CN1509583A - 电声转换设备 - Google Patents

Abstract

一种将来自一个源(25)的声频信号转换为声频波的设备，包括：一个调制器(17)，用于调制所述声频信号，一个放大交换级(15)，用于放大一个由调制器提供的已被调制的声频信号，以及连接到放大交换级的电－声转换装置(19)，其被安排将交换级中的脉冲序列(18)转换为声频波，其中所述电－声转换装置在没有单独的滤波的情况下直接受到所述脉冲序列的驱动，且其中所述的调制器(17)、交换级(15)和转换装置(19)被机电集成为一个运行单元，该运行单元可直接地与一个干线电源(12)相连或者直接地连接到干线。借助这种电集成，不需要单独的滤波，而转换器(19)的固有特性被用于实现对脉冲串的滤波。

Description

电声转换设备

技术领域

本发明涉及一种用于电声转换的设备，该设备包括一个调制器，一个放大交换级和电-声转换装置。本发明可以被方便地用于改进声音再现的功率转换。

背景技术

传统的声频功率转换系统是基于三个基本元件：一个产生DC电压的电源，一个由电源供给的放大器，和一个被放大器中放大的声频信号供给的扬声器或者转换器。图1中描述了这种现有技术的系统。在现有技术中，线性高效率交换功率放大器和电源解决方案是已知的。

通常，声频放大器电路中的元件被认为是三种显然不同的元件并被如此设计。元件典型地由电缆和连接器连接来执行整个系统转换从电源线到声输出的能量。

作为一个例子，功率放大器通常被设计驱动由声频放大器生产商制造的各种类型的扬声器。为了成为有竞争性并且有效率的放大器，放大器必须处理扬声器多样的电阻性和电抗性的阻抗特性。这种设计标准大大复杂化了地使放大器的设计。并且扬声器驱动器通常被设计由各种类型的放大器驱动。这种灵活性将会导致比实际需要更复杂的实现。

一个普通的声频功率转换系统由三种明显的也就是，被电缆和连接器机械地的连接的机械元件实现。每个机械元件本身都具有的处理系统中热量增加的机械结构。现有技术中放大器设计中常见的甲类和甲乙类放大器的冷却需要使得设计必须把不同的部件分开。尤其是分开转换器。因此这种设计中一个高效率的丁类放大器是优选的。

在专利US6243472(Fully integrated amplified loudspeaker)中表示一个放大器和转换器的物理集成。

丁类放大器的最具限制性的部分是输出滤波器。这个滤波器导致增加输出阻抗，而增加的输出阻抗导致更差地处理扬声器，因为180度相位滞后和由此可能出现的整个系统的不稳定引起复杂和高价的控制系统，在系统的正向通路和反馈通路中的带宽限制，导致变形和互调的滤波器的非线性，因为大型重型的滤波器部件引起的容量和重量地增加和因为在潜在击穿的情况中使得负载被消除时的高品质因数引起的峰化，也导致去使用一个效率折衷的Zobel网络。所有的因素导致一种没有效率，昂贵，体积大，沉重，非线的和不稳定的系统。

现有技术系统包括一个低通输出滤波器以便获得输出端的PWM高效率谱分量的衰减，和一个此外将导致高级的EMI(电磁干扰)扬声器电缆。

仅仅功率非常低的系统可以从没有滤波的扬声器电缆中获得许可的EMI特性。这种较小滤波的丁类放大倍数在US6262632中表示。然而，解决方案需要复杂的信号处理，不提及放大器和转换器的物理集成。

