用于检测音频放大器的负载状态的诊断电路、对应的音频系统、集成电路和方法与流程

本发明的实施例涉及用于确定音频系统中的负载状态的技术。

背景技术：

图1示出了典型的音频系统。在所示示例中，该系统包括音频信号发生器10(诸如无线电、CD或MP3播放器)，其生成模拟音频信号AS以发送至至少一个扬声器30。

在所示示例中，音频放大器20夹置在音频信号发生器10和扬声器30之间，其被配置为通过放大由音频信号发生器10提供的模拟信号音频AS来生成放大音频信号AAS。

例如，图2示出了所谓的D类音频放大器20的可能实现方式。

具体地，在所示示例中，音频放大器20包括波形发生器202，其生成周期性三角波信号TS，其通常具有250kHz和2.5MHz之间的频率。三角波信号TS与音频信号AS一起被发送至比较器204，其将音频信号AS与三角波信号TS进行比较，从而生成方波信号DS，方波信号的占空比根据音频信号AS的振幅而变化。

然后，方波信号DS被放大级206(其通常包括两个电开关)放大，从而生成放大方波信号ADS。最后，放大方波信号ADS被发送至低通或带通滤波器208，滤波器208从放大方波信号ADS中至少去除高频频谱，从而生成与原始音频信号AS成比例的放大音频信号AAS。这种D类放大器的操作对于本领域技术人员来说是公知的，这里省略更加详细的描述。

基本上，D类放大器基于以下事实：放大器20的开关频率显著大于通常的音频带(20Hz和20kHz之间)，从而可利用滤波器级208来过滤高开关频率，从而重新构建原始音频信号AS的轮廓。

在数字音频数据的情况下，信号发生器10可以包括用于生成信号AS的模数转换器或者信号发生器10可以直接提供数字信号DS。

在任何情况下，基本类似的低通或带通滤波器208被设置在大多数音频放大器电路中和/或还可以集成到扬声器30内。

因此，一般来说，音频信号可以如图3所示进行模拟。

在所示示例中，该系统包括：一般的信号发生器，诸如电压源VS；滤波器级208，被配置为过滤由信号发生器提供的信号；以及扬声器30，再生由滤波器级208提供的信号。因此，一般来说，滤波器级208包括用于接收由信号发生器Vs提供的信号的两个输入端以及用于提供滤波信号Vout的两个输出端。

例如，在所示示例中，滤波器208是LC滤波器。具体地，在所示示例中，第一输入端经由电感器L连接至第一输出端，并且第二输入端和第二输出端被短路并代表地GND。最后，电容器C与输出并联连接，即在输出端之间。

为了服务和/或安全的原因，音频信号通常设置有被配置为检测负载(即，扬声器30)的连接状态的诊断系统。例如，优选地，诊断系统应该能够检测扬声器30是否损伤，例如短路或断路。例如，音频放大器20的输出端之间的短路可以引起大电流流动，这会过热和/或损伤音频放大器20。

通常，诊断电路在信号发生器10去激活时进行操作。在这种情况下，具有给定频率特性的给定音频测试信号被应用于音频放大器20，并监控输出电流Iout以确定扬声器30是否连接至音频放大器20。例如，这种诊断操作可以在音频系统接通时或测试循环期间来进行。

然而，上述解决方案不能够在音频信号发生器10向音频放大器提供信号AS的同时检测扬声器的分离。实际上，音频信号(例如，音乐)的特性通常是不稳定的。此外，扬声器30的阻抗不表示纯电阻，而是可以利用RLC电路来模拟。最后，扬声器30经受振动(如在汽车领域中)甚至会生成电流。由于这些原因，输出电流Iout的简单监控可能生成错误的检测。

