大功率多通道数字功放及其频率共振抑制方法与流程

本发明涉及数字音频功率放大，尤其是涉及大功率多通道数字功放及其频率共振抑制方法。

背景技术：

1、大功率多通道数字功放因转换效率高、集成度好而被广泛应用，但在多通道并发输出时存在结构性的稳定性缺陷，现有多通道功放采用固定的统一开关频率，多通道共用直流母线同步运行时，开关纹波会相互串扰，引发频率共振与低频拍频干扰，严重时会导致锁相环牵引失锁并破坏器件控制时序，同时，扬声器作为感性负载在播放大动态音频时会产生反电动势，而传统功放缺乏反向能量调度机制，逆向电流倒灌引发的母线泵升效应会直接干扰其他通道的供电稳定性，且电能浪费严重。

2、此外，传统的阻抗安全监控多依赖于上电瞬间的单次测量或过载后的被动切断，无法在不干扰音频输出的前提下连续侦测扬声器的动态阻抗漂移，这种滞后且存在盲区的保护机制，无法应对运行中随时发生的负载突变或接触不良隐患，难以保障设备在复杂高负荷工况下的长期稳定运行。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供大功率多通道数字功放及其频率共振抑制方法，解决了现有数字功放存在的通道间频率共振、反向能量回灌引起供电波动以及动态阻抗保护滞后的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，提供大功率多通道数字功放，包括：电源管理单元、网络通信单元、数字信号处理单元、多通道功率放大单元以及智能控制单元；电源管理单元分别输出低压直流电和高压直流电；网络通信单元将网络音频数据包解析为数字音频码流并传输至数字信号处理单元；数字信号处理单元向多通道功率放大单元输出脉宽调制驱动信号；

4、多通道功率放大单元包括多个对应各个功放通道的开关放大拓扑电路，各个开关放大拓扑电路均包括功率开关管以及位于输出端的低通滤波器；智能控制单元具有模数转换采样接口，智能控制单元集成有诊断电流源以及受智能控制单元控制的高压隔离电子开关，诊断电流源通过高压隔离电子开关电连接至各个开关放大拓扑电路的输出端；智能控制单元的模数转换采样接口分别连接至各个开关放大拓扑电路的功率开关管输出端以及低通滤波器后端输出端。

5、上述大功率多通道数字功放利用智能控制单元与各个开关放大拓扑电路的双向连接，实现对各个功放通道物理运行状态的侦测以及脉宽调制驱动信号的调节。

6、优选的，智能控制单元通过控制高压隔离电子开关导通，利用诊断电流源向各个开关放大拓扑电路输出端注入直流测试电流；智能控制单元通过模数转换采样接口获取静态测试电压值，以计算各个功放通道的初始静态直流阻抗；当所有功放通道的初始静态直流阻抗均处于预设的安全短路阈值与安全开路阈值之间时，智能控制单元向电源管理单元发送指令开启高压直流电输出，并控制高压隔离电子开关断开以实现物理隔离。

7、上述结构利用注入直流测试电流获取初始静态直流阻抗，并在阻抗处于安全范围内时开启高压直流电输出，避免上电瞬间因外部负载短路造成的硬件损伤。

8、优选的，智能控制单元配置为获取当前处于激活状态的功放通道数量，并调用内部存储的质数序列，为各个处于激活状态的功放通道计算独立的初始目标开关频率基准值；初始目标开关频率基准值的计算方式为：将系统设定的基础开关频率，加上频率微调步长系数与从质数序列集合中按照激活功放通道编号按序选取的质数数值两者的乘积；智能控制单元将初始目标开关频率基准值转化为数字分频控制字下发至多通道功率放大单元内配置的锁相环电路以设定各个开关放大拓扑电路的载波频率。

9、上述结构通过为各个处于激活状态的功放通道分配相互独立的初始目标开关频率基准值，避免多个功放通道在相同开关频率下同步工作引发的谐波叠加，抑制数字功放内部的电磁串扰与频率共振现象。

