D类放大器中基于模拟的扬声器热保护的制作方法

d类放大器中基于模拟的扬声器热保护


背景技术：

1.扬声器经常被过度驱动以获得音频输出信号的期望响度。然而，过度驱动扬声器可导致扬声器过热并对扬声器造成永久性损坏。扬声器过热可导致扬声器振膜的形状上的变化，从而使扬声器输出的音频信号失真。扬声器过热还可使扬声器内的组件熔化，包括将音圈固定到扬声器驱动器上的胶水、将放大器连接到扬声器的焊料以及音圈上的绝缘材料。熔化音圈上的绝缘材料导致音圈短路并限制扬声器的响度，降低扬声器的电阻并进一步增加扬声器的温度。
2.由于温度升高而导致的扬声器内的这些机械故障可导致扬声器发生故障。为了减少这些机械故障的可能性，控制施加到扬声器的功率以减少过热。一些音频放大器系统使用电流和电压传感器检测扬声器温度，该电流和电压传感器检测所连接扬声器两端的电流和电压。感测到的电流和电压经由σ
‑
δ模数转换器(adc)提供给数字信号处理器，该数字信号处理器确定扬声器电阻并基于扬声器的热特性将确定的电阻转换为扬声器温度。然而，adc、电流和电压传感器以及数字信号处理器在半导体管芯上占用大量空间。
3.一些音频放大器系统依赖于用于所连接扬声器的前馈热保护。检测音频输出信号峰值。响应于信号电平超过预定阈值，多级自动增益控制电路按规定顺序降低输出信号功率，其确保扬声器能够在短时间段内播放高功率信号，但不会加热扬声器。然而，多级自动增益控制电路对音频输出信号实现了保守的阈值，因为没有感测到实际的扬声器温度，并且音频放大器系统依赖于扬声器的前馈保护。保守的阈值导致音频放大器系统的较低的最大允许功率。


