CN204810526U - 基于开关电源和d类功放的2.1声道数码音响系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，所述的系统包括：开关电源模块，用以给系统供电；功放模块，包括左右声道单元，用以提供音频信号；低音炮单元，用以提供重低音信号；开关电源模块为反激式开关电源模块或正激式开关电源模块，功放模块还包括第一音量控制电位器、第二音量控制电位器、第三音量控制电位器、第一耦合电容、第二耦合电容以及有源滤波器。采用该种基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，提高了整个系统的效率、减小了变压器和功放的发热量、显著减小15W×2+20W输出级别的2.1声道数码音响系统的体积、且可以在全球各国110V～240V不同的交流电源下使用，应用范围广泛。

Description

基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统

技术领域

本实用新型涉及领域，尤其涉及，具体是指一种基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统。

背景技术

如今，具有双声道加独立重低音的2.1声道音响系统是消费级市场上最常见的产品。面对日益激烈的市场竞争，一套低成本、低功耗、高能效的2.1声道音频功放系统是提高整套音响产品竞争力的关键。

在现有传统的音频功放方案中，如图1所示，为现有变压器电源加A/B类音频功放系统原理图。供电由变压器提供，变压器把110V或220V交流电转为正负直流电平；音频功率放大由A/B类音频功率放大器电路A、功率均衡电阻R4、取样电阻R5、反馈电阻R3和反馈电容C2组成。其中，所述的取样电阻R5串联在扬声器Y的接地回路上。电阻R5的非接地端1连接到反馈电容C2的负极，电容C2的正极连接到反馈电阻R3，R3的另一脚连接到功率放大器A的反相输入端。所述的功率均衡电阻R4的一端连接功率放大器A的输出端，R4的另一端连接到电阻R5的非接地脚1。

中国专利CN202231676U公开了一种车载音频功率放大器电路，能有效地控制扬声器的运动状态，扩展汽车音响系统的频响，提高整个音响系统的音质。

中国专利CN201180012282公开了一种音频功率放大器，包括第一放大单元和第二放大单元，每个放大单元包括：开关电压放大器；输出滤波器；电流补偿器；内电流反馈回路，其将在输出电感器处所测量的电流的度量反馈给电流补偿器的求和输入；电压补偿器，其耦合到电流补偿器的求和输入；以及外电压反馈回路。受控信号路径将第一放大单元的电压补偿器的输出提供给第二放大单元的电流补偿器。第一放大单元和第二放大单元可随单独的负载进行操作、与驱动公共负载并联地进行操作或者跨桥接式负载进行操作。可以添加第二对放大单元并使其与第一对放大单元一同操作，以利用桥接式负载的每侧上的一对并联放大器来驱动单一扬声器。

中国专利CN201120334966U公开了一种多功能组合音响，包括箱体及与箱体电连接的两音箱，箱体内设置有微控制器、音频播放模块、视频播放模块及功率放大器，箱体上设置有分别与微控制器电连接的耳机接口、USB接口、闪存卡接口、若干按键，与视频播放模块电连接的LCD液晶显示屏及与音频播放模块电连接的旋钮，音箱内置有扬声器并分别与功率放大器电连接，音频及视频信息通过接口接入，由微控制器选择，音频信息经音频播放模块由功率放大器放大，通过扬声器实现音频播放，旋钮用于调节音调音量，视频信息经视频播放模块在LCD液晶显示屏上实现视频播放。

综上，现有技术提供了很多解决方案，大多通过工频变压器提供两路直流电平供电，音频信号通过A/B类音频功放输出的做法，但这个系统发热量大、效率低，必须配套散热片使用；此外一般这类系统都只能在220V或110V的特定交流电源下工作，不能带来理想的用户体验。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种通过开关电源和D类功放的使用提高了整个系统的效率、减小了变压器和功放的发热量、显著减小15W×2+20W输出级别的2.1声道数码音响系统的体积、且可以在全球各国110V～240V不同的交流电源下使用的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统。

为了实现上述目的，本实用新型的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统具有如下构成：

该基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，其主要特点是，所述的系统包括开关电源模块、功放模块、低音炮单元，所述的功放模块包括左右声道单元，所述的开关电源分别与所述的功放模块以及所述的低音炮模块相连接。

