CN202285431U - 一种扬声器保护电路及移动终端 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种扬声器保护电路及移动终端，包括电压调整单元和具有AGC功能的音频功率放大电路；所述电压调整单元的输入端连接电源，对电源幅值进行调整后，输出供电电压至所述音频功率放大电路的电源端子，所述音频功率放大电路的输入端子接收音频信号，输出端子连接扬声器。本实用新型的扬声器保护电路可以保证扬声器始终工作在其额定功率的范围内，从而有效避免了扬声器的损坏。并且，在扬声器得到有效保护的同时，还避免了削顶失真信号的出现，从而用户不会听到难以忍受的失真和杂音，使得通过扬声器播放出来的声音音质更好，尤其适合应用在采用电池供电的移动终端设备中，在提高整机可靠性的同时，使得整个系统的音质得以改善。
Description
技术领域
本实用新型属于音频电路技术领域，具体地说，是涉及一种扬声器的保护电路以及采用所述扬声器保护电路设计的移动终端。
背景技术
现在的扬声器都具有一个参数，即额定功率，它表征了扬声器在长期工作状态下能够承受的最大功率门限值。也就是说，如果扬声器长期工作在超过额定功率的状态下，则极易导致扬声器的损坏。为了防止扬声器损坏，就需要设置一个带限制输出幅度的音频功率放大器，通过该音频功率放大器使输出给扬声器的功率能够限制在一定的范围内。
为了实现音频功率放大器输出幅度的有效限制，现有的解决方案一般包括两种：一种是，通过对数模变换前的数字音频信号进行处理，可以限制数模变换后模拟信号的电压幅度，经过限幅的模拟信号再通过一个增益恒定的音频功率放大器后，通过音频功率放大器输出的信号功率也就被限制在了一定范围内，从而达到保护扬声器的目的。这种解决方案的缺点是：专用性强，不能推广应用到所有的设备中，尤其不能应用到不具备数字信号处理器的设备中。
第二种解决方案是使用带有自动增益控制AGC功能的音频功率放大器驱动扬声器输出。在这种音频功率放大器中集成了一个自动增益控制单元，可以根据自身输出信号的状态调整增益，具体为当检测到输出信号出现削顶失真时（一般削顶失真是由于功放放大倍数过大，动态范围不够引起的），降低功放本身的增益，直到没有削顶失真的信号。但是，这种带有AGC功能的音频功率放大器目前只有两类器件，一类是具有固定的门限值，例如YAMAHA公司的YDA144芯片，只能将输出不失真的功率限制在0.75W。如果设备上使用的扬声器的额定功率是0.5W，那么还是存在被损坏的风险；并且这类功放成本较高，不适合在价格竞争相对激烈的家电产品中推广应用。
另一类音频功率放大器成本较低，但是门限值不固定，它会随着功率放大器的供电电压的变化而不断变化。例如当供电电压为5V时，该类功率放大器可以输出的不失真功率为1W；而当供电电压为4.0V时，可以输出的不失真功率为0.8W。在一些使用电池供电的手持设备中，由于电池电压在使用过程中会不断下降，因此导致不失真的门限值也会不断降低，从而使得使用该类音频功率放大器的音频电路不能与扬声器之间达到最优的匹配。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种扬声器保护电路，通过将电压变换电路与音频功率放大器结合起来设计音频电路，不仅实现了对扬声器的保护，同时提高了音质。
为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种扬声器保护电路，包括电压调整单元和具有自动增益控制功能的音频功率放大电路；所述电压调整单元的输入端连接电源，对电源幅值进行调整后，输出供电电压至所述音频功率放大电路的电源端子，所述音频功率放大电路的输入端子接收音频信号，输出端子连接扬声器。
