專利名稱：數(shù)字音頻放大器及其數(shù)字音頻放大方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字音頻放大器，并且更具體地涉及通過將開關(guān)模式電源和 數(shù)字音頻放大器集成為一體而實現(xiàn)安全性和功率效率的數(shù)字音頻信號放大 器，并且提供了一種適于該放大器的數(shù)字音頻信號放大方法。
背景技術(shù)：
通常，數(shù)字音頻系統(tǒng)包括從商用交流(AC)電壓生成直流(DC)電壓 的DC電壓供應(yīng)單元；以及使用音頻信號對DC電壓進行脈沖調(diào)制、對脈沖 調(diào)制后的DC電壓進行低通濾波、并且獲得對應(yīng)于輸入音頻信號的輸出音頻 信號的數(shù)字音頻放大器。這里，為了用戶的安全，DC電壓供應(yīng)(voltage supply )單元需要具有將 商用AC電壓與數(shù)字音頻放大器隔離的功能。因此，具有隔離變壓器的開關(guān) 模式電源(SMPS)通常用作DC電壓供應(yīng)單元。同時，數(shù)字音頻放大器通常 是用于增加輸出功率的D類數(shù)字音頻放大器。圖l是傳統(tǒng)數(shù)字音頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。圖1的音頻系統(tǒng)100包括SMPS 110和D類音頻放大器130。SMPS 110使用第一整流和平滑單元112將輸入的商用AC電壓轉(zhuǎn)換為 DC電壓，在開關(guān)單元116中切換DC電壓，其中該開關(guān)單元116以對應(yīng)于在 脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)制單元114中生成的PWM信號的速率工作并且該 脈沖寬度調(diào)制信號具有幾十到幾百kHz或更高的頻率，用具有適當(dāng)繞組比 (winding ratio )的隔離變壓器對切換的DC電壓進行變壓，通過第二整流和 平滑單元120整流隔離變壓器118的輸出，并且輸出DC電壓。而且，盡管 未示出，反饋誤差信號以調(diào)節(jié)脈沖調(diào)制后的信號的頻率和占空比，使得可以 輸出恒定DC電壓，而與輸入電壓或輸出電流的改變無關(guān)。隔離變壓器118將初級側(cè)、即商用AC電壓源與次級側(cè)、即數(shù)字音頻放 大器130隔離。而且，在次級側(cè)檢測的誤差信號通過光電耦合器(未示出) 而反饋到初級側(cè)的PWM調(diào)制單元114以提供電隔離。同時，D類數(shù)字音頻放大器130通過在PWM調(diào)制單元132中生成的PWM 音頻信號，在D類輸出端134處切換由SMPS IIO提供的DC電壓，通過低 通濾波器136對切換的DC電壓進行低通濾波，并且生成對應(yīng)于原始音頻信 號的輸出音頻信號。同時，雖然未示出，但是為了穩(wěn)定音頻輸出，從隔離變 壓器118的輸出生成負反饋信號，以控制PWM調(diào)制單元114的脈沖調(diào)制。圖2說明了圖示圖1中所示的D類數(shù)字音頻放大器130的操作的波形圖。 參照圖2, PWM音頻信號通過用20kHz或更低的輸入音頻信號調(diào)制180kHz 或更高的三角波載波而得到。切換的DC電壓通過用該PWM音頻信號切換 DC電壓而得到。而且，輸出音頻信號通過對切換的DC電壓進行低通濾波而 得到。如圖2所示，輸入音頻信號類似于輸出音頻信號。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題然而，如圖1所示的傳統(tǒng)的數(shù)字音頻系統(tǒng)具有功率效率(power e伍ciency ) 低且制造成本高的問題。例如，假設(shè)SMPS 110的功率效率為PI,并且數(shù)字音頻放大器130的功 率效率為P2,傳統(tǒng)的數(shù)字音頻系統(tǒng)100的功率效率Pt為PI x P2。這里，由 于P1和P2的每個具有小于1的值，所以Pt變得分別比PI和P2小。因此， 可以看到，傳統(tǒng)的數(shù)字音頻系統(tǒng)100不可避免地具有低功率效率。同時，在圖1所示的SMPS IIO和數(shù)字音頻放大器130中，PWM調(diào)制單 元114和132執(zhí)行相同的PWM調(diào)制，整流和平滑單元112和120執(zhí)行相同 的整流，并且開關(guān)單元116和D類輸出端134執(zhí)行相同的切換操作。即，可 以看到，執(zhí)行相同操作的各單元冗余地配置，因此浪費了制造成本。