DE102011056072B3

DE102011056072B3 - Schaltungsanordnung für einen Audio-Verstärker und System

Info

Publication number: DE102011056072B3
Application number: DE201110056072
Authority: DE
Inventors: Alexander Mainz; Roland Hammer
Original assignee: Lear Corp GmbH
Current assignee: Lear Corp GmbH
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-12-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor gesteuerten Audio-Verstärker. Die Schaltungsanordnung umfasst einen p-Kanal Feldeffekttransistor mit einer internen Diode, welcher in die Gleichstromversorgungsleitung eines Audio-Verstärkers geschaltet ist, eine Steuereinheit, die mit dem Gate des Feldeffekttransistors zum Steuern desselben verbunden ist und mit einem Signal-Eingang, der mit dem Ausgang des Feldeffekttransistors und über einen weiteren Signal-Eingang mit einem Signalprozessor verbunden ist, der mindestens einen Audio-Signal-Eingang für eingehende Audio-Signale und mindestens einen Audio-Signal-Ausgang für ausgehende Audio-Signale an einem Audio-Verstärker aufweist und über den Feldeffekttransistor an die Versorgungsleitung angeschlossen ist. Die Steuereinheit schaltet in Abhängigkeit von der an dem Anschluss des Audio-Verstärkers anliegenden Versorgungsspannung und/oder in Abhängigkeit des vom Signalprozessor abgegriffenen Eingangs-Signals den p-Kanal MOSFET leitend oder nicht leitend.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor gesteuerten Audio-Verstärker sowie ein System, das eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor gesteuerten Audio-Verstärker aufweist.
Es ist bekannt, elektrische Geräte, wie z. B. Audio-Verstärker, vor einer Verpolung der Gleichspannung einer Stromversorgungsquelle, wie sie in einem Fahrzeug aufgrund eines verpolten Anschlusses an einen Fahrzeugakkumulator auftreten kann, zu schützen. Dazu wird im Stand der Technik vorgeschlagen, einen Feldeffekttransistor (FET) in die Spannungsversorgung für ein elektrisches Gerät zu schalten. Durch die interne Diode des FETs wird bei einem verpolten Anschluss ein Stromfluss und damit eine Beschädigung bzw. Zerstörung des elektrischen Gerätes oder Teilen davon verhindert.
Aus der EP 0 806 827 A1 ist darüber hinaus eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung bekannt, welche zudem einen Spannungsabfall verhindert. Die Schaltungsanordnung umfasst eine elektrische Einrichtung und einen invers betriebenen n-Kanal MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). Mittels der elektrischen Einrichtung kann der n-Kanal MOSFET leitend geschaltet werden, wobei die zum Schalten des n-Kanal MOSFETs erforderliche Hilfs-Steuerspannung über die elektrische Einrichtung und die invers betriebene Diode des n-Kanal MOSFETs bezogen wird, wobei die Hilfs-Steuerspannung aus den Spannungsspitzen an den Motorwicklungen eines Elektromotors geleitet werden. Hierzu werden die Spannungsspitzen in einem als Speicher fungierenden Kondensator speichert. Durch die Hilfs-Steuerspannung wird der MOSFET zeitlich versetzt nach dem Anliegen einer Spannung geschaltet und bleibt bei Anliegen einer bestimmten Versorgungsspannung geschaltet.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen ist, dass eine Steuerung des FETs entweder nicht bzw. nur bedingt erfolgt. So erfolgt das Schalten des n-Kanal MOSFETs bei EP 0 806 827 A1 immer nach Anliegen einer bestimmten Versorgungsspannung. Die zur Steuerung des n-Kanal MOSFETs erforderliche Hilfssteuerspannung hängt im Wesentlichen von der Versorgungsspannung und dem Ladezustand des Kondensators ab, wobei der n-Kanal MOSFET nicht variabel geschaltet werden kann, da die elektrische Einrichtung ebenso nur in Abhängigkeit der Versorgungsspannung und des Elektromotors arbeitet.
Bei Audio-Geräten, wie beispielsweise einem Audio-Verstärker, mit einem MOSFET als Verpolschutz fließt der Strom im normalen Betrieb des Audio-Verstärkers über die interne Diode des MOSFETs. Dadurch wird gleichzeitig der Störabstand des Audiosignals verbessert, da die Diode gleichzeitig als Spitzenwertgleichrichter von Störspannungen auf der Versorgungsleitung fungiert. Durch die Diode erfolgt daher eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR – „signal to noise ratio“, S/N), wobei sich ein Rauschen von der Spannungsquelle nicht bzw. weniger in den Verstärkerausgang koppelt. In bestimmten Lastfällen kann die Verlustleistung, die an der internen Diode abfällt, toleriert werden, da die Versorgungsspannung auf einem ausreichend hohen Level liegt, wobei die Diode nur in geringen Maße erwärmt wird. Bei hoher Last, d.h. wenn die von einem Benutzer gewünschte Lautstärke erheblich erhöht wird, nimmt die Verlustleistung an der internen Diode deutlich zu, wodurch die von dem Audio-Verstärker bereitgestellte Leistung abnimmt. Zudem wird die Diode sehr stark erhitzt, was zu einem Versagen des Bauelementes führen kann.