技术实现要素：

根据一个或多个实施例，可以通过具有在以下权利要求中具体阐述的特性的诊断电路来避免一个或多个上述问题。此外，实施例涉及对应的音频系统、集成电路和方法。

权利要求是本公开的技术教导的一部分。

如上所述，本公开提供了一种用于识别音频系统中的负载状态的技术方案。

在各个实施例中，使用诊断电路能够检测音频放大器的负载状态。

在各个实施例中，诊断电路包括第一电路，其被配置为生成指示经由音频放大器的输出端提供的信号是否包括音频信号的信号。例如，在各个实施例中，第一电路可以确定指示在音频放大器的输出端处提供的输出电压的信号。例如，第一电路可以直接监控输出电压。然而，第一电路还可以监控其他信号。例如，在各个实施例中，第一电路可以监控施加于音频放大器的输入端的电压。在这种情况下，音频放大器能够在输入处直接接收数字音频信号，第一电路还可以监控该数字音频信号。

例如，为了确定音频放大器的输出信号是否包括音频信号，第一电路可以将测量信号与至少一个阈值进行比较以确定输出电压是具有低电压振幅轮廓还是高电压振幅轮廓。具体地，当输出电压具有高电压振幅轮廓(即，高平均振幅)时，音频放大器的输出信号将包括音频信号。

为此，第一电路可以包括信号评估电路。

例如，在各个实施例中，信号评估电路产生(elaborate)测量信号以确定指示输出电压的平均振幅的值。例如，电路可为此包括低通滤波器或积分器。接下来，信号评估电路可以确定输出电压的平均振幅是否大于给定阈值并相应地对输出电压进行分类，例如当值大于阈值时将输出电压归类为大输出电压振幅轮廓。

相反，在其他实施例中，信号评估电路可以产生测量信号以确定输出电压的振幅是否大于给定阈值，并且对于给定数量的时间实例(instance)，确定输出电压大于该阈值的实例的数量。因此，实例的数量可以与又一阈值进行比较，以将输出电压归类为低或高电压振幅轮廓。

在各个实施例中，诊断电路还包括第二电路。具体地，该第二电路检测指示经由音频放大器的输出端提供的输出电流的信号。此外，第二电路还将该测量信号与至少一个阈值进行比较以生成指示输出电流具有低或高电流振幅轮廓的第二信号。因此，第二电路可以类似于第一电路来实现。

在各个实施例中，诊断电路还包括第三电路，其被配置为根据第一信号和第二信号生成诊断信号。例如，诊断信号可以在由第一电路提供的第一信号指示输出信号包括音频信号且由第二电路提供的第二信号指示低电流振幅轮廓时指示开路负载状态。相反地，诊断电路可以在第一信号指示输出信号包括音频信号且第二信号指示高电流振幅轮廓(即，高电流吸收)时指示正常的负载状态。例如当第一信号指示输出信号不包括音频信号时，诊断信号还指示诊断信号不包含有效信息。

附图说明

现在将参照仅通过非限制性示例提供的附图描述本发明的实施例，其中：

图1至图3已经在前面进行了描述；

图4示出了根据本公开的音频系统的第一实施例；

图5a至图11以及图15示出了图4的音频信号的细节；

图12示出了根据本公开的音频系统的第二实施例；

图13示出了图12的音频系统的细节；以及

图14示出了根据本公开的音频系统的第三实施例。

具体实施方式

在以下描述中，给出各种具体的细节以提供对实施例的完整理解。在不具有一个或多个具体细节或者利用其他方法、部件、材料等的情况下可以实践实施例。在其他情况下，已知结构、材料或操作没有示出或详细描述以避免模糊实施例的各个方面。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，说明书各个地方出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”的描述不是必须都属于同一实施例。此外，可以在一个或多个实施例中，以任何适当的方式组合具体的特征、结构或特性。

