一种提高音频放大器效率的方法和系统与流程

1.本发明总体上属于电子设备技术领域，具体涉及音频放大器领域。本发明的目的是通过来自基于放大器(生成音频发送到扬声器)输出电压的源的电源电压的恒定和动态变化，来提高d类放大器的效率并降低其待机能耗。来自基于放大器输出电压的源的电源电压的变化减少了开关金属氧化物半导体场效应晶体管以及由电感器和电容器组成的输出滤波器中的能量损失。这样，在不增加系统复杂度和生产成本的情况下，提高了音频放大器的效率。


背景技术：

2.音频放大器通常没有可变电源电压。但是，有两类音频放大器不同，因为它们使用不止一个电源或具有可变电源。
3.h类放大器(由图2中的电路表示)具有两个或多个具有不同电压的电源(200)、(201)、(202)和(203)，由控制器(204)根据放大器的输出功率来选择。当输出功率低时，使用低功率晶体管(206)和(207)选择具有较低电压的电源(201)和(202)。另一方面，随着功率升高，通过晶体管(205)和(208)选择具有较高电压的电源(200)和(203)，从而提高放大器的效率。h类放大器的问题在于需要若干个具有不同电压的电源才能实现高效率，因此为提高效率增加的电源越多，放大器就越复杂和昂贵。
4.另一种具有可变电源的放大器是g类放大器。在该系统中，其音频信号和源的变化如图3所示，单个可变电压源(301)和(303)给放大器供电。然而，源的电源系统是复杂的，因为它需要以与音频信号(302)相同的变化速率来改变工作电压。由于音频信号可以达到20khz，处于可听频率范围内，因此源电压将需要在仅仅50ps(50个百万分之一秒)的时间在从零到最大电压的范围变化。因此，g类放大器的实现变得昂贵且难以获得快速有效的响应。如果响应不够快，放大器将不会播放部分音频信号(302)。在某些情况下，由于源的复杂性，g类放大器仅用于音频频谱的有限低频范围，从而限制了它的使用。此外，源(301)和(303)不允许包含高阻抗电容器，因为如果包含，它响应得不够快，无法跟上音频信号(302)的变化速率。因此，与包含大电容器作为功率缓冲器(累加器)的传统源相比，g类放大器源需要变得更强大以能够在放大器耗尽电流浪涌时将其提供给放大器。
5.传统的d类放大器(电路由图4示出)主要由控制电路(306)、输出晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管-302)、具有电感器(303)和电容器(304)的输出滤波器，配备有反馈(307)的非可变电源(300)、放大器输出(301)和扬声器(305)组成。反馈(307)向源(300)提供其自身的输出电压，以将电压稳定在预定的固定值。从理论上讲，d类放大器实现了100％的效率，这是因为晶体管(302)以开关方式工作，即此时连接，电流最大而电压降至调零端，此时断开，电压最大而电流为零。在两种情况下，因为功率随电压和电流的乘积而变化，所以产生的耗散功率将为零。问题在于晶体管(302)并不理想。当连接时，晶体管(302)具有内电阻，导致电压下降，从而在此状态下产生耗散功率。此外，开关速度不是无限快的(响应时间不为零)，并且在连接状态和断开状态之间的转换期间，晶体管在线性状态下短时间工
作，电压和电流为非零值，从而产生能量损失。开关引起的能量损失(p
开关
)与电源电压(v
in
)、电流(i0)、工作频率(f
工作
)和响应时间(t
响应
)成正比，如等式1所示：
6.p
开关
＝0.5xv
in
xi0x(t
响应
)xf
工作
ꢀꢀꢀ
等式1
7.除了开关损耗之外，在金属氧化物半导体场效应晶体管(302)中还发生寄生电容损耗。金属氧化物半导体场效应晶体管(302)每改变一次状态，就需要对电容为1000pf左右的电容器进行充电和放电，从而以热量的形式产生能量损失。能量损失(称为coss、p
coss
)与输入电源电压(v
ds
)、金属氧化物半导体场效应晶体管开关的频率(f
开关
)和寄生电容(c
oss
和c
l
)成正比，如等式2所示：
8.p
coss
＝0.5xf
开关
x(c
oss
+c
l
)xv
ds2
ꢀꢀꢀ
等式2
9.类似地，输出滤波器(303)和(304)的功能是过滤通过开关晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管-302)产生的方波，也不理想。电感器(303)具有可由铁氧体、铁粉或其他反映能量损失的材料制成的磁芯，由于放大器输出晶体管的振荡的交流电压所产生的交变磁场，从而生成脉宽调制(pwm)，典型的是d类放大器。这种损耗称为磁芯损耗，与交流电压成正比。因此，从500g到100khz产生的场会产生340mw/cm3的损耗，而从250g到100khz产生的场会产生约70mw/cm3的损耗。
10.目前，传统的d类放大器设计已经成熟，效率很高，因此对其进行改进比较困难。这些年来，由于构造中采用的技术的发展，放大器和电子元件，尤其是晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(302)取得了显著的发展，使d类放大器的效率达到95％。
11.新能源法规要求不断减少消费市场和汽车市场的能源浪费。因此，随着改进和创新的选择越来越少，达到法规要求的水平变得越来越困难。