Darüber hinaus tritt bei Fahrzeugen mit einer Start-Stopp-Funktion, wobei der Motor des Fahrzeugs, z. B. an einer Kreuzung in der Rotphase der Ampel, abgeschaltet wird, wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, das Problem auf, dass die Versorgungsspannung bei einem Startvorgang bei einer nominalen Batteriespannung von 12 Volt bis auf beispielsweise 6 oder 7 Volt einbricht. Diese Spannung ist gerade noch ausreichend, um den Audio-Verstärker zu betreiben. An der internen Diode des MOSFETs fallen jedoch zusätzlich 0,7 Volt ab, wodurch dann der Audio-Verstärker nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Aufgrund dieses Spannungsabfalls wegen dem Startvorgang und der internen Diode kommt es bei dem Audio-Verstärker zu Aussetzern in der Wiedergabe und zu einer unerwünschten Reduzierung der Lautstärke oder gar zu einem Abschalten des Audio-Verstärkers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen Audio-Verstärker und ein System mit einer derartigen Schaltungsanordnung anzugeben, die neben dem Verpolschutz durch den FET zusätzlich die Versorgungsspannung des Audio-Verstärkers in Abhängigkeit verschiedener Zustände (Versorgungsspannung, Last, etc.) steuert und auf einem bestimmten Niveau hält und die Verlustleistung reduziert.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Schaltungsanordnung für einen Audio-Verstärker nach Anspruch 1 und durch ein System nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor gesteuerten Audio-Verstärker gelöst, welcher einen Feldeffekttransistor, der in die Gleichstromversorgungsleitung des Audio-Verstärkers geschaltet ist, eine Steuereinheit, die mit dem Gate des Feldeffekttransistors zum Steuern desselben verbunden ist und mit einem Signal-Eingang, der mit dem Ausgang (Source) des Feldeffekttransistors und mit einem weiteren Signal-Eingang mit dem Signalprozessor verbunden ist, einen Signalprozessor, der mindestens einen Audio-Signal-Eingang für eingehende Audio-Signale und mindestens einen Audio-Signal-Ausgang für ausgehende Audio-Signale aufweist und über den Feldeffekttransistor an die Versorgungsleitung angeschlossen ist, und einen Audio-Verstärker mit mindestens einem Signal-Ausgang und mindestens einem Audio-Signal-Eingang für die von dem Signalprozessor ausgehenden Audio-Signale aufweist. Erfindungsgemäß ist der Feldeffekttransistor ein p-Kanal MOSFET mit einer internen Diode, welcher MOSFET durch die Steuereinheit in Abhängigkeit der an dem Anschluss des Audio-Verstärkers an die Versorgungsleitung anliegenden Versorgungsspannung und/ oder in Abhängigkeit des von dem Signalprozessor abgegriffenen Eingangs-Signals leitend oder nicht leitend schaltet.
Bei einer derartigen Schaltungsanordnung wird einerseits ein Verspolschutz für den Audio-Verstärker gewährleistet und andererseits die Spannungsversorgung für den Audioverstärker derart gesteuert, dass bei hoher Last der p-Kanal MOSFET leitend schaltet, um die Verlustleistung durch die interne Diode zu reduzieren. Bei einem Spannungsabfall wird mittels der Steuereinheit der p-Kanal MOSFET ebenfalls leitend geschaltet, um einen Spannungsabfall durch die Diode zu verhindern und die Versorgungsspannung für den Audio-Verstärker auf einem bestimmten Level zu halten. D.h. die Versorgungsspannung wird auf einem bestimmten Spannungswert von beispielsweise 6 oder 7 Volt gehalten. Dadurch wird ein Ausfall der Wiedergabe oder eine qualitativ schlechtere Wiedergabe der Audiosignale verhindert. Ebenso sind beim Anlassen des Motors keine Störgeräusche wahrnehmbar.