进一步地，所述的开关电源模块为反激式开关电源模块或正激式开关电源模块。

更进一步地，所述的反激式开关电源模块包括第一滤波单元、整流单元、开关电源控制芯片、变压器、功率管、感应电阻、分压单元、稳压源单元、频率电阻和光耦合单元；所述的频率电阻的第一端与所述的开关电源控制芯片的R1端相连接，所述的频率电阻的第二端接地；所述的第一滤波单元的输入端接外部电源，所述的第一滤波单元的输出端与所述的整流单元的输入端相连接，所述的整流单元的输出端、所述的开关电源控制芯片的电源端以及所述的变压器的初级线圈的同名端相连接；所述的开端电源控制芯片的GATE端与所述的功率管的第一端相连接，所述的功率管的第二端与所述的变压器的初级线圈的异名端相连接，所述的功率管的第三端、所述的开关电源控制芯片的SENSE端、所述的感应电阻的第一端相连接，所述的感应电阻的第二端接地，所述的变压器的次级线圈的异名端与所述的分压单元的第一端相互连接，所述的分压单元的第二端接地，所述的光耦合单元的第一输入端与所述的分压单元的第一端相连接，所述的光耦合单元的第二输入端与稳压源单元的第一端相连接，所述的光耦合单元的第二输入端通过电容器与所述的分压单元的第三端相连接，所述的稳压源单元的第二端与所述的分压单元的第三端相连接，所述的稳压源单元的第三端接地，所述的光耦合单元的第一输出端接地，所述的光耦合单元的第二输出端与所述的开关电源控制芯片的FB端相连接。

再进一步地，所述的分压单元包括第一电阻以及第二电阻，所述的第一电阻的第一端、所述的变压器次级线圈的异名端、所述的光耦合单元的第一输入端相连接，所述的第一电阻的第二端、所述的第二电阻的第一端所述的稳压源单元的第二端相连接，所述的光耦合单元的第二输入端通过电容器与所述的第一电阻的第二端相连接，所述的第二电阻的第二端接地。

进一步地，所述的功放模块还包括第一音量控制电位器、第二音量控制电位器、第三音量控制电位器、第一耦合电容、第二耦合电容以及有源滤波器；所述的第一音量控制电位器的第一端以及第二音量控制电位器的第一端分别与立体声音源相连接；所述的第一音量控制电位器的第二端以及第二音量控制电位器的第二端接地；所述的第一音量控制电位器的第三端、所述的第一耦合电容的第一端以及所述的左右声道单元的第一输入端相连接；所述的第二音量控制电位器的第三端、所述的第二耦合电容的第一端以及所述的左右声道单元的第二输入端相连接；所述的第一耦合电容的第二端、第二耦合电容的第二端以及有源滤波器的第一输入端相连接；所述的有源滤波器的第二输入端与一分压电路的输出端相连接；所述的有源滤波器的输出端第三音量控制电位器的第一端相连接，所述的第三音量控制电位器的第二端接地，所述的第三音量控制电位器的第三端与所述的低音炮单元的输入端相连接。

进一步地，所述的左右声道单元以及所述的低音炮单元均为D类功放。

采用了该实用新型中的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，半功率输出时整个系统的效率可达50％，满功率输出时为整个系统的效率为70％以上；在PCB散热条件良好的情况下一般不需要额外使用散热片；开关电源模块和功放模块可以制作在一块PCB上，相比同类音响系统体积可以大大减小，且开关电源的电压调整率和负载调整率高、响应速度快，可以在85V～265V广泛的交流电源下使用；另外因为D类功放只需要单电源供电，所有本实用新型中的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统由原有的双电源简化为单电源，在实际应用中减少电源系统中外围器件的使用，结构简单，应用范围广泛。

附图说明

图1为现有技术中变压器电源加A/B类音频功放系统原理图。

图2为本实用新型的反激式开关电源模块的原理图。

图3为本实用新型的功放模块的原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

现有变压器电源加A/B类音频功放的系统方案主要存在的缺陷是效率低(一般半功率输出时整个系统效率在30％以下，满功率输出时也不超过50％)。效率低下又使整个系统发热量大，需要安装大体积的散热片，造成音响整个系统体积大、重量重。另外由于变压器的电压调整率和负载调整率低，一般此类功放只能在单一交流电源下使用，不能在全球电压范围内使用。

