温保护电路包括：设置在所述积分放大模块中的第二级积分放大器的输入之间的开关；温度检测模块，用于随着温度的变化输出对应的检测电流；以及增益控制模块，用于生成占空比大小与所述检测电流相对应的开关控制信号，所述开关控制信号通过控制所述开关的导通时间来动态调整所述积分放大模块的增益，以调整所述音频功放电路的输出功率。

可选的，所述增益控制模块包括：电阻，用于根据所述检测电流产生与温度成比例变化的斜坡电压；以及PWM比较器，用于将所述斜坡电压与参考电压进行比较，通过调制得到所述开关控制信号。

可选的，所述参考电压具有三角波或者锯齿波的波形。

可选的，所述PWM比较器根据所述斜坡电压与所述参考电压的相交点来调制所述开关控制信号的占空比。

可选的，所述线性过温保护电路还包括：计时模块，用于对所述开关的导通时间进行计时，并在所述开关的导通时间超过预设的时间时，关断所述音频功放电路中的驱动输出模块，以将所述音频功放电路强制关断。

可选的，当所述斜坡电压处于所述参考电压的下限电压和上限电压之间时，所述积分放大模块的增益衰减为AV1*(1-D)，其中AV1为所述积分放大模块的初始增益，D为所述开关控制信号的占空比。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种音频功放电路，包括：积分放大模块，至少包括第一级运算放大器和第二级积分放大器，用于将差分输入信号经过积分运算放大后得到差分输出信号；信号调制模块，用于根据所述差分输出信号生成第一脉宽调制信号和第二脉宽调制信号；驱动输出模块，用于分别放大所述第一脉宽调制信号和所述第二脉宽调制信号，以得到驱动扬声器的驱动信号；以及上述的线性过温保护电路。

可选的，所述积分放大模块还包括：设置在所述第二级积分放大器的差分输入端的多个输入电阻；以及设置在所述驱动输出模块的差分输出端和所述第二级积分放大器的差分输入端之间的反馈电阻，所述积分放大模块的初始增益通过所述输入电阻和所述反馈电阻来设置。

综上所述，本发明实施例的音频功放电路的线性过温保护电路包括设置在第二级积分放大器的输入电阻之间的开关、温度检测模块和增益控制模块。其中，通过温度检测模块对电路温度进行检测，得到当前的温度信息，增益控制模块根据该温度信息生成控制所述开关导通和关断的开关控制信号，并通过控制开关控制信号的占空比来动态调节该开关的占空比，通过调整电路增益的办法来限制芯片的输出功率，达到控制芯片的温度的目的。与现有技术的过温保护方案相比，本发明的方案不仅不会导致声音反复断断续续，使得用户的听感体验不佳，而且不会导致声音的失真增大，提高了用户体验。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了现有的两级音频功放电路的电路示意图；

图2示出了根据本发明实施例的具有过温保护的音频功放电路的电路示意图；

图3示出了根据本发明实施例的增益控制模块的工作波形图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细描述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且这些附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件上时，意味着两者不存在中间元件。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图2示出了根据本发明实施例的具有线性过温保护的音频功放电路的电路示意图。如图2所示，所述音频功放电路200包括积分放大模块210、信号调制模块220、驱动输出模块230、开关K1、温度检测模块240以及增益控制模块250。

其中，积分放大模块210包括第一级运算放大器AMP1和第二级积分放大器AMP2，一对差分输入信号INA和INB分别通过输入电容Cin和输入电阻Rin耦合至第一级运算放大器AMP1的输入，依次经过第一级运算放大器AMP1和第二级积分放大器AMP2进行全差分放大后得到差分输出信号OPA和OPB。所述差分输入信号INA和INB经过电阻转换为电流信号后输入至第一级运算放大器AMP1，经过第一级运算放大器AMP1放大后输出电压信号，该电压信号经过电阻R5～R8转换为电流信号输入至第二级积分放大器AMP2，由第二级积分放大器AMP2积分运算放大后输出差分输出信号OPA和OPB，差分输出信号OPA和OPB为电压信号。进一步的，第一级运算放大器AMP1的输入端和输出端之间还设置有反馈电阻R3和R4。第二级积分放大器AMP2的差分输入端和差分输出端之间还设置有积分电容C1和C2。