Vorteilhafterweise kann bei dieser Schaltungsanordnung auf weitere Bauelemente und Schaltungen zur Verbesserung der Audiosignalwiedergabe verzichtet werden, wobei in einem normalen Betrieb des Audioverstärkers, d.h. bei geringer Last, der Strom über die interne Diode des p-Kanal MOSFETs fließt und über die Diodenfunktion eine Siebung und Glättung erfolgt. Bei hoher Last aufgrund einer Leistungsanforderung durch einen Benutzer schaltet die Steuereinheit den p-Kanal MOSFET ebenso leitend, um die Verlustleistung zu reduzieren. Dadurch wird die ausgehende Leistung des Audio-Verstärkers nicht beeinträchtigt. Bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung für einen Audio-Verstärker sind teilweise zwei Dioden parallel geschaltet, um das Erhitzen einer einzelnen Diode in einem hohen Lastfall, in welchem hohe Ströme durch die Dioden fließen, zu begrenzen. Solche Maßnahmen erübrigen sich durch die Erfindung.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der p-Kanal MOSFET mittels der Steuereinheit leitend geschaltet, wenn die Versorgungsspannung einen unteren Grenzwert unterschreitet oder wenn die eingehenden Audio-Signale einen oberen Grenzwert überschreiten, wobei die Versorgungsspannung von der Steuereinheit und/oder von dem Signalprozessor gemessen wird und das Eingangs-Signal in Abhängigkeit der eingehenden Audio-Signale ausgegeben wird. Somit wird verhindert, dass bei einer Reduzierung der Versorgungsspannung durch einen weiteren Spannungsabfall an der Diode, in der Regel 0,7 Volt, die Versorgungsspannung für den Audio-Verstärker zu gering ist, um diesen zu betreiben. Normalerweise arbeiten derartige Audio-Verstärker ohne von einem Benutzer wahrnehmbare Einschränkungen in der Wiedergabe auch dann noch, wenn die Versorgungsspannung von 12 Volt bis auf 6 bis 7 Volt absinkt. Somit werden Aussetzer oder ein Ausschalten des Audio-Verstärkers verhindert. Ebenso wird der p-Kanal MOSFET leitend geschaltet, wenn die eingehenden Audio-Signale einen oberen Grenzwert überschreiten, was beispielsweise bei einer plötzlichen Erhöhung eines Signalpegels des Empfangssignals eines Autoradios erfolgen kann.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Steuereinheit einen Aktivierungs-Eingang auf, der mit dem Einschalter eines Gerätes, in welchem der Audio-Verstärker angeordnet oder mit welchem dieser verbunden ist, verbunden ist. Der Audio-Verstärker kann z. B. als Endverstärker eine eigene Einheit für ein Autoradio, ein CD-, DVD- oder Blue Ray Player etc. bilden oder auch als Bestandteil in solche Geräte eingebaut sein. Der Einschalter kann aber auch der Zündschlüssel oder ein elektronischer Schlüsselschalter sein. Der Aktivierungseingang empfängt vom Einschalter ein Aktivierungssignal, welches wiederum die Steuereinheit in Betrieb setzt. Befindet sich das Gerät in einem ausgeschalteten Zustand, so befindet sich auch die Steuereinheit in einem ausgeschalteten Zustand.
Weiterhin kann die Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug angeordnet sein und die Gleichspannungsquelle ein Akkumulator mit Nennspannungen von z. B. 12 Volt oder 24 Volt des Fahrzeugs sein. Der Audioverstärker kann dabei ein Verstärker für ein Autoradio oder eine Audioanlage mit beispielsweise einem CD-Player oder einem MP3-Audioformate abspielenden Gerät im Fahrzeug sein.
Darüber hinaus kann ein Umschalt-Signal an einem weiteren Signal-Eingang oder an dem Aktivierungs-Eingang der Steuereinheit anliegen, wenn das Fahrzeug sich in einem Startvorgang bei einem Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs befindet. Vorteilhafterweise schaltet die Steuereinheit den p-Kanal MOSFET dann leitend, so dass Spannungseinbrüche in der Versorgungsspannung besser abgefangen werden können, wobei ein zusätzlicher Spannungsabfall an der Diode, beispielsweise 0,7 Volt, abgefangen wird.
Die interne Diode des p-Kanal MOSFETs kann weiter dazu dienen, bei einer Verpolung der Spannungsversorgung einen Stromfluss zu verhindern. Dadurch wird eine Beschädigung bzw. Zerstörung des Verstärkers oder Teilen davon verhindert. Eine Verpolung kann beispielsweise dann auftreten, wenn nach einer Wartung oder Reparatur der Fahrzeugakkumulator verpolt angeschlossen wird, d. h. dass der Anschluss von Pluspol und Massepol des Akkumulators vertauscht erfolgt.
Die Steuereinheit und/oder des Signalprozessors und/oder der Audio-Verstärker können auch als gemeinsame Einheit ausgebildet sein. Vorzugsweise sind alle Einheiten in einer Steuerung integriert oder bilden Teile einer oder anderer Steuerungen in einem Fahrzeug.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein System, das eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor gesteuerten Audio-Verstärker umfasst, gelöst. Die Schaltungsanordnung des Systems umfasst dabei einen p-Kanal MOSFET mit einer internen Diode, der in die Gleichspannungsversorgungsleitung des Audio-Verstärkers geschaltet ist, eine Steuereinheit, die mit dem Gate des p-Kanal MOSFETs zum Steuern desselben verbunden ist und mit einem Signal-Eingang, der mit dem Ausgang (Source) des p-Kanal MOSFETs und mit einem weiteren Signal-Eingang mit dem Signalprozessor verbunden ist, einen Signalprozessor, der mindestens einen Audio-Signal-Eingang für eingehende Audio-Signale, mindestens einen Audio-Signal-Ausgang für ausgehende Audio-Signale aufweist und über den p-Kanal MOSFET an die Versorgungsleitung angeschlossen ist und einen Audio-Verstärker mit mindestens einem Signal-Ausgang und mindestens einem Audio-Signal-Eingang für die von dem Signalprozessor ausgehenden Audio-Signale aufweist. Dabei schaltet die Steuereinheit in Abhängigkeit der an dem Anschluss des Audio-Verstärkers an die Versorgungsleitung anliegenden Versorgungsspannung und/oder in Abhängigkeit des vom Signalprozessor abgegriffenen Eingangs-Signals den p-Kanal MOSFET leitend oder nicht leitend, wenn die Versorgungsspannung einen unteren Grenzwert unterschreitet oder wenn die eingehenden Audio-Signale einen oberen Grenzwert überschreiten oder ein Umschaltsignal an der Steuereinheit anliegt, wobei die Versorgungsspannung von der Steuereinheit und/oder von dem Signalprozessor gemessen wird und wobei das Eingangs-Signal in Abhängigkeit der eingehenden Audio-Signale ausgegeben wird.