本实用新型中采用开关电源加D类功放的系统方案效率高(半功率输出时整个系统效率可达50％，满功率输出时为75％)，在PCB散热条件良好的情况下一般不需要额外使用散热片，这使得开关电源模块和功放模块可以制作在一块PCB上，可以使相同输出功率的音响整个系统体积大大减小，另外，开关电源的电压调整率和负载调整率高，可以在85V～265V广泛的交流电源下使用，此外因为D类功放只需要单电源供电，所有本实用新型的开关电源模块可以由原有的双电源简化为单电源，可以在实际应用中减少外围器件的使用。

请参阅图2至图3所示，该基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统包括：

开关电源模块，用以给所述的系统供电；

功放模块，包括左右声道单元U2，用以提供高低音信号；低音炮单元U3，用以提供重低音信号。

在一种优选的实施例中，所述的开关电源模块为反激式开关电源模块或正激式开关电源模块。其中，以反激式开关电源模块为例，请参阅图2所示，所述的反激式开关电源模块包括第一滤波单元EMIFilter、整流单元、开关电源控制芯片U1、变压器、功率管M1、感应电阻R3、分压单元、稳压源单元431、频率电阻R4和光耦合单元817；所述的频率电阻R4的第一端与所述的开关电源控制芯片U1的R1端相连接，所述的频率电阻R4的第二端接地；所述的第一滤波单元EMIFilter的输入端接外部电源，所述的第一滤波单元EMIFilter的输出端与所述的整流单元的输入端相连接，所述的整流单元的输出端、所述的开关电源控制芯片U1的电源端以及所述的变压器的初级线圈的同名端相连接；所述的开端电源控制芯片U1的GATE端与所述的功率管M1的第一端相连接，所述的功率管M1的第二端与所述的变压器的初级线圈的异名端相连接，所述的功率管M1的第三端、所述的开关电源控制芯片U1的SENSE端、所述的感应电阻R3的第一端相连接，所述的感应电阻R3的第二端接地，所述的变压器的次级线圈的异名端与所述的分压单元的第一端相互连接，所述的分压单元的第二端接地，所述的光耦合单元817的第一输入端与所述的分压单元的第一端相连接，所述的光耦合单元817的第二输入端与稳压源单元431的第一端相连接，所述的光耦合单元817的第二输入端通过电容器与所述的分压单元的第三端相连接，所述的稳压源单元431的第二端与所述的分压单元的第三端相连接，所述的稳压源单元431的第三端接地，所述的光耦合单元817的第一输出端接地，所述的光耦合单元817的第二输出端与所述的开关电源控制芯片U1的FB端相连接。

在一种优选的实施例中，所述的分压单元包括第一电阻R1以及第二电阻R2，所述的第一电阻R1的第一端、所述的变压器次级线圈的异名端、所述的光耦合单元817的第一输入端相连接，所述的第一电阻R1的第二端、所述的第二电阻R2的第一端所述的稳压源单元431的第二端相连接，所述的光耦合单元817的第二输入端通过电容器与所述的第一电阻R1的第二端相连接，所述的第二电阻R2的第二端接地。

该开关电源模块的工作原理是：交流电通过全桥整流后正端为开关电源控制芯片U1供电同时接入变压器初级线圈同名端。开关电源控制芯片U1的GATE端输出PWM波形，控制功率管M1(在一种优选的实施例中，所述的功率管为NMOS器件)的开启和关闭，使变压器初级线圈异名端通过感应电阻R3接地或断开。感应电阻R3为0.25Ω电阻，把电流信号转为电压信号反馈到开关电源控制芯片U1的SENSE端，形成电流环路。次级线圈的输出电压通过第一电阻R1、第二电阻R2分压后，经过可控精密稳压源单元431和光耦合单元817反馈到开关电源控制芯片U1的FB端，形成电压环路。电流环路和电压环路同时工作使次级线圈的输出电压稳定并且可以快速响应负载的变化。频率电阻R4的电阻值决定了开关电源控制芯片U1的工作频率为了使工作频率远大于20Hz～20kHz的音频区间，频率电阻R₄的取值一般小于100kΩ。