信号调制模块220用于分别输入修正后的差分输出信号OPA和OPB，并根据差分输出信号OPA和OPB生成第一脉宽调制信号PWMA和第二脉宽调制信号PWMB。其中，第一脉宽调制信号PWMA由差分输出信号OPA调制得到，第二脉宽调制信号PWMB由差分输出信号OPB调制得到。具体的，信号调制模块220可以包括两个并列的比较器CMP1和CMP2，比较器CMP1用于比较差分输出信号OPA和调制信号RAMP，输出第一脉宽调制信号PWMA。比较器CMP2用于比较差分输出信号OPB和调制信号RAMP，输出第二脉宽调制信号PWMB，所述调制信号RAMP通常为三角波或锯齿波等具有周期性的倾斜上升和倾斜下降边沿的波形。由此，可以方便地将两路差分信号调制为PWM信号。当然，信号调制模块220也可以采用其他电路结构来实现PWM调制。

驱动输出模块230用于分别放大第一脉宽调制信号PWMA和第二脉宽调制信号PWMB，得到驱动信号OUTA和OUTB。驱动输出模块230可以采用半桥电路实现，该半桥电路包括串联在电源和地之间的两个晶体管。在输入的脉宽调制信号为高电平时，与电源连接的晶体管导通，与地连接的晶体管关断，从而输出电源限定的电压和电流。在输入的脉宽调制信号为低电平时，与地连接的晶体管导通，与电源连接的晶体管关断，由此，可以将PWM信号放大。需要说明的是，本实施例的积分放大模块210和信号调制模块220通常采用芯片内部的低压差线性稳压器(LDO)(图中未示出)产生的低压域电源VDD进行供电，VDD通常为4V～6V左右，而所述驱动输出模块230的电源通常采用芯片外部输入的高压域电源PVDD(图中未示出)，最低可到4V，最高可达30V，通常为20V～30V左右。

进一步的，本实施例的音频功放电路200还包括连接在驱动输出模块230的差分输出端和第二级积分放大器AMP2的差分输入端之间的反馈电路。具体的，反馈电路由两路反馈电阻Rfb1和Rfb2组成。其中，反馈电阻Rfb1连接在驱动输出模块230的第一输出端和第二级积分放大器AMP2的第一输入端之间，反馈电阻Rfb2连接在驱动输出模块230的第二输出端和第二级积分放大器AMP2的第二输入端之间。

温度检测模块240、增益控制模块250以及开关K1构成了本实施例的音频功放电路200的线性过温保护电路。其中，温度检测模块240用于对电路的温度进行检测，输出随着温度正比例变化的检测电流I1。开关K1设置在积分放大模块210中的第二级积分放大器AMP2的输入电阻R5～R8之间。具体的，开关K1的第一端与电阻R5和R7的中间节点连接，开关K1的第二端与电阻R6和R8的中间节点连接。增益控制模块250用于根据温度检测模块240输出的检测电流I1生成控制所述开关K1的导通和关断的开关控制信号Vcont，并通过控制开关控制信号Vcont的占空比来动态调节开关K1的占空比，以调整所述音频功放电路200的增益。

在本实施例中，音频功放电路的温度是由芯片的输出功率、效率、散热系数以及环境温度等因素来决定的，在效率、散热系数和环境温度一定的条件下，可以通过限制芯片的输出功率来限制芯片的温度。在音频输入信号一定的条件下，电路的输出功率与增益成正比，因此本实施例通过控制电路增益的方法可以限制芯片的输出功率，继而达到控制芯片温度的目的。

具体的，增益控制模块250包括电阻Ra和PWM比较器251。其中，电阻Ra用于根据检测电流I1产生与温度成正比例关系的斜坡电压Va。PWM比较器251用于将斜坡电压Va与参考电压Vref进行比较，通过调制得到所述开关控制信号Vcont。在本实施例中，参考电压Vref例如为三角波或者锯齿波等具有周期性的倾斜上升和倾斜下降边沿的波形，所述PWM比较器251根据斜坡电压Va与所述参考电压Vref的相交点来调制开关控制信号Vcont的占空比。