Die Steuereinheit kann einen Aktivierungs-Eingang aufweisen, der mit dem Einschalter des Geräts, in welchem der Audio-Verstärker angeordnet oder mit welchem dieser verbunden ist, verbunden ist. Darüber hinaus kann die Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug angeordnet sein und die Gleichspannungsquelle ein Akkumulator des Fahrzeugs sein.
Das Umschalt-Signal kann an einem weiteren Signal-Eingang oder an dem Aktivierungs-Eingang der Steuereinheit anliegen, wenn das Fahrzeug sich in einem Startvorgang bei einem Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs befindet. Auch kann die interne Diode des p-Kanal MOSFETs bei einer Verpolung der Spannungsversorgung einen Stromfluss verhindern.
Die Steuereinheit und/oder der Signalprozessor und/oder der Audio-Verstärker können darüber hinaus als gemeinsame Einheit ausgebildet sein.
Dabei ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen System die gleichen oben genannten Vorteile wie für die Schaltungsanordnung zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor gesteuerten Audio-Verstärker.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schaltungsansprüchen 2 bis 7 und in den Systemansprüchen 9 bis 13 angegeben.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen hervor, welche beispielhaft die Erfindung zeigen. Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen und Maßstäbe sind dabei nicht einschränkend zu verstehen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;
2 ein Diagramm zur Darstellung von verschiedenen Schaltzuständen eines p-Kanal MOSFETs in Abhängigkeit der Spannung und der Signalstärke; und
3 ein weiteres Diagramm zur Darstellung von verschiedenen Schaltzuständen eines p-Kanal MOSFETs in Abhängigkeit der Spannung und der Signalstärke.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 10 für einen Audio-Verstärker 14. Ein p-Kanal MOSFET 18 ist derart in eine Gleichstromversorgungsleitung (z. B. 12 Volt) geschaltet, wobei der Drain-Anschluss D des p-Kanal MOSFETs 18 mit einer Gleichstromversorgungsleitung 38 und der Source-Anschluss S des p-Kanal MOSFETs 18 mit einer Gleichstromversorgungsleitung 40 verbunden ist. Der Audio-Verstärker 14 ist über die Gleichstromversorgungsleitung 40 und über den p-Kanal MOSFET 18 mit der Gleichstromversorgungsleitung 38 verbunden. Der Audio-Verstärker 14 weist Signal-Ausgänge 26 auf, welche beispielsweise zu nicht dargestellten Lautsprecherboxen führen. Der Audio-Verstärker 14 weist darüber hinaus Anschlüsse für von einem Signalprozessor 12 ausgehende Audio-Signale auf und der Signalprozessor 12 weist Anschlüsse für eingehende Audio-Signale 22 auf.
Der Signal-Prozessor 12 ist über einen Anschluss 36 und über die Gleichstromversorgungsleitung 40 sowie über den p-Kanal MOSFET 18 mit der Gleichstromversorgungsleitung 38 verbunden. Der Signalprozessor 12 weist weiter eine Signalstärke-Bestimmungseinheit 20 auf, von welcher über eine Verbindung 34 zu einem Signal-Eingang einer Steuereinheit 16 ein Eingangssignal abgegeben wird. Die Signalstärkebestimmungseinheit 20 ist als ein Teil des Signalprozessors 12 ausgebildet. Die Steuereinheit 16 ist über eine Gate-Verbindung 30 mit dem Gate G des p-Kanal MOSFETs 18 verbunden und über eine Source-Verbindung 32 mit der Source S des p-Kanal MOSFETs 18 verbunden. Neben der Verbindung 34 zu dem Signal-Eingang der Steuereinheit 16 weist die Steuereinheit 16 einen Aktivierungseingang 28 auf.
Zudem kann die Schaltungsanordnung 10 weitere Bauteile und Einheiten umfassen, die, da nicht erfindungsrelevant, nicht dargestellt worden sind. Beispielsweise können weitere Bauteile zur Spannungsstabilisierung etc. in eine Schaltung mit aufgenommen werden.