请参阅图3所示，在一种优选的实施例中，所述的功放模块还包括第一音量控制电位器R5、第二音量控制电位器R6、第三音量控制电位器R9、第一耦合电容C16、第二耦合电容C15以及有源滤波器U4；所述的第一音量控制电位器R5的第一端以及第二音量控制电位器R6的第一端分别与立体声音源相连接；所述的第一音量控制电位器R5的第二端以及第二音量控制电位器R6的第二端接地；所述的第一音量控制电位器R5的第三端、所述的第一耦合电容C16的第一端以及所述的左右声道单元U2的第一输入端相连接；所述的第二音量控制电位器R6的第三端、所述的第二耦合电容C15的第一端以及所述的左右声道单元U2的第二输入端相连接；所述的第一耦合电容C16的第二端、第二耦合电容C15的第二端以及有源滤波器U4的第一输入端相连接；所述的有源滤波器U4的第二输入端与一分压电路的输出端相连接；请参阅图3所示，该分压电路包括电阻R7和电阻R8，所述的电阻R7的第一端与电源VCC相连接，所述的电阻R7的第二端与所述的电阻R8的第一端相连接，所述的电阻R8的第二端接地，所述的电阻R8的第一端与所述的有源滤波器U4的第二输入端相连接。所述的有源滤波器U4的输出端第三音量控制电位器R9的第一端相连接，所述的第三音量控制电位器R9的第二端接地，所述的第三音量控制电位器R9的第三端与所述的低音炮单元U3的输入端相连接。其中，所述的左右声道单元U2以及所述的低音炮单元U3均为D类功放。

该功放模块的工作原理是：输入的立体声源通过第一音量控制电位器R5、第二音量控制电位器R6后通过耦合电容C1、耦合电容C4输出至D类功放U2，即左右声道信号的功率放大，U2工作在BTL模式。另一路通过第二耦合电容C15、第一耦合电容C16耦合成单声道后通过有源滤波器U4和第三音量控制电位器R9，200HZ以上的信号基本在此被滤去，输出的即低音信号，信号进入功放U3，即重低音声道信号的功率放大，U3工作在PBTL模式。

因为使用了免滤波的D类功放，所以在功放的输出端只需要C9～C14的自举电容，而不需要额外的滤波电容和电感，节约了外围器件。

另外，考虑到一般低音炮单元U3的功率都要大于左右声道单元U2才能符合实际使用情况，这里处理低音信号的功放芯片只要工作在PBTL(桥接式负载)模式下就可以满足要求。因为当处理低音信号的功放芯片处于PBTL模式下，功放中一个放大器是另一个放大器的镜像输出，也就是说加在负载两端的信号只在相位上相差180°，负载上将得到原有单端输出电压的2倍，因此理论上可以得到之前4倍的输出功率。

通过改变D类功放芯片的增益选择引脚GAIN0和GAIN1的高低电平就可以改变其增益。一般可以选择低音功放增益比左右声道功放高出5～10dB，这样可以充分利用低音炮单元U3的PBTL模式，使其输出更大功率的音频信号，以达到更震撼的重低音效果。在本实用新型中给U2、U3芯片的GAIN0和GAIN1端口配置的电平分别为00和10，使U3的增益比U2大6dB。

而且在实际生产中可以根据客户需求和产品定位，在出厂前预设好两块功放芯片的不同增益，以达到不同客户和不同的使用环境的需求。

在本实用新型所给出的实施例中采用了反激式开关电源给音响系统提供直流电平；采用了新型D类功放，增益可调，左右声道功放芯片为BTL输出，重低音功放芯片为PBTL输出，两颗功放芯片就可以构成2.1声道音频功率放大，在PCB布局合理不外加散热片的情况下，10％THD下输出功率可以达到左右声道15Wx2，重低音20W；此外率先使用反激式开关电源和D类功放的组合，音响整机的效率显著提高，可以节约散热片的使用、减小音响主机的尺寸。