技術(shù)方案本發(fā)明提供了一種能夠通過消除SMPS和數(shù)字音頻放大器中的冗余部分 而增加功率效率并減少制造成本的數(shù)字音頻放大器。本發(fā)明還提供了一種能夠增加功率效率并減少制造成本的數(shù)字音頻信號 放大方法。有益效果根據(jù)由申請人進行的實驗，當(dāng)使用SMPS和D類數(shù)字音頻放大器時，功 耗為130瓦。然而，根據(jù)本發(fā)明，功耗為lll瓦，即，功耗減少了 19瓦。結(jié)果，通過降低防止EMI的各種濾波器、整流AC電壓的橋整流器、以及平滑 電容器的電流率，可以以較低成本制造數(shù)字音頻放大器。根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字音頻放大器，通過將開關(guān)模式電源和數(shù)字音頻放大器 集成為一體，數(shù)字音頻放大器滿足隔離需求同時增加功率效率。


通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和其他特 征和優(yōu)點將變得更明顯，附圖中圖l是傳統(tǒng)的數(shù)字音頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2說明了示出圖1中所示的D類數(shù)字音頻放大器的操作的波形圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的數(shù)字音頻放大器的結(jié)構(gòu)的框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的數(shù)字音頻放大器的電路圖；圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的全橋型數(shù)字音頻放大器的示例；圖6圖示圖5中所示的施密特觸發(fā)器的操作；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的數(shù)字音頻放大器的電路圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的另 一實施例的數(shù)字音頻放大器的電路圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的數(shù)字音頻放大器的電路圖。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種數(shù)字音頻放大器，包括脈沖調(diào)制單 元，其通過對輸入音頻信號進行脈沖調(diào)制而生成脈沖調(diào)制后的音頻信號；開 關(guān)單元，其基于脈沖調(diào)制后的音頻信號切換直流(DC)電壓；隔離變壓器， 其對開關(guān)單元的輸出進行變壓并輸出變壓的結(jié)果；以及低通濾波器，其通過 對隔離變壓器的輸出進行低通濾波而獲得對應(yīng)于輸入音頻信號的音頻信號， 并且輸出該音頻信號。開關(guān)單元和低通濾波器可以分別設(shè)置在隔離變壓器的初級側(cè)和次級側(cè)， 并且數(shù)字音頻放大器還可以包括光電耦合器，其將脈沖調(diào)制后的音頻信號進 行光電耦合，并且將結(jié)果提供給開關(guān)單元。脈沖調(diào)制單元可以對輸入音頻信 號進行脈沖寬度調(diào)制。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種數(shù)字音頻放大方法，包括通過對 輸入音頻信號進行脈沖調(diào)制而生成脈沖調(diào)制后的音頻信號；基于脈沖調(diào)制后的音頻信號切換DC電壓，并且生成切換的DC電壓；通過隔離變壓器對切 換的DC電壓進行變壓；并且對隔離變壓器的輸出進行低通濾波，并輸出對 應(yīng)于輸入音頻信號的輸出音頻信號。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的數(shù)字音頻放大器的結(jié)構(gòu)的框圖。圖3 中示出的數(shù)字音頻;改大器300包括整流和平滑單元302、脈沖調(diào)制單元304、 開關(guān)單元306、隔離變壓器308、以及低通濾波器310。