Bei einem normalen Betrieb des Audio-Verstärkers 14 fließt ein Strom über die Gleichstromversorgungsleitung 38, die mit dem Drain-Anschluss D des p-Kanal MOSFETs 18 verbunden ist, über die interne Diode 19 des p-Kanal MOSFETs 18 sowie über den Source-Anschluss S des p-Kanal MOSFETs 18 und über die Gleichstromversorgungsleitung 40 zu dem Audio-Verstärker 14. Der Audio-Verstärker 14 erhält von dem Signalprozessor 12 ausgehende Audio-Signale, welche von dem Signalprozessor 12 über die Anschlüsse 24 für ausgehende Audio-Signale übermittelt werde. In dem Audio-Verstärker 14 werden diese Signale verstärkt und über Signal-Ausgänge 26 des Audio-Verstärkers 14 an den Lautsprechern ausgegeben.
Über die Anschlüsse 22 für eingehende Audio-Signale des Signalprozessor 12 können Audio-Signale von einem CD-Spieler, einem Kassettendeck, einem Autoradio, einem MP3-Player oder anderen Geräten zugeführt werden. Darüber hinaus kann der Signalprozessor 12 auch als ein Teil solcher Geräte ausgebildet sein. Der Signalprozessor 12 verarbeitet die eingehenden Audio-Signale und übermittelt diese an den Audio-Verstärker 14 über die Anschlüsse 24 für ausgehende Audio-Signale.
Der Signalprozessor 12 ist über den Anschluss 36 mit der Gleichstromversorgungsleitung 40 verbunden. Der Signalprozessor 12 ist dazu ausgebildet, eine Spannungsmessung für die Versorgungsspannung an dem Audio-Verstärker 14 über den Anschluss 36 durchzuführen. Mittels der Signalstärkebestimmungseinheit 20 erfolgt eine Detektion der Signalstärke der eingehenden Audio-Signale, die über die Anschlüsse 22 für eingehende Audio-Signale dem Signalprozessor 12 übermittelt werden. Ab einer entsprechenden Signalstärke gibt der Signalprozessor 12 bzw. die Signalstärkebestimmungseinheit 20 ein Eingangs-Signal für die Steuereinheit 16 aus, das über die Verbindung 34 der Steuereinheit 16 übermittelt wird. Die Steuereinheit 16 stellt bei Anliegen des Eingangs-Signals eine Steuerspannung über die Gate-Verbindung 30 an dem Gate G des p-Kanal MOSFETs 18 bereit, so dass der p-Kanal MOSFET 18 leitend geschaltet wird, d. h. der Audio-Verstärker 14 wird direkt an eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle über die Gleichstromversorgungsleitung 38 und 40 sowie über die Drain-Source-Strecke des p-Kanal MOSFETs 18 verbunden, ohne dass ein Strom über die interne Diode 19 fließt. Die Gleichspannungsquelle kann ein Akkumulator eines Fahrzeugs sein.
In einem weiteren Fall, in welchem die Versorgungsspannung einen unteren Grenzwert unterschreitet, d. h. von der Steuereinheit 16 oder von dem Signalprozessor 12 wird über die Source-Verbindung 32 bzw. über den Anschluss 36 die Spannung gemessen, wobei bei Unterschreiten des unteren Grenzwertes der p-Kanal MOSFET 18 ebenfalls leitend schaltet. Nach dem Feststellen des Unterschreitens des unteren Grenzwertes durch den Signalprozessor 12, gibt der Signalprozessor 12 ein Eingangssignal aus, wobei das Eingangssignal von dem Signalprozessor 12 über die Verbindung 34 zum Signaleingang der Steuereinheit 16 ausgegeben wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Versorgungsspannung auch von der Steuereinheit 16 gemessen werden. Bei Vorliegen eines Eingangssignals schaltet die Steuereinheit 16 sodann den p-Kanal MOSFET 18 leitend, indem über die Gate-Verbindung 30 eine entsprechende Steuerspannung an dem Gate G des p-Kanal MOSFETs 18 durch die Steuereinheit 16 angelegt wird. Der untere Grenzwert der Versorgungsspannung kann beispielsweise bei einer Nominalspannung von 12 Volt bei 6 oder 7 Volt liegen, wobei auch andere Grenzwerte vorgegeben sein oder eingestellt werden können. Lastabhängig kann der untere Grenzwert während des Betriebs des Audio-Verstärkers 14 auch variieren.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass über einen weiteren nicht gezeigten Anschluss der Steuereinheit 16 ein Umschaltsignal zugeführt wird, welches in einem Fahrzeug dann ausgegeben wird, wenn sich das Fahrzeug in einem Start-Stopp-Betrieb befindet und ein Startvorgang gestartet werden soll. Da in diesen Fällen die Versorgungsspannung herab fällt, beispielsweise auf 6 oder 7 Volt, wird durch das leitend Schalten des p-Kanal MOSFETs 18 durch die Steuereinheit 16 erreicht, dass ein Spannungsabfall an der Diode von beispielsweise 0,7 Volt vermieden und die ohnehin reduzierte Versorgungsspannung für den Audio-Verstärker 14 nicht weiter reduziert wird. Ein weiterer Abfall der Versorgungsspannung für den Audio-Verstärker 14 um 0,7 Volt würde zu einem Ausfall des Audio-Verstärkers 14 oder zu einer Minderung der Wiedergabequalität des Audio-Verstärkers 14 führen.
