CN207926896U

CN207926896U - 一种单级变换的数字功放

Info

Publication number: CN207926896U
Application number: CN201720670844.6U
Authority: CN
Inventors: 王齐祥
Original assignee: Guangzhou Dsppa Mdt Infotech Ltd
Current assignee: Guangzhou Dsppa Mdt Infotech Ltd
Priority date: 2017-06-11
Filing date: 2017-06-11
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2027-06-11

Abstract

本实用新型提供一种单级变换的数字功放,包括开关电源电路、能量回收电路及扬声器，所述开关电源电路包括相互串联的K1与K2，及相互串联的电容C1与C2，高频变压器T1，整流二极管D1与D2，及电感L1、电容C3、电解电容C4；所述能量回收电路包括K3、电感L2及续流二极管D3；其中K1与电容C1的一端连接电源E3的正极，K2与电容C2的一端连接电源E3的负极且接地，K3的一端连接于整流二极管D1与D2所形成的连接点和电感L1之间，另一端接地，电感L2耦合与L1的一侧构成变压器结构，L2的一端接地，另一端通过续流二极管D3与电源E3正极相连。本实用新型提供单级变换的数字功放一种电路简单，高效且成本低。

Description

一种单级变换的数字功放

技术领域

本实用新型涉及数字功放领域，特别涉及一种单级变化的数字功放。

背景技术

音箱用的数字功放,通常由开关电源模块和数字功放模块两部分组成,长期以来,非常多的科技人员在研究一个课题,即用声频信号去调制开关电源模块, 开关电源不再输出直流电压,而直接输出放大的声频信号,进而免去数字功放模块,但是几十年来在此领域的研究收效甚微。2004年丹麦技术大学的索伦和米迦勒先生公开的论文《单级变换的音频功放和直流交流变换器的高性能、低复杂度的控制方案》(简称《方案》)较早实现了上述课题，但是真实电路却异常复杂，每个电子开关的实际电路由多个元件的电路模块构成，单刀双掷电子开关的元件几乎翻倍，所以整机电路的元件数量非常多。2016年，由美籍华人陈学健先生提出的SSA功放(单级式高效声频逆变器)，其功放基本原理与《方案》中功放原理相比具有异曲同工之妙，且SSA功放增加了电路单元，因此其造成了电路更为复杂的问题。

现实用新型人在此领域探索分析，提出一种既高效单级变换，又简单稳定的电路。

实用新型内容

本实用新型提出一种电路简单，高效单级变化的开关电源数字功放。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种单级变换的数字功放,包括开关电源电路、能量回收电路及扬声器，所述开关电源电路包括相互串联的K1与K2，及相互串联的电容C1与C2，高频变压器T1，整流二极管D1与D2，及电感L1、电容C3、电解电容C4；所述能量回收电路包括K3、电感L2及续流二极管D3；

其中K1与电容C1的一端连接电源E3的正极，K2与电容C2的一端连接电源 E3的负极且接地；高频变压器T1的初级一头连接于K1与K2之间，初级的另一头连接于电容C1与C2之间；次级的一头与整流二极管D1的一端连接，另一头与整流二极管D2的一端连接，次级中心点接地；整流二极管D1的另一端与整流二极管D2的另一端相连并连接于电感L1的一端，电感L1的另一端与电容C3 的一端及C4均相连，电容C3的另一端接地，C4的另一端连接扬声器；

K3的一端连接于整流二极管D1与D2所形成的连接点和电感L1之间，另一端接地，电感L2耦合与L1的一侧构成变压器结构，L2的一端接地，另一端通过续流二极管D3与电源E3正极相连。

本实用新型提供的单级变换的数字功放，通过高频变压器次级进行桥式整流后获得单极性的PWM功率信号，在经过L1与C3滤波后将声频还原出来，再通过电解电容C4滤除直流，但由于此电流方向时单向的，而扬声器为交流负载，因此增加一个能量回收电路；原来开关电源电路输出整流滤波后给扬声器提供声频信号的波形上升阶段能量，电流是正向的，增加的能量回收电路则提供声频信号的波形下降阶段能量，电流是反向的，从而可以形成单极性的功放。本实用新型提供的单级变换的数字功放电路结构简单，且其信号稳定，且能实现高效变换。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种单级变换的数字功放电子线路图；

图2为PWM(双极性)、APWM、单极性PWM的信号图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，一种单级变换的数字功放,包括开关电源电路、能量回收电路及扬声器，所述开关电源电路包括相互串联的K1与K2，及相互串联的电容C1与 C2，高频变压器T1，整流二极管D1与D2，及电感L1、电容C3、电解电容C4；所述能量回收电路包括K3、电感L2及续流二极管D3；其中高频变压器T1用于隔离电网；电感L1与电容C3构成滤波器，用于滤除无关频率还原音频信号；电解电容C4用于隔离直流信号。

优选的，设定电源E3的电压值为V_E3，当K3导通，电感L1与K3的连接点的电压峰值为Vop，电容C3与电感L1的连接点的的电压值为Vo’,经过电解电容 C4滤除直流后的电压值为V_o，L1与L2的匝数分别为T_L1与T_L2，电感L1与L2 两端的电压分别为V_L1与V_L2，则设定值V_op<V_E3*T_L2/T_L1；V_L2＝V_op*T_L1/T_L2且 V_L2(max)＝V_E3。在考虑电路的设计时，Vop是由于K3导通，C3放电而突然上升的峰值，因此在L1两端形成瞬态电压V_L1越低越好，Vop设计值与T_L1/T_L2的比值乘积需小于V_E3，，才能保证电路不会直接形成正向回路导致短路。