10、优选的，数字信号处理单元对数字音频码流执行动态范围压缩逻辑，计算时间窗口内数字音频数据的均方根电压幅值；当计算得出的均方根电压幅值大于预设的数字域限幅阈值时，数字信号处理单元触发增益衰减操作，利用动态增益系数压制输出信号电平；数字信号处理单元对处理后的数字音频码流进行过采样插值处理后，与利用数字信号处理单元内置的多路脉宽调制发生器生成的参考载波序列进行逐周期的数值比较，生成脉宽调制驱动信号。

11、上述数字信号处理单元通过监控均方根电压幅值触发增益衰减操作，防止音频瞬态大信号引发输出波形削峰失真。

12、优选的，智能控制单元通过模数转换采样接口获取各个开关放大拓扑电路功率开关管输出端的连续输出电压波形；智能控制单元对连续输出电压波形叠加窗函数并执行快速傅里叶变换提取频谱数据；当频谱数据中施加干扰的邻近功放通道当前的实际运行脉宽调制中心频率对应的离散频点处提取到的串扰幅值大于预设的干扰阈值时，智能控制单元触发基于梯度下降逻辑的闭环微调机制；智能控制单元利用串扰幅值与干扰阈值的偏差量动态决定调整幅度以计算更新脉宽调制中心频率，并通过向多通道功率放大单元内配置的锁相环电路发送频率重置指令重置发生牵引失锁状态功放通道的脉宽调制中心频率。

13、上述智能控制单元通过快速傅里叶变换提取连续输出电压波形的频谱数据，并在串扰幅值超过限度时通过闭环微调机制重置脉宽调制中心频率，消除相邻功放通道间的信号耦合干扰。

14、优选的，智能控制单元获取当前时刻各个功放通道的输出瞬时电压与输出瞬时电流，采用基于离散时间窗口的移动平均模型计算瞬态功率；当计算得出的瞬态功率呈现负值且负值状态在当前检测周期内的持续时间或累积负能量超过预设的判定阈值时，智能控制单元判定产生负功的功放通道正处于反向能量回灌状态。

15、上述智能控制单元结合输出瞬时电压与输出瞬时电流计算瞬态功率，通过判定瞬态功率的负值状态及持续时间，识别由于外部扬声器负载反电动势造成的反向能量回灌工况。

16、优选的，多通道功率放大单元具有配电分路单元，配电分路单元内部集成有双向开关网络，且大功率多通道数字功放内部配置有储能缓冲阵列和能量路由模块；在确认特定功放通道处于反向能量回灌状态后，智能控制单元控制双向开关网络动作，将处于回灌状态的功放通道的供电路径重定向切换至储能缓冲阵列以暂存反向能量；智能控制单元筛选出瞬态功率大于预设的正向功率需求设定值的候选功放通道，并控制能量路由模块进入降压斩波工作模式，将储能缓冲阵列中暂存的反向能量转换为匹配的直流电压并注入候选功放通道的供电轨。

17、上述大功率多通道数字功放利用双向开关网络和能量路由模块，将处于回灌状态的功放通道的反向能量转移至储能缓冲阵列暂存，并将暂存能量转换为直流电压注入正向功率需求较大的功放通道供电轨，提高系统供电稳定性与电能利用率。

18、优选的，数字信号处理单元生成频率设定在人耳听觉范围之外的高频超声波导频信号，并将高频超声波导频信号与输入的数字音频码流进行数字加法混合；数字信号处理单元利用数字带通滤波器从采集到的输出电压与输出电流中，分离出高频超声波导频频点处的电压幅值与电流幅值，通过除法运算获取实时负载阻抗模值；当实时负载阻抗模值超出预设的阻抗安全范围时，智能控制单元控制数字信号处理单元执行限幅衰减操作。

19、上述结构将高频超声波导频信号叠加至数字音频码流中，通过数字带通滤波器分离电压幅值与电流幅值以计算实时负载阻抗模值，实现设备运行过程中的阻抗动态监测与超限保护。