低通输出滤波器也被介绍以便能够减少高频切换电流通过的转换器中的功率损失。这将潜在地引起转换器过热并导致最后被击穿。

传统电动转换器中的音圈由直径大大超过在切换频率时的电流穿透深度的导线产生。这导致一个低DC电阻但是高AC电阻；这意味着切换频率时的高损耗。

此外，转换器的磁性结构对于导致磁性结构严重的高频损耗的高频电流不是最佳的。

通常的声频放大从任何观点看既不是电力地最佳也不是机械地最佳。根本地，在一个电气地表示元件和对机电实现有新的考虑的给定的应用中可以得到更多。

发明内容

因此，本发明第一个目标在于提供一个有效的电声功率转换系统，该系统按照不同元件的电气专用克服涉及传统功率放大和转换器技术的基本问题。

第二个目标是提供一种在改进的线性，较大改进的动态范围和与非常低的电磁干扰结合的声音性能等级方面具有较高总效率，较高声频性能特征的系统。

本发明第三个目标是提供一种智能的机械解决方案，其大大地简化整个声频功率转换电路中的机械设备，降低了开发成本，改进最后系统的坚固性。

这些和其它的目标通过一个在绪论中提及的被描述为脉冲调制管(PMT)的设备实现，其中电声转换装置被直接连接到交换级，被配置为将一个交换级的脉冲串转换为在转换器振动膜上的声频波，其中调制器，交换级和转换装置被机电集成在一块操作单元中。可直接与干线电源或者整流干线相连接。

PMT设计可以被分成两种不同的种类。AC类和DC类PMT分别表示为具有一个AC电源或者DC电源。具有两个附加子类的AC类根据包含在PMT结构中功率放大级数目的特征被称为单级和双级。在AC类和DC类PMT中PWM产生器的全部可能的实现包括一种或者多种半桥式。

按照这种解决方案，传统的独立电源处于PMT的一些种类中，但是实际上它们因为脉冲调制转换器(PMT)的执行而被取消。机械集成可以消除在电缆和连接器中放大信号的转移，因此，获得一个改进的具有降低EMI的声频转换器。

在介质中实现大功率应用的机械集成需要一种要求实现冷却的切换操作和具有简单的功率处理部分的高效率转换级。

如果例如PWM和PDM的切换技术被包含在一个传统的放大器中，将需要滤波来产生一个能在扬声器电缆中传播的声频信号。无法接受EMI级别的结果将使得不可能通过扩音器电缆馈送转换脉冲序列。正如聚焦电缆传输的现有技术，除了非常低的功率应用和低通输出滤波器设计，没有方法消除在放大器中的滤波。

按照本发明，功率被作为高电压脉冲序列传送，直接从转换级馈送到转换器。通过这种电集成，不再需要独立的滤波，而代替转换器的固有的被用于完成脉冲序列滤波并且获得更高效率的性质。电-动转换器在典型的切换频率时部分地是电感性，且转换器可以通过功率放大级优化来最小化高频损耗。

解决上面提到的电位EMI问题可以通过电子学和转换器的机械结合来进一步应用于实际。这个想法是在转换器内部实现一个高效的功率部分，作为集成在系统中的一个模块。电源部分和控制循环的机械实现将与辐射发生的区域减少一起促使EMI的强烈减少。

PMT节省了包装材料、放大器冷却和电源，并且像上面提到的，消除了元件的布线和连接。随后，声频功率转换电路的机械稳定性和坚固性可以较大地改善。

放大部分和转换器总的贡献在于通过更少的错误产生元件改善了性能。

可以在专用系统中实现完全补偿技术(MFB，扬声器均衡)。举例来说，在PMT核心电子部分实现基于DSP的补偿是显而易见的。

可以通过PMT内的功率转换的本地实现来简化保护系统。

PMT的想法是在声频再生电路中的三个基本电源转换元件之间的基本辐射的想法。功率转换系统完全机电集成到转换器中，以致新系统-脉冲调制转换器可以直接由AC干线驱动，或者可选的通过一个DC输入干线驱动。另一个有利特征是如果以整流的干线电平运行，放大器将永远不会被切断。