进一步的，所述音频功率放大电路为一颗最大不失真输出功率随电源电压的变化而变化的音频功率放大器。
又进一步的，通过所述电压调整单元输出的供电电压的幅值恒定。
其中，所述供电电压的幅值应小于等于音频功率放大器在最大不失真输出功率等于扬声器的额定功率时所对应的电源电压。
优选的，所述电源为电池。
再进一步的，在所述电压调整单元中包含有一输出电压随反馈电压的变化而自动调整的电压变换芯片，所述电压变换芯片的输出端连接音频功率放大电路的电源端子，并通过一分压电路接地，所述分压电路的分压节点连接所述电压变换芯片的反馈端。
其中，所述电压变换芯片可以是直流-直流变换器、也可以是低压差线性稳压器或者电荷泵等。
更进一步的，所述电压变换芯片和音频功率放大电路的使能端连接系统主芯片，接收系统主芯片发出的使能信号，以确定两部分电路的工作时序。
优选的，所述电压变换芯片和音频功率放大电路的使能端优选连接到系统主芯片的不同GPIO口上，接收系统主芯片发出的开关时序不同的使能信号，以避免通过扬声器输出杂音。
基于上述扬声器保护电路结构，本实用新型又提供了一种采用所述扬声器保护电路设计的移动终端，包括电源、扬声器、系统主芯片、电压调整单元以及具有自动增益控制功能的音频功率放大电路；将所述电压调整单元的输入端连接电源，对电源幅值进行调整后，输出供电电压至所述音频功率放大电路的电源端子，所述音频功率放大电路的输入端子接收音频信号，输出端子连接扬声器，驱动扬声器输出系统音频。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的扬声器保护电路可以保证扬声器始终工作在其额定功率的范围内，从而有效避免了扬声器的损坏。并且，在扬声器得到有效保护的同时，还避免了削顶失真信号的出现，从而用户不会听到难以忍受的失真和杂音，使得通过扬声器播放出来的声音音质更好。本实用新型的扬声器保护电路可以应用在任何音频电路的设计中，尤其适合应用在采用电池供电的移动终端设备中，在提高整机可靠性的同时，使得整个系统的音质得以改善。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的扬声器保护电路的原理框图；
图2是本实用新型所提出的扬声器保护电路的一种实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。
实施例一，本实施例针对具有自动增益控制AGC功能的音频功率放大电路设计用于驱动扬声器输出的音频电路，通过对音频功率放大电路的最大不失真输出功率进行限制，使其始终不超过扬声器的额定功率，从而实现了对扬声器的保护。此外，考虑到不同的扬声器，其标称的额定功率不同，因此，最好的解决方案就是设计一个电路，通过微小的改动就可以适应所有的扬声器，本实施例就是基于这个目的而设计的。
本实施例的扬声器保护电路主要由两部分组成：电压调整单元和具有AGC功能的音频功率放大电路，参见图1所示。将所述电压调整单元的输入端连接电源VBT，所述电源VBT可以是电池，也可以是其他直流电源；电压调整单元的输出端连接音频功率放大电路的电源端子，通过电压调整单元对输入的电源VBT进行变换处理后，生成合适的供电电压VCC为音频功率放大电路供电。
在本实施例中，所述音频功率放大电路优选采用一颗最大不失真输出功率随电源电压的变化而变化的音频功率放大器设计实现，通过调整其电源电压，即可实现对任意扬声器的保护。以型号为AW8110的音频功率放大器为例进行说明，此类功率放大器在失真度为1%，负载扬声器的阻抗为8Ω时，其电源电压和最大输出功率的关系为：当电源电压为5.0V时，最大输出功率为1.5W；当电源电压为4.0V时，最大输出功率为0.8W；当电源电压为3.5V时，最大输出功率为0.6W。如果系统中选用的扬声器的额定功率为0.8W，那么只需要控制音频功率放大器的电源电压小于等于4.0V即可。如果系统中选用的扬声器的额定功率为0.6W，则只需控制音频功率放大器的电源电压小于等于3.5V即可。