Darüber hinaus erhält die Steuereinheit 16 über den Aktivierungseingang 28 ein Signal, welches den Zustand des Gerätes angibt, in welchem die Schaltungsanordnung aufgenommen ist. Dabei wird die Steuereinheit 16 nur aktiviert, wenn sich das Gerät, in welchem sich die Steuereinheit 16 bzw. die Schaltungsanordnung 10 befindet, im eingeschalteten Zustand befindet.
2. zeigt ein Diagramm zur Darstellung von verschiedenen Schaltzuständen eines p-Kanal MOSFETs 18 in Abhängigkeit der Spannung und der Signalstärke. Die dargestellten Werte sind hierbei nur beispielhaft angeführt. So kann das leitend oder nicht leitend Schalten des p-Kanal MOSFEts auch bei anderen Werten (Signalstärke, Spannung) erfolgen.
In einem mit I. bezeichneten ersten Zustand befindet sich der Audio-Verstärker 14 in einem Bereitschaftsmodus. Der Audio-Verstärker 14 bzw. das mit ihm verbundene Gerät bzw. das Gerät, in welchem der Audio-Verstärker 14 integriert ist, können von einem Benutzer in den Bereitschaftsmodus versetzt werden. Der Bereitschaftsmodus kann auch ein Zustand sein, in welchem die Spannungsversorgung nicht ausreichend ist, um den Audio-Verstärker 14 zu betreiben. In dem in 2. gezeigten Beispiel befindet sich der Audio-Verstärker 14 bei einer Versorgungsspannung unter 6 Volt in dem ersten Betriebszustand I.
In einem zweiten Betriebszustand II (Diodenbetrieb), wobei in diesem Betriebszustand lediglich die Diodenfunktion des p-Kanal MOSFETs 18 genutzt wird, ist der Audio-Verstärker 14 in einem Zustand, in welchem Signale von dem Signalprozessor 12 verarbeitet und an den Audio-Verstärker 14 übermittelt werden, und in welchem Signale von dem Audio-Verstärker 14 verstärkt und weitergegeben werden. Dabei fließt der Strom über die Diode 19 des p-Kanal MOSFETs 18. Aufgrund der geringen Signalstärke und des damit geringen Stroms sind die Verluste an der Diode 19 verhältnismäßig klein und die Diode 19 wird nur gering erwärmt. In diesem Normalzustand mit geringer Last arbeitet der p-Kanal MOSFET in bekannter Weise.
In einem dritten Betriebszustand III (MOSFET-Betrieb) liegt sowohl eine erhöhte Versorgungsspannung als auch eine höhere Signalstärke vor, wobei in diesem Zustand der p-Kanal MOSFET 18 leitend geschaltet ist und der Strom direkt über die Drain-Source Strecke des p-Kanal MOSFETs 18 fließt. Der p-Kanal MOSFET 18 bleibt solange leitend geschaltet, bis die Steuereinheit 16 den Zustand des p-Kanal MOSFETs 18 ändert bzw. die Kriterien für den dritten Betriebszustand III. nicht mehr erfüllt sind. Dadurch werden die Verluste an der Diode 19 des p-Kanal MOSFETs 18 erheblich reduziert. Aufgrund der hohen Ströme bei hoher Last würde sich die interne Diode 19 des p-Kanal MOSFETs 18 stark erhitzen und die Verlustleistung an der Diode 19 würde erheblich ansteigen.
3 zeigt ein weiteres Diagramm zur Darstellung von verschiedenen Schaltzustände eines p-Kanal MOSFETs 18 in Abhängigkeit der Spannung und der Signalstärke. Die dargestellten Werte sind hierbei nur beispielhaft angeführt. So kann das leitend oder nicht leitend Schalten des p-Kanal MOSFETs 18 auch bei anderen Werten (Signalstärke, Spannung) erfolgen.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel wird ein p-Kanal MOSFET 18 leitend geschaltet, wenn die Versorgungsspannung einen unteren Grenzwert unterschreitet und/oder die Signalstärke einen oberen Grenzwert überschreitet.
Wie in 3 dargestellt befindet sich der p-Kanal MOSFET 18 in einem nicht geschalteten ersten Zustand A, wenn die Versorgungsspannung größer als 6 Volt ist und die Signalstärke einen Wert von –20 dB nicht überschreitet. Dabei fließt der Strom über die interne Diode 19 des p-Kanal MOSFETs 18. Überschreitet die Signalstärke einen oberen Grenzwert von –20 dB, so befindet sich der p-Kanal MOSFET 18 in einem zweiten Zustand B und wird von einer Steuereinheit 20 leitend geschaltet, d.h. der Strom fließt über die Drain-Source Strecke des p-Kanal MOSFETs 18. Darüber hinaus befindet sich der p-Kanal MOSFET 18 in dem zweiten Zustand B und wird leitend geschaltet, wenn die Versorgungsspannung einen unteren Grenzwert von 6 Volt unterschreitet, unabhängig von der vorherrschenden Signalstärke.