整流和平滑單元302將商用AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。脈沖調(diào)制單元304 對輸入音頻信號進行脈沖調(diào)制，并且將獲得的脈沖調(diào)制后的音頻信號提供給 開關(guān)單元306。開關(guān)單元306使用脈沖調(diào)制后的音頻信號切換由整流和平滑 單元302提供的DC電壓，并且生成切換的DC電壓。隔離變壓器308對從 開關(guān)單元306輸出的切換的DC電壓進行變壓并將其輸出。低通濾波器310 對隔離變壓器308的輸出進行低通濾波,并且輸出對應(yīng)于輸入音頻信號的輸出 音頻信號。輸出音頻信號被提供給揚聲器。
這里，通過隔離變壓器308將商用AC電壓與低通濾波器310隔離。
參照圖3,可以看到，與圖1所示的傳統(tǒng)數(shù)字音頻系統(tǒng)100相比，解決
了整流和平滑單元、脈沖調(diào)制單元和開關(guān)單元的冗余的問題。因此，改進了 功率效率和制造成本。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的數(shù)字音頻放大器300的電路圖。根據(jù)圖4 所示的實施例，脈沖調(diào)制器304配置在隔離變壓器308的次級側(cè)，并且將作 為脈沖調(diào)制器304的輸出的PWM音頻信號通過光電耦合器410提供給配置 于隔離變壓器308的初級側(cè)的開關(guān)單元306。
參照圖4，數(shù)字音頻放大器300包括熔絲402、用于防止電^f茲干擾(EMI) 的濾波器404、用于進行信號線之間或信號線和底盤(chassis )之間的噪聲濾 波的電容器406、負反饋信號生成器408、用于對脈沖調(diào)制單元304中生成的 脈沖調(diào)制后的音頻信號進行光電耦合的光電耦合器410、以及用于將光電耦 合器410的輸出方文大到足以驅(qū)動開關(guān)單元306的開關(guān)晶體管306a和306b的 電平的柵極驅(qū)動器412。
整流和平滑單元302包括橋整流器302a和平滑電容器302b。開關(guān)單元 306包括彼此互補(complementary)操作的開關(guān)晶體管306a和306b。圖4 中示出的開關(guān)單元306執(zhí)行對應(yīng)于半橋型D類數(shù)字音頻放大器的切換操作。 然而，應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明不限于此，并且可以被構(gòu)造為執(zhí)行對應(yīng)于全橋型D類數(shù)字音頻放大器的切換操作。
圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的全橋型數(shù)字音頻放大器的示例。
隔離變壓器308由鐵氧體磁心組成以便減少EMI并提高效率。
脈沖調(diào)制器304包括集成電路304a和施密特觸發(fā)器304b。集成電路304a 集成音頻信號和負反饋信號，并且施密特觸發(fā)器304b的輸出由集成電路304a 的輸出振蕩。PWM音頻信號通過集成電路304a和施密特觸發(fā)器304b獲得。
圖6圖示圖5中示出的施密特觸發(fā)器的操作。施密特觸發(fā)器304b具有兩 個閾值電壓。例如，如果輸入電壓(Vin)變?yōu)榇笥诘谝婚撝?，則輸出電壓(Vout) 轉(zhuǎn)變到邏輯電平1。在輸入電壓處于第一閾值電壓和第二閾值電壓之間時， 一旦輸出電壓(Vout)變?yōu)檫壿嬰娖絣,邏輯電平1就維持。如果輸入電壓(Vin) 變?yōu)榈陀诘诙撝惦妷?，則輸出電壓(Vout)返回到邏輯電平O。
因此，可以看到，施密特觸發(fā)器304a輸出對應(yīng)于集成電路304a的輸出 中的改變的脈沖寬度調(diào)制后的信號。
從脈沖調(diào)制單元304輸出的PWM音頻信號通過光電耦合器410提供給 柵極驅(qū)動器412。柵極驅(qū)動器412將光電耦合器410的輸出放大到足以驅(qū)動 開關(guān)單元306的開關(guān)晶體管306a和306b的電平。
DC電壓通過開關(guān)單元306的切換操作而被切換，即被脈沖寬度調(diào)制。 開關(guān)單元306的輸出通過隔離變壓器308而被變壓，通過低通濾波器310而 被低通濾波，并且作為輸出音頻信號而被輸出。
負反饋信號生成器408用于提供穩(wěn)定的輸出音頻信號，而無論輸入電壓 和輸出電流中的改變?nèi)绾?。負反饋信號生成?08根據(jù)隔離變壓器308的輸 出，生成對應(yīng)于輸出音頻信號的幅度的負反饋信號。負反饋信號生成器408 可以簡單地通過例如電阻器而實現(xiàn)。
負反饋信號被提供給集成電路304a。集成電路304a集成音頻信號和負 反饋信號，即，放大音頻信號和負反饋信號的合成信號。
