专利名称：保护电动态换能器免受热过载的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动态换能器及包括所述电动态换能器的设备及保护此类设备的方法。
背景技术：
用于紧凑型及便携式装置中的扬声器需要可导致次优的音质及音量的显著设计折衷。用于紧凑型装置(例如，蜂窝式电话、电子板、膝上型计算机、PDA(个人数字助理)、媒体播放器等等)中的扬声器通常较小。因此，所述扬声器的敏感度可能较低且所述扬声器上的隔膜可具有有限范围的运动。通常使扬声器过驱动以获得听到来自所述扬声器的音
频信号所需的音量。使扬声器过驱动可因为过驱动所述扬声器所需的额外电流而引起扬声器中的音圈过度加热。使扬声器过度加热可引起对扬声器的永久损害。举例来说，过度加热可改变扬声器的隔膜的形状。隔膜已从其原始形式改变形状的扬声器使来自所述扬声器的声音失真。除了改变隔膜的形状外，使音圈过度加热还可引起将所述音圈固持到驱动器的胶黏剂熔化。当所述胶黏剂熔化时，其可引起音圈与所述驱动器分离，从而使扬声器撕裂而不可操作。使音圈过度加热还可引起将放大器连接到音圈的焊料熔化，从而使扬声器与所述放大器的连接中断。来自音圈的热量还可引起所述音圈上的绝缘材料熔化。当所述绝缘材料熔化时，音圈中的金属可彼此短路，从而减少所述音圈中的绕组数目。减少所述音圈中的绕组数目可限制扬声器的音量且归因于降低的电阻而进一步加热音圈。使扬声器过驱动可增加所述扬声器上的机械应力，从而使其失效。用于紧凑型装置中的扬声器是相对廉价的。然而，对紧凑型装置中的扬声器的损害可引起整个装置的回炉。为减少对扬声器造成的损害并提高所述扬声器的音量及质量，需要控制施加到扬声器的功率以减少对所述音圈的过度加热。
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种用于保护电动态换能器免受包含在所述换能器中的音圈的热过载的方法。所述方法包含:测量输入音频信号的功率，其中所述输入音频信号驱动放大器且其中所述放大器的输出电连接到所述音圈；且当达到预定输入音频信号功率限制时减少所述输入音频信号的所述功率。根据本发明的另一实施例，提供一种用于保护电动态换能器免受包含在所述换能器中的音圈的热过载的方法。所述方法包含:估计所述音圈的温度；测量输入音频信号的功率，其中所述输入音频信号驱动放大器且其中所述放大器的输出电连接到所述音圈；且当未达到预定输入音频信号功率限制且达到音圈温度限制时减少所述输入音频信号的所述功率。根据本发明的又一实施例，提供一种设备。所述设备包含:电动态换能器，所述电动态换能器包含音圈；放大器；所述放大器具有输入及输出，其中所述音圈电连接到所述功率放大器的所述输出；DAC，其具有输出及输入，其中所述DAC的所述输出电连接到所述功率放大器的所述输入；动态功率限制器；所述动态功率限制器具有两个输入及一输出，所述输出电连接到所述DAC的所述输入；ADC，其具有输入及输出，其中第一模拟电压及第二模拟电压呈现在所述ADC的所述输入处，其中所述第一模拟电压为跨越所述音圈的瞬时电压且所述第二模拟电压为跨越电阻器的瞬时电压，其中所述电阻器与所述音圈串联，其中来自所述ADC的第一输出为所述第一模拟电压的数字表示且其中来自所述ADC的第二输出为所述第二模拟电压的数字表示；温度估计器，所述温度估计器具有输入及输出，其中来自所述ADC的所述第一及第二输出电连接到所述温度估计器的所述输入，其中所述温度估计器的所述输出输出表示音圈的温度的数字值；控制器，所述控制器具有两个输入及一输出，其中第一输入电连接到所述温度估计器的所述输出，且所述控制器的所述输出电连接到所述动态功率限制器的第一输入；其中第一数字音频信号电连接到所述控制器的第二输入且电连接到所述动态功率限制器的第二输入；其中当所述第一数字音频信号的功率等于或大于预定功率值时，所述动态功率限制器减少施加到所述DAC的所述输入的第二数字音频的功率，使得施加到所述功率放大器的所述输入的模拟信号被减弱。
图1为电动态换能器(现有技术)的横截面图。图2为用于保护电动态换能器的热保护系统的实施例的框图。图3为保护电动态换能器中的音圈免受过度加热的方法的实施例的流程图。图4为说明可如何动态地测量电动态换能器中的音圈的电阻的示意图。图5为用于保护电动态换能器的热保护系统的实施例的框图。图6为用于保护电动态换能器的热保护系统的实施例的框图。