In einem normalen Betrieb arbeitet der p-Kanal MOSFET 18 daher entsprechend bekannten Verpolschutzschaltungen aus dem Stand der Technik. Wird aber von einem Benutzer die Lautstärke eines Autoradios erheblich erhöht, wodurch höhere Ströme über die Gleichspannungsversorgungsleitungen fließen, wird dies von der Signalstärkebestimmungseinheit 20 bzw. von dem Signalprozessor 12 ermittelt und ein Eingangssignal an die Steuereinheit 16 ausgegeben, welche eine Steuerspannung an dem Gate des p-Kanal MOSFETs 18 bereitstellt, wodurch der p-Kanal MOSFET 18 leitend geschaltet wird. Die Verlustleistung an der Diode 19 wird daher während des Betriebs mit hoher Aussteuerung erheblich reduziert. Darüber hinaus bietet eine derartige Schaltungsanordnung den Vorteil, dass in einem Start-Stopp-Betrieb eines Fahrzeugs Einbrüche in der Versorgungsspannung, welche bei jedem Motorstart auftreten, nicht durch den Spannungsabfall an der internen Diode 19 verstärkt werden. Würde der p-Kanal MOSFET 18 nicht leitend geschaltet werden, würde einer Diode eines MOSFETs auch über den Kabelbaum des Fahrzeugs so viel Spannung verloren gehen, dass die Endstufen des Audioverstärkers in ihren spezifizierten Grenzbereich kommen, wobei die Wiedergabelautstärke abnimmt, Aussetzer in der Wiedergabe vorkommen oder der Verstärker kurzzeitig ausgeht. Bei einem leitend Schalten des p-Kanal-MOSFETs 18 werden jedoch diese Diodenverluste, welche beispielsweise 0,7 Volt betragen, verhindert. Dadurch wird eine optimale Steuerung für einen Audio-Verstärker 14 bereit gestellt, wobei ein normaler Betrieb möglich ist und darüber hinaus bei hoher Last sowie bei Unterschreiten einer bestimmten Versorgungsspannung eine zuverlässige Funktion des Audio-Verstärkers 14 gewährleistet wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet dabei einen geringen Spannungsabfall bei einem geringen Einschaltwiderstand des p-Kanal MOSFETs 18. Weiter wird ein Rauschen in der Wiedergabe von Audio-Signalen in einem normalen Betrieb durch die interne Diode 19 des p-Kanal MOSFETs 18 unterdrückt. In Fällen mit höherer Last kann dabei die Rauschunterdrückung mittels der internen Diode 19 entfallen, wobei sich die Rauschunterdrückung in Audio-Signalen überwiegend bei geringer Last negativ auf die ausgegebenen Signale des Audioverstärkers 14 auswirkt. Daher bietet die Schaltungsanordnung 10 sowohl einen Verpolschutz mit den bekannten Vorteilen und ermöglicht darüber hinaus eine definierte Steuerung der Versorgungsspannung für einen Audio-Verstärker 14.
Bezugszeichenliste

10: Schaltungsanordnung
12: Signalprozessor
14: Audio-Verstärker
16: Steuereinheit
18: MOSFET
19: interne Diode
20: Signalstärke-Bestimmungseinheit
22: Anschlüsse für eingehende Audio-Signale
24: Anschlüsse für ausgehende Audio-Signale
26: Signal-Ausgänge des Audio-Verstärkers
28: Aktivierungs-Eingang
30: Gate-Verbindung der Steuereinheit
32: Source-Verbindung der Steuereinheit
34: Verbindung Signal-Eingang
36: Anschluss Signalprozessor
38, 40: Gleichstromversorgungsleitung

Claims

Schaltungsanordnung (10) zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor (12) gesteuerten Audio-Verstärker (14), umfassend: – einen Feldeffekttransistor, der in die Gleichstromversorgungsleitung (38, 40) des Audio-Verstärkers (14) geschaltet ist, – eine Steuereinheit (16), die mit dem Gate (G) des Feldeffekttransistors zum Steuern desselben verbunden ist und mit einem Signal-Eingang (32), der mit dem Ausgang (Source) des Feldeffekttransistors und mit einem weiteren Signal-Eingang (34) mit dem Signalprozessor (12) verbunden ist, – einen Signalprozessor (12), der mindestens einen Audio-Signal-Eingang (22) für eingehende Audio-Signale und mindestens einen Audio-Signal-Ausgang (24) für ausgehende Audio-Signale aufweist und über den Feldeffekttransistor an die Versorgungsleitung (38) angeschlossen ist, und – einen Audio-Verstärker (14) mit mindestens einem Signal-Ausgang (26) und mindestens einem Audio-Signal-Eingang für die von dem Signalprozessor (12) ausgehenden Audio-Signale, wobei der Feldeffekttransistor ein p-Kanal MOSFET (18) mit einer internen Diode (19) ist und die Steuereinheit (16) in Abhängigkeit von der an dem Anschluss des Audio-Verstärkers (14) an die Versorgungsleitung (40) anliegenden Versorgungsspannung und/oder in Abhängigkeit eines vom Signalprozessor (12) abgegriffenen Eingangs-Signals den p-Kanal MOSFET (18) leitend oder