當(dāng)輸出音頻處于穩(wěn)定狀態(tài)、即負反饋信號具有恒定值的狀態(tài)時，如果輸 出音頻信號的電平由于輸入電壓和輸出電流中的改變而超過正常電平，則負 反饋信號減小，結(jié)果，PWM音頻信號的占空比減小。因此，切換的DC電壓 的占空比減少，因此輸出信號的電平下降。
相反，如果由于輸入電壓和輸出電流中的改變，輸出音頻信號的電平下 降到低于正常電平，則負反饋信號增大，結(jié)果，PWM音頻信號的占空比增大。因此，切換的DC電壓的占空比增大，因此輸出信號的電平升高。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的數(shù)字音頻放大器的電路圖。在圖7的實施 例中，如同圖4的實施例，脈沖調(diào)制器304設(shè)置在隔離變壓器308的次級側(cè)， 并且從脈沖調(diào)制器304輸出的PWM音頻信號通過光電耦合器410提供給設(shè) 置在隔離變壓器308的初級側(cè)的開關(guān)單元306。然而，圖7的實施例與圖4 的實施例的不同在于，采用了比較器304c而不是施密特觸發(fā)器304b。
比較器304c將集成電路304a的輸出與三角波載波比較，并輸出PWM 音頻信號。比較器304c和數(shù)字音頻放大器300的操作可以參照圖2所示的波 形而清楚地理解。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的數(shù)字音頻放大器300的電路圖。與圖 4的實施例不同，在圖8的實施例中，脈沖調(diào)制器304設(shè)置在隔離變壓器308 的初級側(cè)，并且將輸入音頻信號和負反饋信號分別通過光電耦合器802和804 提供給脈沖調(diào)制器304。通過這樣做，實現(xiàn)了音頻信號和負反饋信號的隔離。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的數(shù)字音頻放大器300的電路圖。在圖 9的實施例中，如同圖8的實施例，脈沖調(diào)制器304設(shè)置在隔離變壓器308 的初級側(cè)，并且將輸入音頻信號和負反饋信號分別通過光電耦合器802和804 提供給脈沖調(diào)制器304。
然而，圖9的實施例和圖8的實施例的不同在于，采用了比較器304c 而不是施密特觸發(fā)器304b。
如果采用根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字音頻放大器，則通常在SMPS和D類數(shù)字音 頻放大器兩者中使用的PWM調(diào)制單元和開關(guān)單元可以被簡化，使得可以減 少各部分和各組件的數(shù)量、制造成本和安裝空間。
此外，由于電路變得簡化，所以增加了可靠性。
而且，如果使用了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字音頻放大器，則可以省略SMPS, 其改進了功率效率，減少了熱輻射所需的空間。 工業(yè)實用性
本發(fā)明涉及一種數(shù)字音頻信號放大器，其中通過將開關(guān)模式電源和數(shù)字 音頻放大器集成為 一體而實現(xiàn)了安全性和功率效率兩者，并且提供了 一種適 于該放大器的數(shù)字音頻信號放大方法。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字音頻放大器，包括脈沖調(diào)制單元，其通過對輸入音頻信號進行脈沖調(diào)制而生成脈沖調(diào)制后的音頻信號；開關(guān)單元，其基于該脈沖調(diào)制后的音頻信號切換直流(DC)電壓；隔離變壓器，其對該開關(guān)單元的輸出進行變壓并輸出變壓的結(jié)果；以及低通濾波器，其通過對隔離變壓器的輸出進行低通濾波而獲得對應(yīng)于該輸入音頻信號的音頻信號，并且輸出該音頻信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該開關(guān)單元和該低通濾波器分別設(shè) 置在該隔離變壓器的初級側(cè)和次級側(cè)，并且該數(shù)字音頻放大器還包括光電耦合器，其對脈沖調(diào)制后的音頻信號進行 光電耦合，并且將結(jié)果提供給該開關(guān)單元。
3. 如權(quán)利要求2所述的放大器，其中該脈沖調(diào)制單元對該輸入音頻信號 進行脈沖寬度調(diào)制。
4. 如權(quán)利要求3所述的放大器，其中該脈沖調(diào)制單元包括 集成該輸入音頻信號的集成電路；以及施密特觸發(fā)器，其輸出相對于該集成電路的輸出而振蕩，其中該脈沖調(diào) 制單元通過該集成電路和該施密特觸發(fā)器而對該輸入音頻信號進行脈沖寬度 調(diào)制。