具体实施例方式图式及描述大体上揭示一种用于保护电动态换能器(例如，扬声器)免受热过载的方法。作为所述方法的一部分，获取对所述电动态换能器中的音圈的温度的估计，同时测量输入音频信号的功率。在获取对温度的估计并测得所述输入音频信号的功率之后，当超过功率限制及/或超过温度限制时减小所述音频输入信号的功率。图1为电动态换能器100(现有技术)的横截面图。所述电动态换能器可用于蜂窝式电话、电子板、膝上型计算机、桌上型计算机、电视机、监视器、便携式无线电收音机、便携式音乐重放系统、PDA及媒体播放器中。在电动态换能器100的此实例中，音圈111位于磁隙105的磁场中。音圈111以物理方式附接到电动态换能器100的圆顶107。锥盆109附接到电动态换能器100的圆顶107。磁铁103及磁路101为音圈111提供磁场。在此实例中未展示所述电动态换能器的悬挂及框架。音圈111通过由磁铁103及磁路101提供的磁场对流经音圈111的电流的反应来将动机提供给锥盆109。通过驱动电流通过音圈111，产生了磁场。此磁场引起音圈111与来自固定到扬声器的框架(未展不)的永磁铁103的磁场反应,从而使电动态换能器100的锥盆109移动。通过将音频信号施加到音圈111，锥盆109将重现对应于原始音频信号的
声压波。音圈111在没有损害的情况下可处理的功率量与导线绝缘材料、粘合剂材料及线轴材料的热耐受性有关，且可受到所述音圈在磁隙105中的位置的影响。此外，音圈可使用的功率量由可从音圈111移除的热量限制。图6为用于保护电动态换能器212的热保护系统600的实施例的框图。保护系统600包含控制器202、动态功率限制器204及DAC (数/模转换器)208。热保护系统600可与放大器210 —起集成在单个集成电路上。在此实例中，控制器202及动态功率限制器204为数字电路。因此，输入音频信号220为数字信号。将输入音频信号220施加到控制器202及动态功率限制器204。控制器202测量输入音频信号220的功率。当输入音频信号220的功率超过控制器202中的预定功率限制时，控制器202指示动态功率限制器204减弱输入音频信号220。通过测量对音圈111的加热同时改变输入音频信号220中的功率量来获得所述预定功率限制。举例来说，动态功率限制器204可通过使输入音频信号220乘以因数X(其中X从O到I变化)来减弱所述输入音频信号。接着将经减弱的输入音频信号224施加动DAC 208。DAC 208将经减弱的数字输入音频信号224转换为模拟信号226。模拟信号226接着驱动功率放大器210。此实例中的放大器210的增益为G。因为输入226到放大器210的增益可从O到I变化，所以放大器210的输出的增益可从O到G变化。因为模拟信号226被减弱，所以功率放大器210的输出216将比原本在输入音频信号220未被减弱的情况下供应的电流小的电流供应到电动态换能器212的音圈111。因为供应较小的电流，所以对音圈111的加热被减少。在图6中展示的实施例中，当输入音频信号220的功率不超过控制器202中的预定功率限制时，控制器202指示动态功率限制器204允许输入音频信号220在未被改变的情况下通过。图2为用于保护电动态换能器212的热保护系统200的实施例的框图。保护系统200包含ADC 230、温度估计器206、控制器202、动态功率限制器204及DAC (数/模转换器)208。热保护系统200可与放大器210 —起集成在单个集成电路上。在此实例中，温度估计器206、控制器202及动态功率限制器204为数字电路。因此，输入音频信号220为数
字信号。在本发明的实施例中，将跨越电动态换能器212的音圈111的电压232及对通过音圈111的电流234的估计呈现给ADC 230。将ADC 230的输出214及216施加到温度估计器206。基于电压216及电流214，温度估计器206输出对音圈111的温度的估计218。可以若干方式计算温度估计218。可通过测量音圈111的电阻来估计音圈111的温度。在室温73° F下，音圈的电阻或dcr (直流电阻)通常从4欧姆到16欧姆变化。然而，随着音圈111的温度归因于通过其传导的电流而增加，音圈111的电阻也增加。可测量且登记电动态换能器212中的音圈111在特定温度下的电阻。可将这些测量的结果算入为用于温度估计器206中的查找表的一部分。温度估计器206还可使用基于这些测量的方程式来给出温度估计218。将温度估计218施加到控制器202。除温度估计218外，还将输入音频信号220施加到控制器202。控制器202使用温度估计218及输入音频信号220来动态地控制动态功率限制器204的增益。