作为扬声器单元来说，设计者和使用者总是希望声音越大越好。而在其他条件相同的情况下，电源电压越高，音频功率放大器输出的信号功率越大，那么扬声器还原出来的音频信号响度越高。因此，最优的选择是为音频功率放大器提供其最大输出功率等于后级扬声器的额定功率所对应的电源电压，使扬声器刚好工作在其额定功率的状态下，以获得响度最高的音频输出。仍以型号为AW8110的音频功率放大器为例进行说明，则最优的选择是如果选用额定功率是0.8W的扬声器，则通过电压调整单元输出给音频功率放大器的供电电压VCC最好恒定在4.0V；如果选用额定功率为0.6W的扬声器，则提供给音频功率放大器的供电电压VCC最好恒定在3.5V。
对于电压调整单元来说，它的输出电压可以是变化的，也可以是恒定的。如果是变化的，为了保证扬声器不受损坏，这个输出电压在随电源VBT电压变化的过程中不能超过音频功率放大器对应扬声器额定功率时的最大电源电压值。本实施例最优的方案是使用恒定的输出电压值。
针对不同电压值的电源VBT，电压调整单元可以是升压电路，也可以是降压电路，可以采用电压变换芯片配合简单的外围电路设计实现。所述的电压变换芯片可以是直流-直流变换器（即DC-DC器件），也可以是低压差线性稳压器LDO或者电荷泵。因为音频功率放大器耗费的电流较大，最优的方案是使用效率较高的DC-DC变换器。
图2示出了扬声器保护电路的一种具体电路构建，其中，U1为电压变换芯片，以DC-DC变换器为例进行说明；U2为音频功率放大器。将DC-DC变换器U1的输入端BATT连接电池VBT，并通过滤波电容C1接地；输出端POUT输出经变换后的供电电压VCC，一方面传输至音频功率放大器U2的电源端子VDD，另一方面经由电阻R2、R3组成的分压电路分压后，通过分压节点输出反馈电压至DC-DC变换器U1的反馈端FB。所述DC-DC变换器U1具有1.2V至5.5V的宽范围输入电压，同时具有3.3V至5V的宽范围输出电压，通过调节电阻R2和R3的阻值，即可调整DC-DC变换器U1的输出电压，即供电电压VCC的幅值，使其电压值与音频功率放大器U2的最大输出功率等于扬声器的额定功率时所对应的电源电压相等。
在所述音频功率放大器U2中集成有自动增益控制模块，它可以检测到自身输出的破音失真，从而自动降低系统的增益，直到没有破音出现。如果输出的信号在一定时间内没有失真，它还会自动恢复功放的增益。使用这样的音频功率放大器U2，可以保证输出给扬声器的信号没有削顶失真。对于没有削顶失真的音频信号，其最大输出功率的计算方法为： 。其中，R为扬声器的阻抗；Vp-p是输入给扬声器的最大不失真电压；W为输入给扬声器的功率，即音频功率放大器U2的最大输出功率。在实际设计过程中，可以让这个功率W等于扬声器的额定功率，既可以获得没有削顶失真的音频信号，又可以获得最大的声音响度。
由于音频功率放大器U2输出的最大不失真信号的电压峰峰值Vp-p与其接收到的供电电压VCC相关，即供电电压VCC越高，可获得的最大不失真信号的电压峰峰值Vp-p越高，其输出功率W也越高；反之，供电电压VCC越低，其输出功率W也越低。通过实验以及查阅该类音频功率放大器U2的产品手册，可以确定通过DC-DC变换器U1输出的供电电压VCC的幅值。仍以型号为AW8110的音频功率放大器为例进行说明，由于其在供电电压为4.0V时，输出的最大不失真信号的功率为0.8W，如果这个电路匹配的扬声器的额定功率为0.8W，那么使用这个电路就不会出现音频功率放大器损坏扬声器的现象。如果选用的扬声器的额定功率不是0.8W，通过实验或查阅产品手册可以找到其他功率对应的音频功率放大器的供电电压VCC，比如说0.6W的扬声器应该对应3.5V的供电电压VCC。这个对应关系依据不同的音频功率放大器而不同，实际应用时需要一一对应。
