用于电动扬声器的过热保护器及保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种避免电动扬声器的音圈过热的方法和对应的音圈温度保护器。
【背景技术】
[0002]用于避免电动扬声器音圈过热的方法和设备可特别有用于多种声音再现目的和应用。当由强大的输出放大器驱动时，合适的音圈过热保护是非常有用的，以防止电动扬声器的不可逆损害或完全失效。后者可以使得功率的过量电平进入扬声器音圈并驱动音圈的温度高于最大温度极限。这种过热保护的挑战在扬声器技术的诸多领域中是持续重要的，诸如公共广播系统的高功率扬声器、汽车喇叭和国内H1-Fi，以及用于便携式通信设备(诸如智能手机、笔记本电脑等)的微型扬声器。
[0003]因此，提供用于避免音圈过热而不过度依靠使用像除法和乘法操作的复杂数学运算的相对简单并有效的方法和装置是具有显著吸引力和价值的，所述复杂数学运算需要执行保护方法的信号处理器的相当大的计算资源。
【发明内容】
[0004]本发明的第一方面涉及一种避免电动扬声器的音圈过热的方法，包括以下步骤:
[0005]a)产生音频信号，
[0006]b)将低频探测信号添加到音频信号，以产生包括音频信号分量和探测信号分量的复合扬声器驱动信号，
[0007]c)将所述复合驱动信号施加给电动扬声器的音圈，
[0008]d)检测流经音圈的探测电流分量的电平，
[0009]e)将探测电流分量的检测电平和预定的探测电流的阈值进行比较，其中，预定的探测电流阈值对应于经由音圈电阻的已知温度依赖性的预定的音圈温度，
[0010]f)响应于探测电流分量低于预定的探测电流阈值，衰减的音频信号的电平。
[0011]本领域技术人员将理解，本电动扬声器的过热保护的方法可应用于各种类型的电动扬声器，诸如Hi_F1、PA、汽车和环绕声应用的扬声器。电动扬声器存在于多种形状、维度和功率处理能力，以及本领域技术人员将理解:本发明适用于几乎所有类型的电动扬声器，尤其是微型电动扬声器用于便携式终端(诸如，移动电话、智能手机)和其他便携式音乐播放设备的声音再现。
[0012]本领域技术人员将理解:每个音频信号、低频探测信号和探测电流分量可由模拟信号表示例如作为电压、电流、电荷等，或替代地由数字信号表示，例如以合适的采样率和分辨率编码为二进制格式。因此，过热保护音圈的方法可以包括一个步骤:由A/D转换器采样探测电流分量和/或音频信号以至少提供数字编码的探测电流分量。
[0013]根据所讨论的电动扬声器的电声特性，低频探测信号可以包括正弦波，频率在
0.5Hz和400Hz之间。可替代地，低频探测信号可以包括窄带噪声，诸如三分之一倍频带的噪音，具有中心频率置于上述频率范围内。低频探测信号优选被置于大大低于该电动扬声器的基本共振频率的频率，以保持在基本平坦的范围的扩音阻抗曲线，使得探测电流分量的电平准确反映音圈的电流或瞬时直流电阻。在标称操作条件下，诸如安装在便携式终端的密封或通风扬声器外壳中或安装在自由空气，低频探测信号的频率或中心频率优选地比电动扬声器的基础共振频率小至少5倍小，并且优选至少小10或20倍。对于安装在便携式终端的常规微型扬声器，低频探测信号的频率可例如位于5Hz和400Hz之间，诸如1Hz和200Hz之间。低频探测信号的频率可例如位于0.25Hz和20Hz之间，诸如对于相对较大的低音扬声器在0.5Hz和20Hz之间，针对音响、家庭影院或汽车应用，例如直径为6到12英寸之间。
[0014]优选地，低频探测信号的频率或中心频率在另一方面足够高，以表现出小于电动扬声器的音圈的热时间常数的一半的周期时间。因此，低频探测信号的周期时间可以是电动扬声器的音圈的热时间常数的一半或更少。该要求确保探测电流分量可以适当地采样，以避免丢失或没注意到例如由向扬声器的音圈突然施加过度功率引起的快速音圈加热事件，如下面进一步详细。相对于低频探测信号的频率或中心频率的选择的进一步的考虑在下面结合附图来讨论。
[0015]该复合扬声器驱动信号可由合适的输出或功率放大器(例如，D类或AB类放大器)被施加到语音线圈。功率放大器可被脉冲调制，以利用脉冲调制功率放大器的高功率转换效率。该脉冲调制可以通过利用输出放大器拓扑(例如，PDM或PffM输出放大器)的开关类型或D类型来实现。在替代方案中，输出放大器可以包括传统的非开关功率放大器拓扑，像A类或AB类。功率放大器的输出阻抗优选地在低频探查信号比目标扬声器的直流电阻小得多。因此，本领域技术人员应了解，取决于电动扬声器的阻抗特性，输出放大器的输出阻抗可以显著变化。在本发明的一些有用实施例中，输出放大器的输出阻抗小于1.0Ω，诸如在有关频率小于0.5 Ω或0.1Ω。在扬声器的操作期间，输出阻抗范围允许横跨音圈的探测信号电压的电平对于典型的扬声器阻抗保持相对恒定，尽管音圈的DC电阻的温度诱导变化。