nicht leitend schaltet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (16) den p-Kanal MOSFET (18) leitend schaltet, wenn die Versorgungsspannung einen unteren Grenzwert unterschreitet oder wenn die eingehenden Audio-Signale einen oberen Grenzwert überschreiten, wobei die Versorgungsspannung von der Steuereinheit (16) und/oder von dem Signalprozessor (12) gemessen und ein vom Signalprozessor (12) abgegriffenes Eingangs-Signal in Abhängigkeit von den eingehenden Audio-Signale ausgegeben wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (16) einen Aktivierungs-Eingang (28) aufweist, der mit dem Einschalter des Gerätes, in welchem der Audio-Verstärker (14) angeordnet oder mit welchem dieser verbunden ist, verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (10) in einem Fahrzeug angeordnet ist und wobei eine Gleichspannungsquelle ein Akkumulator des Fahrzeugs ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, sofern auf Anspruch 3 bezogen, wobei ein Umschalt-Signal an einem weiteren Signal-Eingang oder an dem Aktivierungs-Eingang (28) der Steuereinheit (16) anliegt, wenn das Fahrzeug sich in einem Startvorgang bei einem Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs befindet.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die interne Diode (19) des p-Kanal MOSFETs (18) bei einer Verpolung der Spannungsversorgung einen Stromfluss verhindert.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (16) und/oder der Signalprozessor (12) und/oder der Audio-Verstärker (14) als gemeinsame Einheit ausgebildet sind.
System, aufweisend eine Schaltungsanordnung (10) zum Steuern einer Versorgungsspannung für einen von einem Signalprozessor (12) gesteuerten Audio-Verstärker (14), umfassend: – einen p-Kanal MOSFET (18) mit einer internen Diode (19), der in die Gleichspannungsversorgungsleitung (38, 40) des Audio-Verstärkers (14) geschaltet ist, – eine Steuereinheit (16), die mit dem Gate (G) des p-Kanal MOSFETs (18) zum Steuern desselben verbunden ist und mit einem Signal-Eingang (32), der mit dem Ausgang (Source) des p-Kanal MOSFETs (18) und mit einem weiteren Signal-Eingang (34) mit dem Signalprozessor (12) verbunden ist, – einen Signalprozessor (12), der mindestens einen Audio-Signal-Eingang (22) für eingehende Audio-Signale, mindestens einen Audio-Signal-Ausgang (24) für ausgehende Audio-Signale aufweist und über den p-Kanal MOSFET (18) an die Versorgungsleitung (38) angeschlossen ist, und – einen Audio-Verstärker (14) mit mindestens einem Signal-Ausgang (26) und mindestens einem Audio-Signal-Eingang für die von dem Signalprozessor (12) ausgehenden Audio-Signale, wobei die Steuereinheit (16) in Abhängigkeit der an dem Anschluss des Audio-Verstärkers (14) an die Versorgungsleitung (40) anliegenden Versorgungsspannung und/oder in Abhängigkeit eines vom Signalprozessor (12) abgegriffenen Eingangs-Signals den p-Kanal MOSFET (18) leitend oder nicht leitend schaltet, wenn die Versorgungsspannung einen unteren Grenzwert unterschreitet oder wenn die eingehenden Audio-Signale einen oberen Grenzwert überschreiten oder wenn ein Umschaltsignal an der Steuereinheit (16) anliegt, wobei die Versorgungsspannung von der Steuereinheit (16) und/oder von dem Signalprozessor (12) gemessen und das Eingangs-Signal in Abhängigkeit der eingehenden Audio-Signale ausgegeben wird.
System nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (16) einen Aktivierungs-Eingang (28) aufweist, der mit dem Einschalter des Gerätes, in welchem der Audio-Verstärker (14) angeordnet oder mit welchem dieser verbunden ist, verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Schaltungsanordnung (10) in einem Fahrzeug angeordnet ist und wobei eine Gleichspannungsquelle ein Akkumulator des Fahrzeugs ist.
System nach Anspruch 10, sofern auf Anspruch 9 bezogen, wobei das Umschalt-Signal an einem weiteren Signal-Eingang oder an dem Aktivierungs-Eingang (28) der Steuereinheit (16) anliegt, wenn das Fahrzeug sich in einem Startvorgang bei einem Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs befindet.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die interne Diode (19) des p-Kanal MOSFETs (18) bei einer Verpolung der Spannungsversorgung einen Stromfluss verhindert.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Steuereinheit (16) und/oder der Signalprozessor (12) und/oder der Audio-Verstärker (14) als gemeinsame Einheit ausgebildet sind.