源输入可以是模拟的或者是数字类型，它被直接地连接到PMT单元。这个概念是在声频功率转换中的范例，对于本领域是新的。

通过使用丁类或者PWM切换技术，可能避免如果要尝试一种传统技术的部件结合时发生的加热相关问题。

本发明的一个进一步有利的实施例是使用一个通过载波装置或者受控振荡调制器产生的三级(乙丁类)PWM波，例如依照WO98/19391。另一个提出的实施例是通过一个同步的受控振荡调制器来调制三级PWM信号，如在申请者的瑞典专利申请No.0104401-5所描述的，因此可以在此引入作为参考。正如在带有能量效率功率转换的声频放大器技术中所描述的，ph.D Thesis，DTU 1988，NBDD或者NBDS类型具有非常吸引人的高频特性，这一点在直接驱动一个转换器时将是有利的。两种方法在空载时都具有0HF成分，这意味着在0调制的时候关于载波成分的损耗为0。此外所述的三级调制将具有最高振幅比例的波纹电流引进调制指标M，其中M＜1。因此波纹电流仅在M＝1时获得完全峰值振幅。此外因为不同的输出信号在空载时为0，提出的SCOM调制器也将隐含一个转换器的0空载损耗。因此上述的三级调制在PMT系统中是有利的。

输出滤波器的消除也导致更容易的控制实现。因为只有转换器音圈能够影响声频电路的运送路径的相位，所以为了维持一个固有的稳定系统具有许多的相位余量。因此，反馈路径不再需要相位超前和滞后补偿，正如在申请者的专利US6297692，题为“PulseModulation power amplifier with enhanced cascade control method”进行的，因此在此引入作为参考。

优选的，反馈通道可以被执行作为输出PWM产生器输出PWM信号的分压和低通的滤波。

优选的，切换电子学可以在一个带有例如模具引线接合法技术的基础上实现，所述的基础利用转换器本身来冷却。特别的是转换器的磁结构具有重要的热容量。这种安排保护了电源处理部件的低温度运转和一个最小的音量来使得PMT最后得到的音量最小化。

附图说明

通过参考附图，将在下面进一步描述本发明的优选实施例。

图1表示一个具有三个明显元件的现有技术电源转换系统，这三个元件分别是电源、功率放大器和电-动转换器。

图2表示一个现有技术的系统，该系统包括一个电源、一个丁类放大器和一个对相互没有任何专用的转换器。此外还包括一个输出滤波器作为任何其他的丁类放大器。

图3表示一个现有技术系统的简图，其中一个未优化的转换器被在扬声器电缆上的PWM产生器直接驱动。

图4表示依照本发明的一个优选实施例的脉冲调制转换器的简要视图。

图5表示一个单级AC PMT，其是一种图4所示PMT的可能的实现。

图6表示一种包括专用单端的电源，一个作为全桥功率放大级执行的专用PWM发生器和一个专用电-动转换器的两级AC PMT的可能的实施。

图7表示一种包括一个作为半桥功率放大级执行的专用PWM发生器，更进一步包括一个专用电动转换器和一个向PWM发生器供电的专用单端电源的两级AC PMT。

图8表示一种DC PMT可能的实现，DC PMT包括实现双/平衡端电源，一个作为半桥功率放大级执行的专用PWM发生器和一个专用电动转换器。

图9表示DC PMT另一种可能的实现，DC PMT包括一个专用单极电源，一个作为两个半桥功率放大级执行的PWM发生器和一个专用电动转换器。

图10表示一种放置在封闭箱中的电动转换器输入电阻。

具体实施方式

图4中表示一种依据本发明一个实施例的脉冲调制转换器1的示意图。可以在单转换级2中执行功率转换，直接从整流干线3进行切换。

对于所有优选的实施例来通常调制器可以是模拟的或者数字的，一般属于PWM或者PDM类型。一个“受控的振荡调制器”可以更优选地产生脉冲波，如同在申请者的专利US6362702中所描述的，或者一个优选地产生3级(乙丁类)PWM脉冲波的同步受控振荡调制器或者一个通常产生这个信号的数字PWM调制器。这种执行将导致电动转换器中音圈和磁性结构的功率损失。调制信号将基于源输入 4(模拟或者数字)也可能是被处理的反馈信号。许多反馈原理在PMT拓扑中是适用的。例如：电压，电流，转换器中的动态反馈和传声器反馈。转换器补偿领域的个别技术人员将会发现许多方法可以成功地应用在PMT拓扑。因为输出滤波器已经被删除，PWM发生器输出中最后的相位滞后将近似地为0级，甚至于这些用在甲类，乙类和甲乙类的控制系统都是可行的。这一点是很重要的，因为设计中能够包括具有宽带宽和最后宽带噪声抑制的控制系统。