本文提供的标题仅为了方便而不解释实施例的范围或含义。

以下，图4至图15中与参照图1至图3描述的部分、元件或部件用这些附图中使用的相同参考标号来表示；这些之前描述的元件以下将不再重复以避免超越本发明的详细描述。

如上所述，本公开提供了用于检测音频系统中的输出负载的状态的技术方案。

具体地，在各个实施例中，在信号发生器10提供通常的模拟音频信号AS或数字音频信号DS的同时，该系统能够确定负载的状态。

图4示出了根据本公开的音频系统的第一实施例。

具体地，在所示实施例中，该系统包括音频放大器20，其提供放大模拟音频信号AAS以发送至至少一个扬声器30。因此，对于D类音频放大器的情况下的音频系统的这些部件的可能实施方式，参照图1至图3。然而，可以使用其他音频放大器，诸如A/B类音频放大器。通常，音频放大器20由此根据负载(即，扬声器30)的阻抗提供输出电压Vout和输出电流Iout。

在所示实施例中，该系统另外包括诊断电路40。

具体地，在所示实施例中，诊断电路40包括第一电路402，其被配置为确定指示放大信号AAS是否包含音频信号的信号TV。例如，在所示实施例中，通过监控并分析输出电压Vout来得到该信号。

在所示实施例中，诊断电路40还包括第二电路404，其被配置为确定指示负载的状态的信号LS。例如，在所示实施例中，通过监控并分析输出电流Iout来得到该信号。

在所示实施例中，信号TV和LS被提供给处理电路406，其根据信号TV和LS确定指示音频系统的诊断状态的信号DIAG。例如，该信号DIAG被提供给放大器20，以例如在异常负载条件的情况下断开放大器。

例如，图5a示出了电路402的第一实施例，其被配置为确定指示放大信号AAS是否包含音频信号的信号TV。

具体地，在各个实施例中，电路402包括信号评估电路410a，其被配置为分析电压Vout的振幅以确定信号AAS是否包含音频信息或仅仅包含噪声。

例如，在图6a中示出了电压Vout的可能波形，其中输出电压Vout包括一些种类的干扰和DC偏移Vos。

因此，在各个实施例中，电路402可以包括被配置为产生电压信号Vout的模拟或数字信号处理级408a。

例如，在各个实施例中，信号处理级408a可以包括分压器或者一般的放大器级以缩放电压Vout的振幅。

此外，信号处理级408a可以包括滤波器。例如，在各个实施例中，可以使用带通滤波器，其能够去除DC偏移和高频干扰。例如，在各个实施例中，滤波器可以被配置为使20Hz和20kH之间的频率通过。

通常，带通滤波器还可以更加具有选择性。例如，在所谓的多路扬声器系统中，相同的音频信号AAS可以提供给各个扬声器(诸如低音扬声器、中音扬声器和高音扬声器)，它们具有相关的相应滤波器。因此，电路408a还可以包括多个可选带通滤波器以评估这些扬声器中的每一个的行为。

例如，信号处理级408a输出处的滤波信号Vout,F的可能波形如图6b所示。

在各个实施例中，信号处理级408a可以包括整流器电路(诸如单个二极管或桥式整流器)，其被配置为整流电压信号Vout或滤波信号Vout,F。例如，如图6c示出了信号处理级408a的输出处的整流滤波信号|V_out,F|的可能波形。

通常，信号评估电路410a可以是任何适当的模拟和/或数字电路，诸如专用集成电路或者软件编程微处理器。因此，信号处理级408a还可以包括模数转换器，并且还可以数字地实施信号处理的一部分(诸如带通滤波器)。

发明人观察到，仅仅是电压电平的精确评估不足以可靠地确定信号AAS是否包含有效音频信息。

因此，在各个实施例中，信号评估电路410a被配置为在多个时间实例上评估电压信号Vout的振幅或者优选地评估处理信号Vout,F或|V_out,F|的振幅。具体地，在各个实施例中，信号评估电路410a被配置为分析电压Vout的振幅的评估以确定信号AAS是否包含音频信号，即具有高平均振幅的信号或噪声，即具有低平均振幅的信号。因此，一般来说，信号评估电路410a的输出处的信号TV被如下设置：

