CN204349930U - Usb瞬态功率音频放大系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种USB瞬态功率音频放大系统，包括：检测保护电路，其一端接USB电源输入，另一端经DC/DC电源电路接电源输出电路；检测保护电路另一输出端接电池充放及电池保护电路的输入端；电池充放及电池保护电路的输出端接DC/DC电源电路，DC/DC电源电路的输出端还接一储能电容，储能电容的另一端接地；电池充放及电池保护电路另一输入端接有一组储能电池；检测保护电路的第三输出端接USB数字音频输入电路的信号端，USB数字音频输入电路的输入端接USB声卡信号端直接读取电脑上的音频数据流。本实用新型通过增加电池储能，让同功率级别下的连续输出时间大幅延长，以保证原有瞬态输出时间的条件下大幅提升输出功率。
Description
技术领域
本实用新型涉及USB接口领域，尤其涉及一种USB瞬态功率放大系统。
背景技术
随着USB接口在电脑普遍使用，多媒体播放设备系统也越来越多，特别是在USB声卡的退出，直接使用USB声卡及功放的输出，如何在USB上接上电脑直接替换了电脑声卡和通过数据D/A变成模拟音频信号和输出大功率。由于USB接口标准限定，其接口的输出电压为+5V，电流最大为500mA，即该接口所能输出的连续极限功率为2.5瓦，然而对于音乐播放系统而言，一般的音乐信号输出的峰值(瞬态)不失真功率和其平均输出功率的比值在8：1左右，如图1所示。
也就是说，一个能连续输出2.5W的功率源，能提供给音乐播放系统大约最大20W左右的峰值功率；现有的利用音乐信号这种特性，将USB接口的+5V电源采用DC-DC变换，将电压提升至音频功率放大器系统输出20W左右的电压条件，并采取电容储能的方式，在音乐信号的峰值时提供瞬态能量，而在音乐信号的低谷值时USB通过DC-DC对其补充能量，如图2所示。
上述方式解决了USB接口低电压电源输出较大瞬态峰值功率的问题，但是由于储能电容不能无限制地加大，因此，持续输出大功率受到限制，尤其针对强度大的音乐信号时，存储在电容中的能量很快将被负载耗尽，但此时储能电容中的能量还来不及补充，因此总体的输出能量仍然被2.5瓦这个输入功率限制在很短的时间里，因此该方案输出瞬态功率只能在20瓦量级，不能提供更大的输出功率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种USB瞬态功率放大系统，通过增加电池储能，让同功率级别下的连续输出时间大幅延长，以保证原有瞬态输出时间的条件下大幅提升输出功率。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。
一种USB瞬态功率放大系统，包括：
检测保护电路，其一端接USB电源输入，另一端经DC/DC电源电路接电源输出电路；
检测保护电路的另一输出端接电池充放及电池保护电路的输入端；
电池充放及电池保护电路的输出端接DC/DC电源电路，DC/DC电源电路的输出端还接一储能电容，储能电容的另一端接地；
电池充放及电池保护电路的另一输入端接有一组储能电池；
检测保护电路的第三输出端接USB数字音频输入电路的信号端，
USB数字音频输入电路的输入端接USB声卡信号端直接读取电脑上的音频数据流，USB数字音频输入电路的输出端接模拟音频电路的输入端。
进一步优选地，所述电池充放及电池保护电路主要由集成芯片、充电控制集成芯片、放电控制集成芯片、电池组、电容组成，集成芯片的第5管脚经电阻R104接DC/DC电源输入端,集成芯片的第1管脚与充电控制集成芯片的第5管脚相连；集成芯片的第3管脚与放电控制集成芯片的第4管脚相连；充电控制集成芯片的第2、3管脚并联后经电容C111与集成芯片的第5管脚相连，在电容C111与充电控制集成芯片的第2管脚之间连接有充电电池组。
进一步优选地，所述DC/DC电源电路主要有三极管(Q100)、第一升压转换器(U100)、第二升压转换器(U101)、第三升压转换器(U102)及第四升压转换器(U103)组成。
进一步优选地，所述USB数字音频输入电路主要由第一集成电路(U2)、第二集成电路(U107)组成。
进一步优选地，所述模拟音频电路主要由第一放大器(U108A)、第二放大器(U108B)、第一耦合电容(C125)、第二耦合电容(C126)、第三耦合电容(C133)、第四耦合电容(C134)组成，第二集成电路(U107)的15脚和16脚输出模拟音频信号通过第一耦合电容(C125)、第二耦合电容(C126)至放大器(U108)的前级放大后由第三耦合电容(C133)、第四耦合电容(C134)耦合模拟音频输出。
进一步优选地，所述检测保护电路采用自恢复保险丝。
本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型提供的USB瞬态功率放大系统，通过增加电池储能，让同功率级别下的连续输出时间大幅延长，以保证原有瞬态输出时间的条件下大幅提升输出功率。同时，由于加入了硬件保护电池，即使断开USB电源，保证了在断电的情况下电池处于饱满状态，而不会自动放电。这样也有助于提升系统中电池充放电的性能及寿命。