实用新型中的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，半功率输出时整个系统的效率可达50％，满功率输出时为整个系统的效率为70％以上；在PCB散热条件良好的情况下一般不需要额外使用散热片；开关电源模块和功放模块可以制作在一块PCB上，相比同类音响系统体积可以大大减小，且开关电源的电压调整率和负载调整率高、响应速度快，可以在85V～265V广泛的交流电源下使用；另外因为D类功放只需要单电源供电，所有本实用新型中的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统由原有的双电源简化为单电源，在实际应用中减少电源系统中外围器件的使用，结构简单，应用范围广泛。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，其特征在于，所述的系统包括开关电源模块、功放模块、低音炮单元，所述的功放模块包括左右声道单元，所述的开关电源分别与所述的功放模块以及所述的低音炮模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，其特征在于，所述的开关电源模块为反激式开关电源模块或正激式开关电源模块。

3.根据权利要求2所述的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，其特征在于，所述的反激式开关电源模块包括第一滤波单元、整流单元、开关电源控制芯片、变压器、功率管、感应电阻、分压单元、稳压源单元、频率电阻和光耦合单元；所述的频率电阻的第一端与所述的开关电源控制芯片的R1端相连接，所述的频率电阻的第二端接地；所述的第一滤波单元的输入端接外部电源，所述的第一滤波单元的输出端与所述的整流单元的输入端相连接，所述的整流单元的输出端、所述的开关电源控制芯片的电源端以及所述的变压器的初级线圈的同名端相连接；所述的开端电源控制芯片的GATE端与所述的功率管的第一端相连接，所述的功率管的第二端与所述的变压器的初级线圈的异名端相连接，所述的功率管的第三端、所述的开关电源控制芯片的SENSE端、所述的感应电阻的第一端相连接，所述的感应电阻的第二端接地，所述的变压器的次级线圈的异名端与所述的分压单元的第一端相互连接，所述的分压单元的第二端接地，所述的光耦合单元的第一输入端与所述的分压单元的第一端相连接，所述的光耦合单元的第二输入端与稳压源单元的第一端相连接，所述的光耦合单元的第二输入端通过电容器与所述的分压单元的第三端相连接，所述的稳压源单元的第二端与所述的分压单元的第三端相连接，所述的稳压源单元的第三端接地，所述的光耦合单元的第一输出端接地，所述的光耦合单元的第二输出端与所述的开关电源控制芯片的FB端相连接。

4.根据权利要求3所述的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，其特征在于，所述的分压单元包括第一电阻以及第二电阻，所述的第一电阻的第一端、所述的变压器次级线圈的异名端、所述的光耦合单元的第一输入端相连接，所述的第一电阻的第二端、所述的第二电阻的第一端所述的稳压源单元的第二端相连接，所述的光耦合单元的第二输入端通过电容器与所述的第一电阻的第二端相连接，所述的第二电阻的第二端接地。

5.根据权利要求1所述的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，其特征在于，所述的功放模块还包括第一音量控制电位器、第二音量控制电位器、第三音量控制电位器、第一耦合电容、第二耦合电容以及有源滤波器；所述的第一音量控制电位器的第一端以及第二音量控制电位器的第一端分别与立体声音源相连接；所述的第一音量控制电位器的第二端以及第二音量控制电位器的第二端接地；所述的第一音量控制电位器的第三端、所述的第一耦合电容的第一端以及所述的左右声道单元的第一输入端相连接；所述的第二音量控制电位器的第三端、所述的第二耦合电容的第一端以及所述的左右声道单元的第二输入端相连接；所述的第一耦合电容的第二端、第二耦合电容的第二端以及有源滤波器的第一输入端相连接；所述的有源滤波器的第二输入端与一分压电路的输出端相连接；所述的有源滤波器的输出端第三音量控制电位器的第一端相连接，所述的第三音量控制电位器的第二端接地，所述的第三音量控制电位器的第三端与所述的低音炮单元的输入端相连接。

6.根据权利要求1所述的基于开关电源和D类功放的2.1声道数码音响系统，其特征在于，所述的左右声道单元以及所述的低音炮单元均为D类功放。