[0016]如何利用音圈电阻的已知温度依赖性和预定探测电流阈值以提供过热保护的细节在下面结合附图的图3A)及3B)进行详细讨论。由于典型音圈材料(例如，铜和铝)的正温度系数，音圈的DC电阻通常随着温度的升高单调递增。这意味着，施加的复合扬声器驱动信号的探测电流分量以可预测的方式对于横跨音圈的恒定或固定的探测电压分量随着增加的音圈温度单调降低，如结合附图所示。结果，预定的探测电流阈值可被计算、估计或确定，使得它对应于预定的音圈温度。预定的音圈温度可以例如对应于正被讨论的扬声器的最大运行音圈温度或低于最大操作音圈温度的温度或任何其他所需的温度。在现实热环境中安装的一个或多个代表扬声器上，最大运行音圈温度可已经从扬声器制造商的说明书和/或实验室测量确定。
[0017]所述音频信号可以包括从合适的音频源(诸如收音机、CD播放器、网络播放器、MP3播放器)以模拟或数字格式提供的语音和/或音乐。音频源也可包括响应于进入的声音产生实时麦克风信号的麦克风。
[0018]本领域技术人员将理解，检测流经音圈的探测电流分量的电平可以各种方式在模拟或数字域中来实现。在一个实施例中，检测探测电流分量的电平可以包括以下步骤:
[0019]响应于该复合扬声器驱动信号，检测流过音圈的复合驱动信号电流，带通滤波复合扬声器驱动信号电流以衰减在其中的音频信号分量。检测从带通滤波复合扬声器驱动信号电流的探测信号电流分量的电平。带通滤波可以通过带通滤波成正比于探测电流分量的合适电压、电流、电荷等信号来实现。此后，使用合适的平均技术和时间常数，探测电流分量的电平可被确定为正比于探测电流分量的信号运行平均值。
[0020]预定的探测电流阈值可以数字格式被存储在实现本过热保护方法的音圈温度保护器的数据存储单元中。数据存储单元可以例如形成执行本过热保护方法的各种功能的信号处理器的数据存储器或数据寄存器的一部分，诸如微处理器或数字信号处理器。所述信号处理器可被配置以通过执行可执偏移序指令或程序代码的相应集合执行和本过热保护方法的步骤a)_f)相关联的一个或多个相应信号处理功能。
[0021]在本方法的许多有用的实施例中，音频信号和低频探测信号可以产生、添加并否则在第一采样率以数字格式处理。第一采样速率优选地是比较低的，诸如在8千赫和32千赫之间，以减少相关联的数字处理设备和电路的功耗。
[0022]低频探测信号和音频信号的相加或叠加可以在音圈过热保护器的操作期间基本上连续地进行或在音圈过热保护器的操作期间不连续/间隔执行，例如仅在某些时间间隔，其中音频信号的一个或多个预定特性或特征被满足。实质向音频信号连续加入低频探测信号可在扬声器的声音再现的主观性能和/或客观性能中引起一定听得见的异常。在一定的音频信号条件下，该复合扩音驱动信号的低频探测信号分量可变得可听。低频探测信号分量可例如可以位于可听范围的频率或频率范围内，其中扬声器能够产生显着的声音压力。根据复合扬声器驱动信号的音频信号分量的复谱和时间特性，探测信号可对于听众或用户变得可听及令人不愉快的。本发明的一个实施例以有效方式解决了由连续添加低频频率探测信号引起的该主观问题，以及下文参考附图描述的其它问题，而通过依赖音频信号的电平调整低频探测信号的电平不损害扬声器的过热保护。根据一个该实施例，该方法包括以下步骤:
[0023]g)估计音频信号的电平，
[0024]h)低频探测信号的估计电平，调整音频信号的低频探测信号的电平。
[0025]如果或者当音频信号的电平超过预定电平阈值时，低频探测信号例如可以在音圈温度保护器的有效操作期间只被添加到音频信号。以这种方式，低频探测信号的电平可例如当音频信号的电平超过预定电平的阈值时被设置为第一固定电平，并当音频信号的电平低于或等于预定的电平阈值时被设置为零。此外，通过选择预定电平阈值的适当值，例如对应于复合扬声器驱动信号的电平，不足功率驱动音圈接近或超过它的最大工作温度，低频探测信号可能存在于仅存在音圈过热的实际危险的复合扬声器驱动信号中。因此，当音频信号的电平下降低于预定的电平阈值时，增加或低频探测信号可中断，或低频探测信号的电平可至少以预定量和优选以听不到的电平进行衰减。本领域技术人员将理解，音频信号的电