举例来说，当输入音频信号220的功率超过控制器202中的预定功率限制时，控制器202指示动态功率限制器204减弱输入音频信号220。举例来说，动态功率限制器204可通过使输入音频信号220乘以因数X(其中X从O到I变化)来减弱所述输入音频信号。接着将减弱的输入音频信号224施加到DAC 208。DAC 208将减弱的数字输入音频信号224转换成模拟信号226。模拟信号226接着驱动功率放大器210。放大器210的增益为G。因为输入226到放大器210的增益可从O到I变化，所以放大器210的输出的增益可从O到G变化。因为模拟信号226被减弱，所以功率放大器210的输出216将比原本在输入音频信号220未被减弱的情况下供应的电流小的电流供应到电动态换能器212的音圈111。因为供应较小的电流，所以对音圈111加热被减少。在先前的实例中，供应到音圈111的电流被减少。因为供应到音圈111的电流被减少，所以电动态换能器212的音量将不会像其原来一样响亮。然而，因为可仅在短时间内限制电流，所以与电流不被减少的情况相比，电动态换能器212的所感知到的音量未明显地改变。控制器202响应于输入音频信号220的功率及温度估计218而动态地变化。当输入信号功率限制及温度限制均未被超过时，控制器202指示动态功率限制器204允许输入信号220在没有减弱的情况下通过动态功率限制器204。因此，此信号在电动态换能器212中产生的音量也保持不变。在温度限制被超过且输入信号功率限制未被超过的情况下，控制器202指示动态功率限制器204减弱输入音频信号220。当温度限制被超过且输入信号功率限制未被超过时由动态功率限制器204减弱的输入音频信号220的量与当温度限制被超过且输入信号功率限制被超过时输入音频信号220被减弱的量不同。控制器202基于输入信号功率限制及温度限制两者是否被超过而调整输入信号220被减弱的量。此外，信号功率限制的绝对值及温度限制的绝对值决定输入音频信号220减弱的量。在本发明的实施例中，控制器202可为PID(比例积分微分)控制器。PID控制器为广泛用于工业控制系统中的一般控制环路反馈机制。PID控制器将“错误”值计算为测得的过程变量(例如，温度或功率)与用于所述变量的所要的设定点之间的差。所述控制器力图通过调整过程控制输入来使所述错误最小化。PID控制器计算涉及三个独立的恒定参数，且因此有时称为三项控制:比例、积分及微分值。这些值可依据时间来解释:p取决于当前错误、I取决于过去错误的积累且D为基于当前的变化速率的对未来错误的预测。这三个动作的加权和用于通过控制元素(例如音圈的温度)来调整所述过程。图3为保护电动态换能器中的音圈免受过度加热的方法的实施例的流程图。在步骤300期间，测量归因于对音圈111的加热的电阻。在测量归因于对音圈111的加热的电阻之后，在步骤302期间进行对音圈111的温度的估计。可使用基于在不同温度下测得的所述音圈的电阻的查找表或方程式来进行对温度的所述估计。在步骤304期间，测量输入音频信号220的功率。在步骤306期间，确定输入音频信号220的所测得的功率是否超过预定功率限制。当输入音频信号220的所测得的功率超过所述预定功率限制时，减弱输入音频信号220，如步骤310中所展示。当输入音频信号220的所测得的功率不超过所述预定功率限制时，在步骤308期间确定音圈111的温度是否超过预定温度限制。当音圈111的温度超过所述预定温度限制时，减弱所述输入音频信号，如步骤310中所展示。当音圈111的温度不超过所述预定温度限制时，不减弱所述输入音频信号且使所述输入音频信号直接通过到放大器以被放大，如步骤312中所展示。如步骤314中所展示，所述放大器接着放大所述输入音频信号。接着，所述放大器驱动音圈111。当超过功率限制或温度限制时，还在步骤314中放大来自步骤310的经减弱的信号。图3中展示的过程继续监视音圈的温度且监视输入音频信号220的功率，以防止所述音圈过度加热。可设定所述功率限制及所述温度限制，使得由电动态换能器212产生的声音的所感知到的音量几乎与当所述输入音频信号未被减弱时相同。图4为说明可如何动态地计算电动态换能器中的音圈的电阻的示意图。电阻器R电串联连接在电动态换能器212的功率放大器210与音圈111之间。在此实例中，将瞬时模拟电压Vl及V2输入到ADC (模/数转换器)230。ADC 230接着将分别表示瞬时模拟电压Vl及V2的数字值214及216输出到温度估计器206。