图2中，DC-DC变换器U1的使能端ON和音频功率放大器U2的使能端EN可以进一步连接系统主芯片，接收系统主芯片输出的使能信号，以确定两部分电路的工作时序。作为一种优选设计方案，所述DC-DC变换器U1的使能端ON和音频功率放大器U2的使能端EN应分别与系统主芯片的两路GPIO口GPIO1、GPIO2一一对应连接，在接收到高电平使能信号时进入工作状态，接收到低电平使能信号时关闭。由于每个芯片进入正常工作状态的时间要求不同，如果这个时间匹配不当，会造成电路工作不稳定或者音频功率放大器输出给扬声器杂音的问题。正常的控制方法是：开启音频通路时，首先通过主芯片的GPIO1口输出高电平的使能信号，开启DC-DC变换器U1，待其工作稳定后，再通过主芯片的GPIO2口输出高电平的使能信号，开启音频功率放大器U2。此时，音频功率放大器U2通过其音频输入端子IN+、IN-接收来自系统的差分音频信号A+、A-，经功率放大处理后驱动扬声器输出声音。而关闭音频通路时，应该首先通过主芯片的GPIO2口输出低电平的使能信号，关闭音频功率放大器U1；延时几个毫秒后，再通过主芯片的GPIO1口输出低电平的使能信号，关闭DC-DC变换器U1。
采用本实施例所提出的音频电路设计方式，在保护扬声器的同时，不会出现削顶失真信号，从而用户不会听到难以忍受的失真和杂音，使得从扬声器播放出来的声音音质更好，尤其适合应用在手机等移动终端的电路设计中，以提高移动终端的整机品质。
当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种扬声器保护电路，其特征在于：包括电压调整单元和具有自动增益控制功能的音频功率放大电路；所述电压调整单元的输入端连接电源，对电源幅值进行调整后，输出供电电压至所述音频功率放大电路的电源端子，所述音频功率放大电路的输入端子接收音频信号，输出端子连接扬声器。
2.根据权利要求1所述的扬声器保护电路，其特征在于：所述音频功率放大电路为一颗最大不失真输出功率随电源电压的变化而变化的音频功率放大器。
3.根据权利要求2所述的扬声器保护电路，其特征在于：通过所述电压调整单元输出的供电电压的幅值恒定。
4.根据权利要求3所述的扬声器保护电路，其特征在于：所述供电电压的幅值小于等于音频功率放大器在最大不失真输出功率等于扬声器的额定功率时所对应的电源电压。
5.根据权利要求1所述的扬声器保护电路，其特征在于：所述电源为电池。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的扬声器保护电路，其特征在于：在所述电压调整单元中包含有一输出电压随反馈电压的变化而自动调整的电压变换芯片，所述电压变换芯片的输出端连接音频功率放大电路的电源端子，并通过一分压电路接地，所述分压电路的分压节点连接所述电压变换芯片的反馈端。
7.根据权利要求6所述的扬声器保护电路，其特征在于：所述电压变换芯片和音频功率放大电路的使能端连接系统主芯片，接收系统主芯片发出的使能信号。
8.根据权利要求7所述的扬声器保护电路，其特征在于：所述电压变换芯片和音频功率放大电路的使能端连接系统主芯片的不同GPIO口，接收系统主芯片发出的开关时序不同的使能信号。
9.根据权利要求6所述的扬声器保护电路，其特征在于：所述电压变换芯片为直流-直流变换器、低压差线性稳压器或者电荷泵。
10.一种移动终端，包括电源、扬声器和系统主芯片，其特征在于：还包括如权利要求1至9中任一项权利要求所述的扬声器保护电路。
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