技术实现要素：

12.本发明的目的是提供一种提高音频放大器效率的方法和电子系统，其有效地解决了上述现有技术的局限性，即能耗和低效率。
13.本发明通过反馈根据放大器输出电压动态调整放大器电源的电压。源电压的动态调整降低了金属氧化物半导体场效应晶体管和输出电感器中的开关损耗，由此提高中低功率下的效率并降低待机能耗。
14.电子放大系统包括源，在该源中连接有反馈组件，该反馈组件连接到放大器输出，从而读取放大器输出并且在源处调节电压调整。因此，根据放大器的输出电压，不断调整电源电压。
15.有益效果：
16.与现有技术的放大器，尤其是d类放大器相比，本发明的电子放大系统具有以下优点：
[0017]-减少了金属氧化物半导体场效应晶体管开关和输出滤波器中的能量损失；
[0018]-降低了d类放大器的待机能耗；
[0019]-提高了d类放大器的效率。
附图说明
[0020]
为了使本技术领域的任何技术人员能够充分理解并实施本发明，现结合以下列出
的附图清楚、准确和充分地对本发明进行描述，以示出实施电子放大系统的优选方式：
[0021]
图1示出了本发明声音放大系统的电路图。
[0022]
图2示出了h类声音放大系统的简化电路图。
[0023]
图3示出了g类放大器中的音频信号变化图。
[0024]
图4示出了d类声音放大系统的电路图。
[0025]
图5a示意性地示出了本发明的放大器在待机时的输出信号的电源电压信号变化图。
[0026]
图5b示意性地示出了本发明的放大器在工作时的输出信号的电源电压信号变化图。
具体实施方式
[0027]
为了解决现有技术中的问题，如h类放大器需要多个电源或成本高且额定功率高于传统电源的可变电压源，如在g类放大器在其输出中不允许使用具有高电容的电容器，对本发明进行了详细的描述。
[0028]
具有可变电压(100)的电源由音频信号(107)反馈，但变化速率慢，而允许使用具有高电容的电容器(108)，如在传统低成本源中所使用的，该电容器(108)插入在图1所示的电路中，其功能是快速、持续地向放大器输送能量，极大地提高其音频性能，尤其是在低频音频频谱方面，从而解决现有技术中由于g类放大器的电压需要快速变化而不允许在源的输出中出现高电容的问题，同时不再需要在h类放大器中使用多个不同的电源。电源电压(100)保持连续并且始终高于放大器输出音频信号的最大电压。该放大系统还包括输出滤波器和连接到控制电路(106)的金属氧化物半导体场效应晶体管(102)，该输出滤波器由电感器(103)和电容器(104)组成。该放大器输出(101)包括滤波器和扬声器(105)。待机时，即放大器输出信号为零或最小时，电源(100)的电压(501(a))最小，降低了放大器组件的能耗，如图5a所示。当在工作中音频信号强度增加时，电源(100)的电压(501(b))保持在音频信号(502)的最大峰值电压之上，以保持放大器以最少的能源浪费正确工作。如果音频信号强度进一步增加，则电源电压(100)升高，从而始终高于音频信号的峰值电压。因此，放大器输出(101)生成音频发送到扬声器(105)，不管放大器输出(101)的电压水平如何，电源(100)都动态地保持恒定变化，从而减少放大器输出组件中的耗散能量。
[0029]
现有技术与本发明的放大器之间的对比测试
[0030]
为了体现本发明所达到的技术效果，对现有技术和本发明的放大器进行了待机温升测试(无信号)、使用1小时期间的温升和待机消耗(无信号)的对比测试。
[0031]
待机温升测试在无音频、纯电阻输出额定负载或14.4v输入下持续了一个小时。现有技术的放大器显示出15.9℃的温升，而本发明的放大器显示出0.9℃的温升。表1显示了现有技术中放大器的开始和结束温度，以及开始与结束温度之间的差值。
[0032]
表1待机温升对比测试
[0033][0034][0035]
对于进行的使用1小时的温升测试，阻抗是产品(2q)的两倍的纯电阻负载，音乐信号输出为最大额定电压(55v ac)。对放大器的正常工作进行模拟，现有技术的产品温度升高了66.7℃，而本发明提出改进的产品温度升高了28.5℃，证明了效率的提高。表2示出了现有技术中放大器温度随时间的演变，以及开始与结束温度之间的差值。
[0036]
表2处于工作状态下的放大器的温升对比测试
[0037][0038]
待机功耗测试是在连接的放大器上且无音频的情况下进行的，输入电压为14.4v。现有技术的放大器在没有信号的输出端的功耗为0.945a，而本发明的放大器表现出0.451a的功耗，这表示在没有信号的情况下消耗的电流减少了约50％。表3示出了两个放大器在待机模式下消耗的电流。
[0039]
表3放大器电流消耗的对比测试
[0040][0041]
本发明涉及配备有反馈的电子音频放大系统，电源产生的其电压取决于放大器输出信号的幅度。该构造产生了与现有技术相关的新的技术效果，从而证明其具有新颖性、创造性，且充分描述(完全公开)，适用于工业应用，从而满足授予发明专利的所有要求。