请参见图2，优选的，所述电源E3提供给高频变压器T1的信号为正负交替的脉冲宽度调制信号(Alternating Pulse Width Modulation，简称为APWM)，现有的常见的开关电源集成电路如SG3525、TL494都能配合实现APWM输出。在图2中，其中(a)图中虚线代表声频正弦信号，相对于开关频率而言频率很低，难以通过高频变压器，因此将送给高频变压器T1的PWM功率信号变换成正负交替的脉冲宽度调制信号如(b)图所示，APWM在高频变压器次级进行全波或桥式整流后立即变成单极性的PWM功率信号，如(c)图中所示。

本实用新型的工作原理为APWM信号经高频变压器传送到次级后，正极性脉冲由整流二极管D1整流，负极性脉冲由D2整流，然而正极性脉冲与负极性脉冲之间有一段截止时间，此时D1与D2都不导通，因此在电路中增加元件K3，逻辑上设定为D1、D2都不导通时K3导通，亦即提供声频信号的波形下降阶段能量通路。但是由于增加元件K3后，K3导通时，电容C3上的直流电压通过电感L1和K3形成对地电流，当K3关断时L1内部的电流不能突变，于是会感应出一个非常高的电压，甚至可以击穿D1、D2或K3。因此又在电路中增加电感 L2和D3，使得L1与L2形成变压器结构，L1两端的电压按照匝数比TL1/TL 2 耦合到L2，当L1因K3关断而在两端感应出的电压超过一定值时，L2两端的电压会超过电源电源电压VE3，此时D3导通，将L1内部的能量回灌到E3，从而牵制住了L1的感应电压。本实用新型中带有一个隔直电容，若考虑对声频中的低频的影响。例如设计大功率功放和逆变器时，可设计成桥接输出等办法来取消掉隔直电容。

本实用新型提供的单级变换的数字功放，其采用的电子电路结构简单，且电子元器件均为常见的元器件，相比于传统的功放，其减少了功放电路，从而可以大大的缩减成本，而相比于《方案》中电路，本实用新型所使用的电子电路更为简单。其可以提供稳定的高效的单级变换。通常开关电源电路与数字功放电路成本接近，因此采用本方案几乎可以省去一般的电路以及成本，同时另产品的可靠性增加，由于电路板面积减小，故整机体积也相应的减小，因此更适用于便携和有源音箱。

通常开关电源电路的电能转换效率在90％左右，数字功放电路的电能转换效率在95％左右。效率不同的主要原因是，开关电源电路输出端为滤波电容，瞬间充电电流令功率开关器件的开关损耗增加(还令电磁辐射增加。但软开关除外)，而数字功放输出的端为滤波电感，瞬间电流小很多。因此到具体产品，普通产品整机效率往往为80％多，而本解决方案产品的电能转换效率在95％左右，功率损耗降低了一倍多，对电池供电设备很有意义，且能为国家节省大量能源。另外APWM的频率为输出PWM频率的一半，这为提高电能转换效率和降低电磁辐射起到了作用。

本实用新型提供的解决方案可广泛应用在各种声频功放场合，例如HIFI功放、专业功放等。由于输出电压可由功率变压器次级自由调整，因此还容易设计成高压输出的广播功放。在3.7V、12V、24V等直流供电的条件下，可直接输出高压，故而在便携式音响、车载音响、拉杆音响、含直流应急供电的音响等领域适合使用。本解决方案对需要输出正弦功率的电源逆变器也非常适用。

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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种单级变换的数字功放,其特征在于,包括开关电源电路、能量回收电路及扬声器，所述开关电源电路包括相互串联的K1与K2，及相互串联的电容C1与C2，高频变压器T1，整流二极管D1与D2，及电感L1、电容C3、电解电容C4；所述能量回收电路包括K3、电感L2及续流二极管D3；

其中K1与电容C1的一端连接电源E3的正极，K2与电容C2的一端连接电源E3的负极且接地；高频变压器T1的初级一头连接于K1与K2之间，初级的另一头连接于电容C1与C2之间；次级的一头与整流二极管D1的一端连接，另一头与整流二极管D2的一端连接，次级中心点接地；整流二极管D1的另一端与整流二极管D2的另一端相连并连接于电感L1的一端，电感L1的另一端与电容C3的一端及C4均相连，电容C3的另一端接地，C4的另一端连接扬声器；

2.如权利要求1所述的一种单级变换的数字功放,其特征在于,设定电源E3的电压值为V_E3；当K3导通时，电感L1与K3的连接点的电压峰值为Vop，电容C3与电感L1的连接点的电压值为Vo’,经过点解电容C4滤除直流后的电压值为V_o，L1与L2的匝数分别为T_L1与T_L2，电感L1与L2两端的电压分别为V_L1与V_L2，其中V_op<V_E3*T_L2/T_L1；V_L2＝V_op*T_L1/T_L2且V_L2(max)＝V_E3。

3.如权利要求1所述的一种单级变换的数字功放,其特征在于,所述电源E3提供给高频变压器T1的信号为正负交替的脉冲宽度调制信号。