图5中表示本发明一种实施例单极AC PMT。一个单脉冲调制切换功率转换级被用于进行从AC干线到驱动转换器5的高质量脉冲调制功率信号的转换。电感负载直接被切换功率放大级驱动，因此，指明脉冲调制转换器(PMT)。功率放大级表示为两级半桥但是可以由一个半桥或者多个半桥实现。PMT接口可以包括电隔离。

优选实施例的更进一步的细节也在图5中被表示，其表示一个作为集成单元11的PMT。在这种情况下，一个AC输入12被一个二极管桥13整流，在电容器14中缓冲。最后的整流干线信号直接被具有由调制器17智能控制的电源切换16的一个半桥15驱动。切换技术是PWM类型，导致产生非常低的热量。由配电级产生的脉冲调制功率信号17驱动电动转换器19。

转换器19由一种电当量示意性地表示，转换器19的结构中包括一个自感应21，一个电阻22，和一个附加的电抗性部分23。

调制器17被连接到低电压声频源25，该声频源可以是模拟的或者数字的，调制器调制这个源信号以控制半桥切换级15。调制器17优选地包括一个完全控制系统，具有多个来自转换器的反馈信号26，例如电压，电流，声频再现信号，等等。

在所示的实施例中，源25通过光学装置27与调制器17隔离，以便保证系统的电隔离。这种结构完美地保证整个声频功率转换电路的电隔离。

切换级15可以在一个具有模板引线接合的铝基座上实现，基座使用转换器磁性结构进行冷却。

图5中表示的实施例系统按照电子和机械硬件复杂性明确地简化传统的声频功率转换电路。整个声频功率转换电路将在完全没有磁性结构下实现。

图6中表示的另一种AC PMT实施例，该实施例中配置两级AC PMT，其中电源被集成在PMT结构中。电源可以由单重供应或者双重供应实现。更进一步，PMT PWM发生器功率放大级优选地可以以两个半桥实现也可以以一个半桥或者多个半桥实现。在电源中或者PMT接口中可以获得电隔离。

图7中表示的DC PMT是由一个外形上安置在PMT的DC电源馈送的单端型式。电源可以馈送一个或者多个PMT’s。PMT功率放大级可以包括一个或者多个半桥。一个小的电容器可以嵌入功率放大级电源接线端，以便满足脉动需要。电隔离可以被引进电源或者PMT接口中。

在图9中表示如上所述的包括由两个半桥组成的PMT功率放大级的另一种DC PMT实施例。电源更优选地可以是单端的，一个或者多个PMT的馈送一个或者多个PMT’s。一个小的电容器可以嵌入功率放大级电源接线端，以便满足脉动需要。

电隔离可以被嵌入电源或者PMT接口。电隔离可以优选地通过光学装置或者插入一个信号转换器被嵌入接口中。这种结构完美地保证了整个声频转换电路的电隔离。

电源中的电隔离可以优选地通过光学装置或者使用绝缘的变压器实现。

为了克服电动转换器中的高频率损失，音圈可以优选地被设计使得形成音圈的导线仅仅十倍厚于切换频率时导线中电流的穿透深度。优选地，导线可以人为地从铜箔中抽出，得到更少的音圈匝数，同时降低音圈的阻抗。这意味着功率放大级具有更低的电源可以获得同样的输出功率。因此PMT还可以被用于低电压应用，例如不包括推进级的电池电源供电系统。低电源电压意味着在功率放大级中，转换器音圈中和磁性结构中甚至更低的损耗。

此外包括底板，磁铁，顶板和中央支柱的电磁转换器的磁性结构，或者所述磁性结构的部分结构，可以在磁性结构中添加一个外层。这个层可以在切换频率时具有一个比磁性结构更低的电阻以便在切换频率时减少磁性结构中的损失。