附图说明
图1为功率、电源、音乐峰值功率及平均音乐功率的关系图；
图2为现有的单一电源功率USB瞬态功率放大系统原理框图；
图3为本实用新型USB瞬态功率放大系统原理框图；
图4为本实用新型USB数字音频输入电路原理图；
图5为本实用新型模拟音频电路原理图；
图6为本实用新型DC/DC电源电路原理图；
图7为本实用新型电池充放及电池保护电路原理图。
具体实施方式
本实用新型的核心思想：本实用新型通过将现有的储能单元由单一的电容改成电池和电容两者结合的方式，并增加一套电池充电和电源管理系统，通过增加电池储能，让同功率级别下的连续输出时间大幅延长，以保证原有瞬态输出时间的条件下大幅提升输出功率。由于音乐信号本身的瞬态输出和平均输出功率比值在8：1甚至更低，同时音乐信号有很多时间为空闲时间，利用这样的特征，让USB接口提供的能量大部分的时间为电池充电，以满足大功率较长时间的高动态需求，在需要临时性的瞬态输出时通过电容来提供能量，连续瞬态最大输出功率时由电池辅助以提供输出更大的能量。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图3所示，本实用新型USB瞬态功率放大系统，包括：
检测保护电路1，其一端接USB电源输入，另一端经DC/DC电源电路2接电源输出电路3；
检测保护电路1的另一输出端接电池充放及电池保护电路4的输入端；
电池充放及电池保护电路4的输出端接DC/DC电源电路2，DC/DC电源电路2的输出端还接一储能电容，储能电容的另一端接地；
电池充放及电池保护电路4的另一输入端接有一组储能电池；
检测保护电路1的第三输出端接USB数字音频输入电路6的信号端，
USB数字音频输入电路6的输入端接USB声卡信号端直接读取电脑上的音频数据流，从而减少音频数据流的损失，其输出端接模拟音频电路5的输入端。
本实用新型中，采用USB电源供电可以直接省去外置电源而增加成本。采用USB声卡也直接省去了信号线与电脑的连接，克服了传统的多媒体音响的功率低和音质不好等因素。
如图4所示，USB数字音频输入电路主要由U2集成电路、U107集成电路组成，当USB插入电脑接口时，屏蔽电脑声卡，U2的外围元件晶振(Y100)起振，U107具有16位精度和48KHz的最大采样率，并且还具有动态范围为89dB(典型值)的ADC和动态范围为93dB(典型值)的DAC。U107内置防止非法拷贝(SCMS)的保护功能，并与12MHz片上时钟发生器全双工兼容。从U107的15脚和16脚输出模拟音频信号(L/R)。
如图5所示，模拟音频电路主要由放大器U108A、放大器U108B、耦合电容C125、C126组成，U107的15脚和16脚输出模拟音频信号通过耦合电容C125、C126至放大器U108的前级放大后由耦合电容C133、C134耦合模拟音频输出。
如图6所示，DC/DC电源电路主要有三极管Q100、升压转换器U100、U101、U102、U103组成，电源USB输入5V/500mA经过检测保护电路与三极管Q100的发射极相连，三极管Q100的集电极接升压转换器U100、U101、U102、U103，再由J1输出直流电压。
升压转换器U100、U101、U102、U103是一款高频高效率升压转换器，内部集成了2.8A，0.1欧姆的功率MOSFET，最大输出可达26V,1.2MHZ的工作频率减小了输入输出电容、电感选择和纹波。还集成了软启动、回路补偿、过流保护功能。6引脚SOT封装。输入电压范围：2.3V～6V，输出电压可达26V，2.8A电流限制，效率高达96％，固定的1.2MHZ开关频率，内部集成软启动，支持欠压保护，支持过温保护，工作温度范围为-40℃至+125℃。
优选的，检测保护电路采用自恢复保险丝，以提供电源保护功能。
如图7所示，电池充放及电池保护电路主要由集成芯片U104、充电控制集成芯片U105、放电控制集成芯片U106、电池组、电容C111组成，集成芯片U104的第5管脚经电阻R104接DC/DC电源输入端(3V7D),集成芯片U104的第1管脚与充电控制集成芯片U105的第5管脚相连；集成芯片U104的第3管脚与放电控制集成芯片U105的第4管脚相连；充电控制集成芯片U105的第2、3管脚并联后经电容C111与集成芯片U104的第5管脚相连，在电容C111与充电控制集成芯片U105的第2管脚之间连接有充电电池组。