可通过使节点402与404之间的电压Vl除以电阻器R的电阻来计算由电动态换能器212汲取的瞬时电流I。在获得瞬时电流I后，可通过使节点406与404之间的瞬时电压V2除以瞬时电流I来计算音圈111的瞬时电阻。可通过将音圈111的瞬时电阻施加到包含在温度估计器206中的查找表或方程式来估计音圈111的瞬时温度。在使用所述温度估计器之前，通过测量所述音圈在不同温度下的电阻来获得所述查找表中或所述方程式中使用的值。在本发明的另一实施例中，可使用电流传感器来确定通过音圈111传导的瞬时电流。电流传感器为检测导线中的电流(AC或DC)且产生与其成比例的信号的装置。所产生的信号可为模拟电压、模拟电流或数字输出。接着，所产生的信号可与跨越所述音圈的电压一起用于计算所述音圈的瞬时电阻。可通过将音圈111的瞬时电阻施加到查找表或方程式来估计音圈111的瞬时温度。在本发明的另一实施例中，电流感测为放大器210的一部分(建置到其中)。在此实施例中，可通过测量跨越放大器210的输出晶体管的电压降来计算通过线圈111汲取的电流。此实例中的放大器210为D类放大器。然而，可使用其它类型的放大器，例如A类或AB类。图5为用于保护电动态换能器212的热保护系统500的实施例的框图。保护系统500包含ADC 230、温度估计器206、控制器202、动态功率限制器204、高通滤波器520及DAC(数/模转换器)208。图5中展示的保护系统500与图2中展示的保护系统200是一样的，只是添加了放置在保护系统500的输入处的高通滤波器502。在图5中展示的本发明的实施例中，添加高通滤波器502以移除电动态换能器212不能重现的低频率信号。举例来说，位于手机中的电动态换能器212可能不能够重现低于200Hz的频率。移除输入音频信号504中低于200Hz的频率，减少了电动态换能器212中的失真。此外，低频率信号比高频率信号需要更多的功率来重现。因为低频率信号需要更多的功率来重现，所以当从输入音频信号504移除低频率信号时，减少了驱动音圈111所需的电流。减少驱动音圈111所需的电流量也减少了对所述线圈的加热。因此，从输入音频信号移除低频率信号有助于保护电动态换能器212免受过度加热。已出于说明及描述的目的呈现以上描述。其无意于为排他性的或将本发明限于所揭示的精确形式，且在以上教示的背景下其它修改及变型可为可能的。选择且描述实施例以最佳地解释可适用的原理及其实际应用，从而使所属领域的其他技术人员能够最佳地利用如适于所预期的特定用途的各种实施例及各种修改。希望将所附权利要求书理解为包括除由现有技术限制的范围之外的其它替代实施例。
权利要求
1.一种用于保护电动态换能器免受包含在所述换能器中的音圈的热过载的方法，其包含: 测量输入音频信号的功率，其中所述输入音频信号驱动放大器且其中所述放大器的输出电连接到所述音圈； 当达到预定输入音频信号功率限制时减少所述输入音频信号的所述功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中当达到预定输入音频信号功率限制时减少所述输入音频信号的所述功率包含: 通过因数X减弱所述输入音频信号，其中X可具有O到I范围内的任一值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述放大器的输出电压约等于G*X*VIN，其中G为所述放大器的固定增益且VIN为呈现在所述放大器的输入处的信号的电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在测量所述输入音频信号的所述功率之前，使所述输入音频信号通过高通滤波器。
5.一种用于保护电动态换能器免受包含在所述换能器中的音圈的热过载的方法，其包含: 估计所述音圈的温度； 测量输入音频信号的功率，其中所述输入音频信号驱动放大器且其中所述放大器的输出电连接到所述音圈； 当未达到预定输入音频信号功率限制且达到音圈温度限制时减少所述输入音频信号的所述功率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中估计所述音圈的所述温度包含: 测量所述音圈的归因于对所述音圈的加热的电阻。