20、优选的，多通道功率放大单元还配置有温度传感器；智能控制单元将各个功放通道的实时负载阻抗模值、由温度传感器获取的功率开关管表面的检测温度以及当前的运行保护状态标志位进行整合，生成标准网络数据包；标准网络数据包的数据帧结构由高到低依次包括：固定帧头、通道标识字段、阻抗数据载荷、温度数据载荷、保护状态标志位字段以及循环冗余校验码；网络通信单元通过以太网物理接口将标准网络数据包向外发送至远程监控终端。

21、上述大功率多通道数字功放将阻抗、温度以及保护状态标志位打包为标准网络数据包并通过以太网物理接口发送，实现设备底层运行状态参量的远程通讯。

22、第二方面，本发明还提供大功率多通道数字功放频率共振抑制方法，所述方法包括以下步骤：智能控制单元获取多通道功率放大单元输出端的阻抗状态，当阻抗状态处于预设的安全阻抗范围内时，向电源管理单元发送指令开启高压直流电输出；

23、智能控制单元获取激活状态的功放通道数量并计算初始目标开关频率基准值，以设定各个开关放大拓扑电路的载波频率；

24、数字信号处理单元将数字音频码流与初始目标开关频率基准值对应的载波进行比较生成脉宽调制驱动信号，驱动各个开关放大拓扑电路内的功率开关管动作；

25、智能控制单元获取各个开关放大拓扑电路的连续输出电压波形并提取频谱数据，当频谱数据中提取到的串扰幅值大于预设的干扰阈值时，计算更新并重置对应功放通道的脉宽调制中心频率；

26、智能控制单元计算各个开关放大拓扑电路的瞬态功率，当特定功放通道的瞬态功率呈现负值且超过预设的判定阈值时，判定功放通道处于反向能量回灌状态，并控制数字信号处理单元调整功放通道的脉宽调制驱动信号以抑制反向能量回灌；

27、数字信号处理单元在音频带外生成超声波导频信号叠加至脉宽调制驱动信号中，智能控制单元根据导频信号计算实时负载阻抗，当实时负载阻抗超出预设的阻抗安全范围或触发运行保护条件时执行限幅衰减操作，并通过网络通信单元发送状态数据包。

28、上述方法按序执行静态阻抗侦测、开关频率基准值分配、频谱串扰监控、瞬态功率计算以及超声波导频阻抗监测步骤，避免多功放通道并行工作时的频率串扰与共振现象，并抑制反向能量回灌对系统的影响，保证数字功放在动态负载工况下的运行稳定性。

29、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

30、1.本发明在系统启动前利用智能控制单元控制诊断电流源向各个开关放大拓扑电路输出端注入直流测试电流以计算初始静态直流阻抗，并在动态运行过程中通过数字信号处理单元叠加高频超声波导频信号以计算实时负载阻抗模值，上述控制逻辑能够在开启高压直流电前拦截外部物理短路工况，并在不干扰主音频信号输出的前提下连续监控外部阻抗状态，防止因负载接线突变造成的硬件损坏。

31、2.本发明通过调用质数序列为处于激活状态的功放通道计算相互独立的初始目标开关频率基准值，并利用快速傅里叶变换提取连续输出电压波形的频谱数据以监控串扰幅值，在串扰越限时触发闭环微调机制重置脉宽调制中心频率，上述频率分配与闭环调节机制避免多个功放通道在固定频率下同步运行引发的谐波叠加，解耦相邻通道间的电磁干扰，抑制设备内部的频率共振现象。

32、3.本发明通过采用基于离散时间窗口的移动平均模型连续计算各个功放通道的瞬态功率，在判定出现反向能量回灌状态后，控制双向开关网络将反向能量重定向切换至储能缓冲阵列暂存，并利用能量路由模块将暂存能量转换为直流电压注入具有正向功率需求的候选功放通道供电轨，上述能量调度流程隔离扬声器反电动势对主供电网络的冲击，实现多通道间的电能转移与跨通道复用，维持系统底层供电节点的电压稳定性。