U105是一款高精度的单节可充电锂电池的过充电和过放电保护电路，它集高精度过电压充电保护、过电流充电保护、过电压放电保护、过电流放电保护等性能于一身。正常状态下，U104的VDD端电压在过电压充电保护阈值(VOC)和过电压放电保护阈值(VOD)之间，且其VSS检测端电压在过电流充电保护阈值(COUT)和过电流放电保护阈值(VOUT)之间，此时U104的COUT端和DOUT端都输出高电平，分别使外接充电控制U105和放电控制U106工作导通。这时，既可以使用充电器对电池充电，也可以通过负载使电池放电。U104通过检测VDD或VSS端电压来进行过充/放电保护。当充/放电保护条件发生时COUT/DOUT由高电平变为低电平，由导通变为截止，从而充/放电过程停止。U104对每种保护状态都有相应的恢复条件，当恢复条件满足以后，COUT/DOUT由低电平变为高电平，使U105/U106由截止变为导通，从而进入正常状态。U104对每种保护/恢复条件都设置了一定的延迟时间，只有在保护/恢复条件持续到相应的时间以后，才进行相应的保护/恢复。如果保护/恢复条件在相应的延迟时间以前消除，则不进入保护/恢复状态。
对于音乐而言，当音乐停止功放几乎不消耗能量时，充电控制部分要将几乎全部的外界输入能量以最快的充电方式对充电电池充电，当有音乐功率输出时，但功率还小于从外界获取的能量，充电控制电路将剩余的能量同样存储于充电电池中，当有瞬态峰值功率到来，且瞬态峰值功率的持续时间在瞬态能量存储单元能承受的100mS以内，此时的电池组同样不会参与能量补充工作，在以上3中条件下，充电电池通过充电控制电路一直在存储能量(充电)，直到充电电池存储的能量达到容量限制是才会停止；能量的释放(放电)也是智能的，我们可以通过设置一个放电启动阀值电平(VSTATE)和两个放电关闭阀值(VSTOP_L、VSTOP_H)，如图7所示，也就是说一旦负载的供电电压因为输出的功率的增加而降低时，电池放电并不是立即就参与能量的补充，它的介入是在放电管理单元检测到功放电源跌落到了VSTATE时，电池组才对功放消耗的能量进行补充，停止放电阀值则取决于VSTOP_L和VSTOP_H，其中VSTOP_H是功放电源电压回升后的阀值电平，VSTOP_L则是电池组持续放电的最低极限阀值。本电路还加入了硬件保护电池，即使断开USB电源，保证了在断电的情况下电池处于饱满状态，而不会自动放电。这样也有助于提升本系统中电池充放电的性能及寿命。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种USB瞬态功率音频放大系统，其特征在于，包括：
检测保护电路，其一端接USB电源输入，另一端经DC/DC电源电路接电源输出电路；
检测保护电路的另一输出端接电池充放及电池保护电路的输入端；
电池充放及电池保护电路的输出端接DC/DC电源电路，DC/DC电源电路的输出端还接一储能电容，储能电容的另一端接地；
电池充放及电池保护电路的另一输入端接有一组储能电池；
检测保护电路的第三输出端接USB数字音频输入电路的信号端，
USB数字音频输入电路的输入端接USB声卡信号端直接读取电脑上的音频数据流，USB数字音频输入电路的输出端接模拟音频电路的输入端；所述电池充放及电池保护电路主要由集成芯片、充电控制集成芯片、放电控制集成芯片、电池组、电容组成，集成芯片的第5管脚经电阻R104接DC/DC电源输入端,集成芯片的第1管脚与充电控制集成芯片的第5管脚相连；集成芯片的第3管脚与放电控制集成芯片的第4管脚相连；充电控制集成芯片的第2、3管脚并联后经电容C111与集成芯片的第5管脚相连，在电容C111与充电控制集成芯片的第2管脚之间连接有充电电池组。
2.如权利要求1所述的USB瞬态功率音频放大系统，其特征在于，所述DC/DC电源电路主要有三极管(Q100)、第一升压转换器(U100)、第二升压转换器(U101)、第三升压转换器(U102)及第四升压转换器(U103)组成。
3.如权利要求1所述的USB瞬态功率音频放大系统，其特征在于，所述USB数字音频输入电路主要由第一集成电路(U2)、第二集成电路(U107)组成。
4.如权利要求3所述的USB瞬态功率音频放大系统，其特征在于，所述模拟音频电路主要由第一放大器(U108A)、第二放大器(U108B)、第一耦合电容(C125)、第二耦合电容(C126)、第三耦合电容(C133)、第四耦合电容(C134)组成，第二集成电路(U107)的15脚和16脚输出模拟音频信号通过第一耦合电容(C125)、第二耦合电容(C126)至放大器(U108)的前级放大后由第三耦合电容(C133)、第四耦合电容(C134)耦合模拟音频输出。
5.如权利要求3所述的USB瞬态功率音频放大系统，其特征在于，所述检测保护电路采用自恢复保险丝。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2023142574A1 (zh) * | 2022-01-27 | 2023-08-03 | 上海商汤智能科技有限公司 | 一种调节电路和电子设备 |
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2014
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