7.根据权利要求5所述的方法，其中估计所述音圈的所述温度包含: 测量跨越电阻器的第一电压，其中所述电阻器与所述音圈串联； 测量跨越所述音圈的第二电压； 将所述电压施加到温度估计器，其中所述温度估计器输出基于所述所施加的电压的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述温度估计器使用查找表来估计所述温度，其中所述查找表是基于使音圈的所述温度与所述音圈的所述电阻相关的所测得的数据。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述温度估计器使用公式来估计所述温度，其中所述公式使用使所述音圈的所述温度与所述音圈的所述电阻相关的所测得的数据。
10.根据权利要求5所述的方法，其中当达到预定输入音频信号功率限制时减少所述输入音频信号的所述功率包含: 通过因数X减弱所述输入音频信号，其中X可具有O到I范围内的任一值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述放大器的输出电压约等于G*X*VIN，其中G为所述放大器的固定增益且VIN为呈现在所述放大器的输入处的信号的电压。
12.根据权利要求5所述的方法，其中在测量所述输入音频信号的所述功率之前，使所述输入音频信号通过高通滤波器。
13.—种设备,其包含: 电动态换能器，所述电动态换能器包含音圈；放大器；所述放大器具有输入及输出，其中所述音圈电连接到所述功率放大器的所述输出； DAC,其具有输出及输入，其中所述DAC的所述输出电连接到所述功率放大器的所述输A ； 动态功率限制器；所述动态功率限制器具有两个输入及一输出，所述输出电连接到所述DAC的所述输入； ADC,其具有输入及输出，其中第一模拟电压及第二模拟电压呈现在所述ADC的所述输入处，其中所述第一模拟电压为跨越所述音圈的瞬时电压且所述第二模拟电压为跨越电阻器的瞬时电压，其中所述电阻器与所述音圈串联，其中来自所述ADC的第一输出为所述第一模拟电压的数字表不且其中来自所述ADC的第二输出为所述第二模拟电压的数字表不； 温度估计器，所述 温度估计器具有输入及输出，其中来自所述ADC的所述第一及第二输出电连接到所述温度估计器的所述输入，其中所述温度估计器的所述输出输出表示音圈的温度的数字值； 控制器，所述控制器具有两个输入及一输出，其中第一输入电连接到所述温度估计器的所述输出，且所述控制器的所述输出电连接到所述动态功率限制器的第一输入； 其中第一数字音频信号电连接到所述控制器的第二输入且电连接到所述动态功率限制器的第二输入； 其中当所述第一数字音频信号的功率等于或大于预定功率值时，所述动态功率限制器减少施加到所述DAC的所述输入的第二数字音频的功率，使得施加到所述功率放大器的所述输入的模拟信号被减弱。
14.根据权利要求13所述的设备，其中当温度估计器的所述输出等于或大于预定温度值且所述第一数字音频信号的所述功率低于所述预定功率值时，所述动态功率限制器减少施加到所述DAC的所述输入的所述第二数字音频信号的所述功率。
15.根据权利要求13所述的设备，其中当温度估计器的所述输出小于所述预定温度值且所述第一数字音频信号的所述功率小于预定功率值时，所述动态功率限制器不改变施加到所述DAC的所述输入的所述数字音频的所述功率。
16.根据权利要求13所述的设备，其中当温度估计器的所述输出小于预定温度值且所述第一数字音频信号的所述功率等于或大于所述预定功率值时，所述动态功率限制器减少施加到所述DAC的所述输入的所述第二数字音频信号的所述功率。
17.根据权利要求13所述的设备，其中所述设备为选自由蜂窝式电话、电子板、膝上型计算机、桌上型计算机、电视机、监视器、便携式无线电收音机、便携式音乐重放系统、PDA及媒体播放器组成的群组的电子装置。
18.根据权利要求13所述的设备，其中所述温度估计器、所述控制器及所述动态功率限制器为数字电路。
19.根据权利要求13所述的设备，其中所述控制器为PID比例积分微分控制器。
20.根据权利要求13所述的设备，其中所述温度估计器、所述控制器及所述动态功率限制器、所述DAC及所述放大器集成在单个集成电路上。
全文摘要
本发明涉及保护电动态换能器免受热过载的方法及其设备。在本发明的实施例中，通过测量输入音频信号的功率来保护电动态换能器的音圈。当所述输入音频信号达到预定功率限制时，减少所述输入音频信号的所述功率。
文档编号H04R3/00GK103108270SQ20121036962
公开日2013年5月15日 申请日期2012年9月27日 优先权日2011年9月28日
发明者拉尔斯·里斯博, 米林德·阿尼尔·博尔卡尔, 泰斯·布赫瓦尔德·克里斯琴森, 温迪安姆·费尔南德·戴维·特拉奥雷 申请人:德州仪器公司