–当信号AAS包含音频信号时，例如当整流电压|V_out,F|具有平均值超过阈值的值时，其被设置为第一逻辑电平(诸如高)，或者

–当信号AAS仅包含噪声时，例如当整流电压|V_out,F|具有平均值低于给定阈值的值时，其被设置为第二逻辑电平(诸如低)。

例如，图5a输出了第一实施例，其中信号处理级408a的输出处的整流信号|V_out,F|被提供给模拟或数字滤波器414a。

例如，滤波器414a可以是低通滤波器(诸如RC滤波器)，其被配置为确定整流电压信号|V_out,F|的平均振幅。

滤波器414a还可以是积分器，其通过在给定的时间实例上积分整流电压信号|V_out,F|来生成信号Vint。本领域技术人员应该理解(对于给定以及优选的固定持续时间的积分周期)，信号Vint与整流电压信号|V_out,F|的平均振幅成比例。

例如，如图6e所示，信号评估电路410a可以在重置信号RES为低(参见图6e)时积分(参见图6d)整流电压信号|V_out,F|，以及当重置信号RES为高时，可以重置积分。本领域技术人员应该理解，可以通过反转信号的逻辑电平，例如通过使用使能信号来代替重置信号，得到基本相似的行为。

因此，在所示实施例中，滤波器414a的输出处的信号(即，指示电压信号Vout的平均振幅的信号)可以被提供给比较器416a以通过将信号|V_out,F|的平均值或者信号|V_out,F|的积分与预定阈值TH1a进行比较来确定信号TV。例如，当信号|V_out,F|的平均值或者信号|V_out,F|的积分大于阈值TH1a时，信号TV可以被设置为高(参见图6f)。

在这一方面，图7a至图7f示出了图6a至图6f所示的对应信号的可能波形，其中，电压Vout的振幅较小，因此信号TV保持较低，因为电路414a的输出处的信号保持低于阈值TH1a。

图5b示出了可选实施例，其允许更加低复杂性的数字实现方式。

在所示实施例中，整流电压信号|V_out,F|被直接提供给比较器418a，其确定整流电压信号|V_out,F|的振幅是否大于预定阈值TH2a，该阈值优选大于典型背景噪声的振幅。

因此，在所示实施例中，当整流电压信号|V_out,F|的振幅大于阈值TH2a时，即整流电压信号|V_out,F|具有超过典型噪声的电平的电平时，比较器418a的输出例如被设置为高。

通常，该电路还可以在不具有整流电压的情况下进行操作。实际上，在这种情况下，比较器418a仅利用信号的正半波进行操作。此外，还可以使用两个比较器，其中第二比较器利用对应的负阈值进行操作。

在所示实施例中，比较器418a的输出处的比较信号被提供给计数器420a，其确定指示(针对给定和优选固定的时间间隔)整流电压信号|V_out,F|的电平超过典型噪声的电平的比较信号的实例的数量的计数值CNTa。

例如，如图6i所示，可以为此再次使用先前描述的重置信号RES，例如：

–例如当重置信号RES为低且比较信号为高时，即当计数器420a被使能且整流电压信号|V_out,F|的振幅为高时，可以递增计数器420a的计数值CNTa；

–例如当重置信号RES为低且比较信号为低时，即当计数器420a被使能且整流电压信号|V_out,F|的振幅为低时，计数器420a的计数值CNTa保持不变；以及

–当重置信号RES为高时，即当计数器420a无效时，计数器420a的计数值CNTa可以被重置。

最后，计数器CNTa可以被提供给又一比较器422a，其确定计数值CNTa是否大于预定阈值TH3a。因此，在所示实施例中，当整流电压信号|V_out,F|的振幅在给定次数超过噪声的电平时，信号TV被设置为高。

在这一方面中，图7g至图7j示出了图6g至图6j所示的对应信号的可能波形，其中电压Vout的振幅较小，因此信号TV保持较低，因为计数值CNTa没有达到阈值TH3a。