此外磁性结构可以包括铁氧体材料以便减少磁性系统中的高频损耗。

由于输出滤波器因为致命的击穿脉冲修尖的问题被消除，将不再出现为了能够衰减滤波器脉冲修尖而对一个Zobel网络的需要。这导致更有效和稳定的系统。

此外，由于输出滤波器的消除，PWM发生器的输出阻抗低于一个等价的丁类放大器的输出阻抗。这使得PWM发生器能够比具有一个输出滤波器的丁类放大器更好地处理扬声器。可以降低互调，失真，音量和带宽的限制。

此外，本发明所有在此表示的实施例除了AC单极PMT都能通过一个可以向功率放大级传递多输出电压的电源馈给，当其涉及效率，动态范围和电磁干扰时，控制系统可以包括增益偏移的装置以便得到一个改进的系统，上述如申请者的瑞典专利申请No.0104403-1名为“Attenuation control for digital power cinverter”中描述的那样，在此引入作为参考。

PWM发生器能够优选地适用于在图10中表示的电动转换器特性，以便获得更进一步的电集成。转换器将被一个具有尽可能高的频率的脉冲信号驱动，以便以一种有效的方式驱动转换器。上述对切换频率的限制是PWM发生器功率放大级和电磁干扰的效率。

明确的是技术人员将发现对上述优选的实施例的修正，这些修正应当被认为是被包含在附加的权利要求的范围中。例如，关于切换级的设计和反馈控制将仅仅被认为是一种实施例。

PWM概念是普遍的并独立于申请(可能从几百mW到10kW的高功率转换器)。这种PMT能够被方便地应用在用户声频，个人声频，汽车音像，移动终端和其它便携式低功率设备的应用。PMT可以普遍地适用于声频应用。

PMT本身方便系统设计，例如具有有源扬声器和亚低音扬声器。一个三向的有源扬声器系统将包括一个低音部，中音部和由干线和例如一个数字输入源驱动的高频扬声器PMT单元。在系统中仅仅可见的电子学将是PCB控制PMT’s和接口功能。一些信号的处理将同样被包含在一个具有自身DSP核心的智能PMT系统中。这将实质上自动化了有源扬声器的设计。

Claims (13)

1.一种将来自一个源(25)的声频信号转换为声频波的设备，包括：

一个调制器(17)，用于调制所述声频信号，

一个放大交换级(15)，用于放大一个由调制器提供的已被调制的声频信号，以及

连接到放大交换级的电-声转换装置(19)，其被安排将交换级中的脉冲序列(18)转换为声频波，

其中所述电-声转换装置在没有单独的滤波的情况下直接受到所述脉冲序列的驱动，且

其中所述的调制器(17)、交换级(15)和转换装置(19)被机电集成为一个运行单元，该运行单元可直接地与一个干线电源(12)相连或者直接地连接到干线。

2.如权利要求1所述的设备，其中转换器交换级最佳化以减少高频损耗。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述交换级(15)包括PWM交换技术。

4.如权利要求1所述的设备，包括一个向所述调制器提供转换装置输出变量的反馈(26)的反馈回路。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述的脉冲序列(18)是一种多级信号，优选的是一种三级信号。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述电磁转换装置具有包括两层材料的磁性结构，第一层，外层具有一个比第二层，内层更低的电阻，并且厚度大大小于内层的厚度。

7.如上述权利要求任何一个所述的设备，其中所述电磁转换装置的一个磁性结构包括铁氧体材料。

8.如上述权利要求任何一个所述的设备，更进一步包括一个音圈，该音圈导线的直径/厚度少于以脉冲调制信号的频率通过导线的电流穿透深度的十倍。

9.如权利要求8的设备，其中所述的导线是铜箔制造的。

10.如上述权利要求任何一个所述的设备，包括保证PMT绝缘的输入绝缘(27)。

11.如上述权利要求任何一个所述的设备，其中功率处理电路在一个基座上执行，所述的基座采用转换器自己冷却。

12.如上述权利要求任何一个所述的设备，适合于由一个安置在PMT外部或者内部的AC电源(12)驱动。

13.如上述权利要求任何一个所述的设备，适合于由一个安置在PMT外部或者内部的DC电源驱动。

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