进一步的，检测电流I1＝K×T(K为比例系数，T为芯片的当前温度)，检测电流I1通过电阻Ra后产生所述斜坡电压Va＝K×T×Ra。

图3示出了根据本发明实施例的增益控制模块的工作波形图，下面结合图3和图2对本发明实施例的增益控制模块的工作原理进行详细说明。在图3中的横坐标示出了芯片的温度，纵坐标示出了斜坡电压Va的电压值。如图3所示，斜坡电压Va为一条倾斜上升的直线，参考电压Vref为具有周期性的倾斜上升和倾斜下降边沿的三角波或锯齿波，其具有下限电压V1和上限电压V2。当电路温度较低时，检测电流I1较小，斜坡电压Va低于参考电压Vref的下限电压V1，这时PWM比较器251输出的开关控制信号Vcont为低电平，开关K1关断，此时音频功放电路200的差分输入至差分输出的增益为无任何衰减的增益AV1(增益AV1的大小仅由电路的输入电阻和反馈电阻决定)。随着电路的温度逐渐增加，斜坡电压Va逐渐上升，当斜坡电压Va大于参考电压Vref的下限电压V1时，PWM比较器251开始工作，输出具有一定占空比的方波信号，并根据斜坡电压Va与参考电压Vref的相交点调节开关控制信号Vcont的占空比。开关K1按照设定的占空比D不断导通和关断，音频功放电路200的差分输入到差分输出的增益衰减为AV1*(1-D)，其中D为开关控制信号Vcont的占空比，从而降低电路的输出功率，在电路效率一定的情况下，输出功率的降低会使得芯片的损耗降低，芯片的温度随之会降低，从而达到一种平衡的状态，保护芯片不会因为输出功率过大而烧毁。

如果因为外部环境的原因，芯片的温度继续上升，当斜坡电压Va高于参考电压Vref的上限电压V2时，此时PWM比较器251输出开关控制信号Vcont为高电平，将开关K1持续导通，继而将电路的增益衰减为0。

在进一步的实施例中，本发明的音频功放电路200还包括计时模块260，计时模块260用于对开关K1的导通时间进行计时，若开关K1的导通时间超过了预设的时间，则判定环境温度过高，继而将驱动输出模块230关闭，以将电路强制关断，保护芯片不会因为高温而损坏。

综上所述，本发明实施例的音频功放电路包括设置在第二级积分放大器的输入电阻之间的开关、温度检测模块和增益控制模块。其中，通过温度检测模块对电路温度进行检测，得到当前的温度信息，增益控制模块根据该温度信息生成控制所述开关导通和关断的开关控制信号，并通过控制开关控制信号的占空比来动态调节该开关的占空比，通过调整电路增益的办法来限制芯片的输出功率，达到控制芯片的温度的目的。与现有技术的过温保护方案相比，本发明的方案不仅不会导致声音反复断断续续，使得用户的听感体验不佳，而且不会导致声音的失真增大，提高了用户体验。

本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明，在本文中的诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种音频功放电路的线性过温保护电路，所述音频功放电路包括积分放大模块，其至少包括第一级运算放大器和第二级积分放大器，用于将差分输入信号经过积分运算放大后得到差分输出信号，所述线性过温保护电路包括：

设置在所述积分放大模块中的第二级积分放大器的输入之间的开关；

温度检测模块，用于随着温度的变化输出对应的检测电流；以及

增益控制模块，用于生成占空比大小与所述检测电流相对应的开关控制信号，所述开关控制信号通过控制所述开关的导通时间来动态调整所述积分放大模块的增益，以调整所述音频功放电路的输出功率。

2.根据权利要求1所述的线性过温保护电路，其中，所述增益控制模块包括：

电阻，用于根据所述检测电流产生与温度成比例变化的斜坡电压；以及

PWM比较器，用于将所述斜坡电压与参考电压进行比较，通过调制得到所述开关控制信号。

3.根据权利要求2所述的线性过温保护电路，其中，所述参考电压具有三角波或者锯齿波的波形。

4.根据权利要求3所述的线性过温保护电路，其中，所述PWM比较器根据所述斜坡电压与所述参考电压的相交点来调制所述开关控制信号的占空比。

5.根据权利要求1所述的线性过温保护电路，还包括：

计时模块，用于对所述开关的导通时间进行计时，并在所述开关的导通时间超过预设的时间时，关断所述音频功放电路中的驱动输出模块，以将所述音频功放电路强制关断。

6.根据权利要求3所述的线性过温保护电路，其中，当所述斜坡电压处于所述参考电压的下限电压和上限电压之间时，所述积分放大模块的增益衰减为AV1*(1-D)，其中AV1为所述积分放大模块的初始增益，D为所述开关控制信号的占空比。

7.一种音频功放电路，包括：

积分放大模块，至少包括第一级运算放大器和第二级积分放大器，用于将差分输入信号经过积分运算放大后得到差分输出信号；

信号调制模块，用于根据所述差分输出信号生成第一脉宽调制信号和第二脉宽调制信号；

驱动输出模块，用于分别放大所述第一脉宽调制信号和所述第二脉宽调制信号，以得到驱动扬声器的驱动信号；以及

权利要求1-6任一项所述的线性过温保护电路。

8.根据权利要求7所述的音频功放电路，其中，所述积分放大模块还包括：

设置在所述第二级积分放大器的差分输入端的多个输入电阻；以及

设置在所述驱动输出模块的差分输出端和所述第二级积分放大器的差分输入端之间的反馈电阻，

所述积分放大模块的初始增益通过所述输入电阻和所述反馈电阻来设置。

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