5. 如權(quán)利要求4所述的放大器，還包括負反饋信號生成器，其從該隔離 變壓器的輸出生成負反饋信號，其中該集成電路集成該輸入音頻信號和該負 反饋信號。
6. 如權(quán)利要求3所述的放大器，其中該脈沖調(diào)制單元包括 集成電路，其集成該輸入音頻信號；以及比較器，其比較該集成電路的輸出和三角波載波，其中該輸入音頻信號 通過該集成電路和該比較器而被脈沖寬度調(diào)制。
7. 如權(quán)利要求6所述的放大器，還包括負反饋信號生成器，其從該隔離 變壓器的輸出生成負反饋信號，其中該集成電路生成該輸入音頻信號和該負反饋信號。
8. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該開關(guān)單元和該低通濾波器設(shè)置在該隔離變壓器的初級側(cè)，并且數(shù)字音頻放大器還包括第二光電耦合器，其對 該輸入音頻信號進行光電耦合，并且將結(jié)果提供給該脈沖調(diào)制單元。
9. 如權(quán)利要求8所述的放大器，其中該脈沖調(diào)制單元對該第二光電耦合器的輸出進行脈沖寬度調(diào)制。
10. 如權(quán)利要求9所述的放大器，其中該脈沖調(diào)制單元包括 集成電路，其集成該第二光電耦合器的輸出；以及 施密特觸發(fā)器，其輸出相對于該集成電路的輸出而振蕩，其中對應(yīng)于該輸入音頻信號的脈沖寬度調(diào)制后的音頻信號通過該集成電路和該施密特觸發(fā) 器而獲得。
11. 如權(quán)利要求IO所述的放大器，還包括負反饋信號生成器，其從該隔離變壓器的輸出生成負反饋信號；以及 第三光電耦合器，其對該負反饋信號進行光電耦合，并且將結(jié)果提供給 該集成電3各，其中該集成電路集成該第二光電耦合器和該第三光電耦合器的輸出。
12. 如權(quán)利要求9所述的放大器，其中該脈沖調(diào)制單元包括 集成電路，其集成該第二光電耦合器；以及比較器，其比較該集成電路的輸出與三角波載波，其中對應(yīng)于該輸入音 頻信號的脈沖寬度調(diào)制后的音頻信號通過該集成電路和該比較器而獲得。
13. 如權(quán)利要求12所述的放大器，還包括負反饋信號生成器，其從該隔離變壓器的輸出生成負反饋信號；以及 第三光電耦合器，其對該負反饋信號進行光電耦合， 其中該集成電路集成該第二光電耦合器和該第三光電耦合器的輸出。
14. 如權(quán)利要求1所述的放大器，其中該隔離變壓器包括鐵氧體磁心。
15. 如權(quán)利要求1所述的放大器，還包括整流和平滑單元，其對交流(AC) 電壓進行整流和平滑并提供直流(DC)電壓。
16. 如權(quán)利要求1所述的放大器，還包括柵極驅(qū)動器，其將調(diào)制后的音 頻信號的電平放大到足以驅(qū)動該開關(guān)單元的電平。
17. —種數(shù)字音頻放大方法，包括通過對輸入音頻信號進行脈沖調(diào)制而生成脈沖調(diào)制后的音頻信號； 基于脈沖調(diào)制后的音頻信號切換DC電壓，并且生成切換的DC電壓； 通過隔離變壓器對切換的DC電壓進行變壓；以及對該隔離變壓器的輸出進行低通濾波，并輸出對應(yīng)于該輸入音頻信號的 輸出音頻信號。
全文摘要
提供了一種數(shù)字音頻信號放大器及其數(shù)字音頻信號放大方法。更具體地，提供了一種通過將開關(guān)模式電源和數(shù)字音頻放大器集成為一體而實現(xiàn)安全性和功率效率兩者的數(shù)字音頻信號放大器，以及一種適于該放大器的數(shù)字音頻信號放大方法。該數(shù)字音頻放大器包括脈沖調(diào)制單元，其通過對輸入音頻信號進行脈沖調(diào)制而生成脈沖調(diào)制后的音頻信號；開關(guān)單元，其基于脈沖調(diào)制后的音頻信號切換DC電壓；隔離變壓器，其對開關(guān)單元的輸出進行變壓并且輸出變壓的結(jié)果；以及低通濾波器，其通過對隔離變壓器的輸出進行低通濾波而獲得對應(yīng)于輸入音頻信號的音頻信號，并且輸出所輸出的音頻信號。通過將開關(guān)模式電源和數(shù)字音頻放大器集成為一體，該數(shù)字音頻放大器滿足隔離需求并同時增加功率效率。
文檔編號H03F3/217GK101278477SQ200680036154
公開日2008年10月1日 申請日期2006年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者文炳敏 申請人:三星電子株式會社