一般来说，上面的技术方案的共同之处是，电路402监控电压Vout以确定信号TV，其指示放大器20的输出处的信号AAS是否包含音频信号或噪声。

图5a和图5b所示的电路还可以用于电流监控电路404。

例如，图8示出了电路404的可能实施例。

在所示实施例中，电路404包括电流传感器，其被配置为监控电流Iout，即流过扬声器30(诸如与扬声器30串联的电阻器R)的电流。因此，在所示实施例中，电阻器R处的电压V_R指示用于电流Iout。通常，与负载串联的其他电阻也可以被用作传感器，诸如图2所示的放大器级206的一个开关的接通电阻。此外，还可以使用其他类型的电流传感器，其提供指示提供给负载的电流的信号，诸如霍尔传感器。

因此，先前描述的信号处理电路和信号评估电路还可以用于电压V_R的分析以确定指示流过负载的电流是否在预定限制内的信号LS。

例如，在所示实施例中，使用图5b所示的技术方案。

具体地，同样在这种情况下，信号处理电路408b可用于根据电压V_R(例如，经由带通滤波器)确定滤波信号V_R,F以及优选的整流和滤波信号|V_R,F|。

在所示实施例中，整流电压信号|V_R,F|随后被提供给至少一个比较器418b，其确定整流电压信号|V_R,F|的振幅是否大于预定阈值TH2b，该阈值通常应大于典型为开路负载条件下的振幅。

因此，在所示实施例中，当整流电压信号|V_R,F|的振幅大于阈值TH2b时，即当整流电压信号|V_R,F|指示输出负载吸收超过开路负载条件的等级的电流电平时，比较器418b的输出例如被设置为高。

在所示实施例中，比较器418b的输出处的比较信号被提供给计数器420b，其确定(再次针对给定的时间间隔)指示比较信号指示输出负载吸收超过开路负载条件的等级的电流电平的实例的数量的计数值CNTb。

计数值CNTb然后可以被提供给又一比较器422b，其确定计数值CNTb是否大于预定阈值TH3b。因此，在所示实施例中，当输出负载在给定次数内吸收超过开路负载条件的等级的电流电平时，信号LS被设置为高。

在这一方面中，图9a至图9f以及图10a至图10f分别示出了用于典型的电流吸收(图9)和过低的电流吸收(图10)的上述信号的可能波形。

如前所述，指示信号AAS包含音频信号的信号TV以及指示电流吸收正常的信号LS被提供给处理电路406。

基本上，在各个实施例中，处理电路406将信号TV认为是指示测试是否有效的信号，因为当信号TV指示信号AAS包含音频信号时，信号LS可以仅指示正常的电流吸收轮廓。

例如，图15示出了处理电路406的操作的可能实施例。

在开始步骤1000之后，电路406在步骤1002中确定信号TV的值，其如前所述例如可以指示低输出电压(典型用于噪声)或高输出电压(典型用于音频信号)。

因此，在步骤1004中，电路406可以测试信号TV是否指示信号AAC包含音频信号。

在信号AAC包含音频信号的情况下(步骤1004的输出为是)，电路406可以在步骤1006中确定信号LS的值，其如前所述例如可以指示低输出电流(典型用于开路负载)或高输出电流(典型在连接扬声器时)。

在步骤1008中，电路406随后可以测试信号LS是否指示扬声器被连接，即电流吸收轮廓正常。

在电流吸收轮廓正常的情况下(步骤1008的输出为是)，电路406可以在步骤1012中将信号DIAG设置为指示音频系统正常操作的值。

在扬声器被断开且开路负载条件确定的情况下(步骤1008的输出为否)，电路406可以在步骤1010中将信号DIAG设置为指示扬声器断开的值。

在信号AAC不包含音频信号的情况下(步骤1004的输出为否)，电路406可以在步骤1014中将信号DIAG设置为指示测试无效的值。

在所有情况下(步骤1010、1012和1014)，电路406可以返回到步骤1002用于执行新测试。优选地，在这种情况下可以使用等待步骤1016，其中电路406等待预定的时间量或者直到请求新测试。

因此，在所示实施例中，当电路402检测的输出电压太低时，电路406忽略由电路404执行的电流测试的结果。

图11示出了电路406的可能实施例。

在所示实施例中，电路406包括被配置为生成用于激活电路402和404的重置信号RST(或对应的使能信号)的控制电路426。例如，可以周期性地生成重置信号或者根据由又一电路(诸如音频放大器20)提供的请求信号REQ来生成。

在所示实施例中，电路406包括又一电路424，其被配置为根据信号TV和LS的值确定诊断信号DIAG。

例如，电路424可以利用锁存器或触发器(诸如D触发器)来实施，其仅在信号TV为高时存储信号LS的值。

然而，这种技术方案没有考虑信号振幅。具体地，在信号AAS包含较强的音频信号且输出电压Vout的平均振幅较大的情况下，积分输出电压Iout应该在相比较的(短)时间间隔内达到相应阈值。从而，当信号AAS包含弱音频信号且输出电压Vout的平均振幅较低时，积分电流信号仅可以在较长的时间段之后达到相应阈值。

因此，在当前优选实施例中，当信号TV的逻辑值改变时，例如当信号TV从低变为高时，对信号LS进行采样。

例如，这可以通过将信号TV用作对信号LS进行采样的时钟信号来实现，即，信号LS仅在信号TV的上升沿处被采样。当电路424检测到信号TV改变逻辑电平(例如，从低到高)时，可以通过以同步方式生成包含短脉冲的使能信号(例如，用于D触发器)来实现类似行为。因此，在这种情况下，当信号TV指示已经达到阈值TH1a或TH3a时，对信号LS进行采样。因此，采样实例基于电压Vout的振幅轮廓改变，即，信号LS将对于高音频信号等级更早以及对于小音频信号等级更晚地被采样。

因此，一般来说，重置信号较低的持续时间对应于超时周期：

–在信号TV不改变逻辑电平的情况下(例如，走高)，测试无效；

–在信号TV改变逻辑电平的情况下(例如，走高)，测试有效且信号LS可以被采样。

一般来说，电路426还可以生成用于限定超时周期的独立信号，并且重置信号可用于重置电路402和/或电路404，诸如图5a所示的积分器414a或图5b所示的计数器420a。

因此，在所示实施例中，图15的步骤1016可以通过控制电路426来执行，并且用于确定信号DIAG的剩余步骤可由电路424执行。

一般来说，被配置为确定信号AAS是否包含音频信号的电路402还可以集成到信号发生器10中。

例如，如图12所示，信号发生器10通常将模拟音频信号AS或数字音频信号DS提供给音频放大器20。

因此，在这种情况下，信号发生器10已经知道音频信号何时被发送至音频放大器20，并且信号发生器10可以仅在这些信号AS/DS包含音频信息的情况下请求执行输出电流的监控循环(通过提供给控制电路406的信号REQ)。

具体地，如图13所示，在这种情况下，电路426可以根据请求信号REQ内部地生成信号TV。

最后，图14示出了一个实施例，其中电路402用于监控音频放大器20的输入处的信号，即模拟音频信号AS或数字音频信号DS。

在数字音频信号DS的情况下，该实施例尤其有用，因为在这种情况下，已经可用的数字值与期望的输出电压振幅成比例，从而降低了电路408a的复杂度，例如可以不要求模数转换器。

一般来说，图4和图14所示的诊断电路40还可以集成在音频放大器20中。

此外，诊断信号DIAG可以被提供给信号发生器10和/或音频放大器20。

例如，诸如无线电或MP3播放器的信号发生器10通常具有相关联的显示设备。因此，这种显示设备可用于向用户展示错误消息，例如在确定开路负载或短路条件的情况下。

当然，不对本发明的原理具有偏见，构造的细节和实施例可以相对于仅通过示例描述和示出的进行各种变化，而不背离由权利要求限定的本发明的范围。