技术实现要素：

4.电路包括具有电阻rs的感测电阻器、具有第一增益因子g的第一放大器电路、具有第二增益因子(1/a)的第二放大器电路、第三放大器电路、电流镜、缓冲器和峰值电压检测器。第一放大器电路在第一节点和第二节点处耦合到感测电阻器，并耦合到第二放大器电路，该第二放大器电路进一步耦合到电流镜。缓冲器耦合到电流镜和第三放大器电路，该第三放大器电路进一步耦合到峰值电压检测器并被配置为接收负载两端的电压和接地节点上的电压。在一些实现方式中，负载是扬声器。在一些实现方式中，滤波器耦合在第一和第二放大器电路之间。
5.在一些示例中，第一放大器电路包括耦合到第一节点的第一输入、耦合到第二节点的第二输入以及耦合到第二放大器电路的第一输出。第一放大器电路包括具有第一负输入、第一正输入和第一输出的第一差分放大器。第一和第二电阻器具有第一电阻。第一电阻器耦合在第一输入与第一负输入之间。第二电阻器耦合在第二输入与第一正输入之间。第三和第四电阻器具有第二电阻，使得第一电阻与第二电阻的比率为第一增益因子g。第三电阻器耦合在电源电压节点和第一正输入之间。第四电阻器耦合在第一负输入与第一输出之间。
6.在一些示例中，第二放大器电路包括第二差分放大器，该第二差分放大器具有耦
合到第一放大器电路的第二负输入以及耦合到电流镜的第二正输入和第二输出。电流镜包括第一和第二晶体管以及第五和第六电阻器。第一晶体管具有耦合到第二放大器电路的第一控制输入和第一电流端子，以及耦合到电源电压节点的第二电流端子。第五电阻器耦合到第一电流端子与第二放大器电路。第二晶体管具有耦合到第二放大器电路的第二控制输入、耦合到电源电压节点的第三电流端子，以及耦合到缓冲器的第四电流端子。第六电阻器耦合到第四电流端子与缓冲器。第五电阻器具有电阻(a*rs)，并且第六电阻器具有电阻(a*rload/g)，其中rload表示负载的初始电阻。
7.在一些示例中，第三放大器电路包括第三差分放大器和具有第三电阻的第七、第八、第九、第十、第十一和第十二电阻器。第三差分放大器具有第三负输入、第三正输入和耦合到峰值电压检测器的第三输出。第七电阻器耦合到第三负输入与第二节点，并且第八电阻器耦合到第三负输入与接地节点。第九电阻器耦合到第三正输入和缓冲器，并且第十电阻器耦合到第三正输入和第三节点，其中，负载被配置为耦合在第二和第三节点之间。第十一电阻器耦合到第三负输入和第三输出，而第十二电阻器耦合到第三正输入和电源电压节点。
8.在一些实现方式中，该电路被包括在包括增益控制电路、d类放大器和功率限制器电路的系统中。增益控制电路接收输入信号并将增益因子应用于输入信号。d类放大器耦合到增益控制电路并被配置为耦合到负载。功率限制器电路耦合到电路并且被配置为降低增益因子。在一些示例中，滤波器耦合在电路和功率限制器电路之间。功率限制器电路包括参考电压发生器和差分放大器。参考电压发生器耦合到电路并且被配置为使用电路的输出和负载的电阻的预定阈值差来生成参考电压。差分放大器具有耦合到参考电压发生器的正输入、耦合到电路的负输入以及耦合到增益控制电路的输出。
附图说明
9.对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，在附图中：
10.图1以框图形式示出用于扬声器的热保护的示例反馈系统。
11.图2示出用于确定通过扬声器的电流和参考电阻器上的所得电压的示例电路。
12.图3示出用于确定扬声器的实时电阻相对于已知参考电阻的差的示例电路，该参考电阻对应于在静止条件下某个时间t0的扬声器的电阻。
13.图4示出用于基于扬声器的实时电阻相对于已知参考电阻的差来确定对扬声器增益的调节的示例电路，该参考电阻对应于在静止条件下某个时间t0的扬声器的电阻。
具体实施方式
14.所公开的用于音频放大器系统的热保护电路是模拟电路并且比依赖于数字信号处理和相关联的adc的热保护电路在半导体管芯上占据更少的面积。与依赖前馈热保护的音频放大器系统相比，示例热保护电路还确定了所连接扬声器的温度，并允许音频放大器系统实现不太保守的音频输出信号阈值并增加最大允许功率。
15.示例热保护电路将输出负载电流与已知参考电流进行比较。参考电流被校准以匹配扬声器在已知温度下的电阻，其在本文称为扬声器在静止条件下时间t0的电阻，并且可以在制造时确定。两个电流之间的差是由于输出音频信号导致扬声器温度升高或环境温度
升高导致所连接扬声器的电阻变化引起的。随着所连接扬声器变热，电流差增加并被过滤以对应于扬声器的热时间常数。将使用电流差生成的差电压与阈值电压进行比较，该阈值电压表示由于可接受或不可接受的扬声器温度引起的扬声器电阻的可接受和不可接受的变化。d类增益响应于确定扬声器温度不可接受而降低，并且增益响应于扬声器温度返回到可接受范围而增加。增益的降低降低扬声器的输出功率，并有助于保护扬声器免受热损坏。
16.示例热保护电路包括被配置为确定所连接负载的电阻变化的电路。该电路(δr检测电路)包括耦合在d类放大器和扬声器之间的感测电阻器、三个放大器电路、缓冲器、电流镜和峰值电压检测器。第一放大器电路耦合到感测电阻器并以第一增益因子g放大感测电阻器两端的电压。第二放大器电路耦合到第一放大器电路与电流镜，并通过将第一放大器电路输出缓冲到与感测电阻器匹配的电阻器上来生成输出电流。由电流镜生成的输出电流可具有第二增益因子(1/a)。在一些实现方式中，滤波器耦合在第一放大器电路和第二放大器电路之间并且将第一放大器电路的输出滤波为添加到音频输入信号的导频音频率。
17.电流镜基于第二放大器电路的输出生成电流并且具有基于第一和第二增益因子的电流镜比。电流被施加到参考电阻器，该参考电阻器经过校准以匹配扬声器在静止条件下在时间t0的电阻。缓冲器耦合到电流镜的输出和第三放大器电路，该第三放大器电路输出由电流镜和参考电阻器的输出电流生成的参考电压与扬声器两端的电压之间的电压差。电压差提供给峰值电压检测器，该峰值电压检测器基于负载的峰值电流和扬声器因温度变化而导致的电阻差来输出电压。
18.图1以框图形式示出用于扬声器系统100的热保护的示例反馈系统170。扬声器系统100包括增益控制电路110、d类放大器115、扬声器120和反馈系统170。反馈系统170包括参考电阻器130、电阻差δr检测电路140、滤波器150和功率限制器电路160。模拟输入信号105被输入到增益控制电路110，该增益控制电路110耦合到d类放大器115。d类放大器115在节点124和128处耦合到扬声器120。扬声器120具有温度相关的电阻rspk。
19.在反馈系统170中，参考电阻器130在节点124和128处与扬声器120并联耦合。通过rspk和参考电阻器130的电流被提供给δr检测电路140，该δr检测电路140确定rspk和参考电阻器130之间的差。rspk和参考电阻器130之间的差被提供给滤波器150，该滤波器将输出信号过滤为导频音。导频音可以被添加到模拟输入信号105，并且在一些示例中是大约60赫兹(hz)并且输出功率小于10毫瓦(mw)。在一些示例中，滤波器150是低通滤波器。在一些示例中，滤波器150是以导频音频率为中心的带通滤波器。
20.通过将信号过滤为导频音，反馈系统170可以简化其它组件以仅检测导频音，而不是扬声器120可能输出的所有频率。在该示例中，滤波器150耦合在δr检测电路140和功率限制器160之间，但在其它实现方式中，滤波器150包括在δr检测电路140中。滤波器150的输出被提供给功率限制器电路160，该功率限制器电路160将rspk和参考电阻器130之间的差与电阻的一个或多个阈值差进行比较并且基于比较限制由增益控制电路110施加到模拟输入信号105的增益。
21.在一些实现方式中，增益控制电路110实现快攻(fast attack)和缓释(slow release)，以提高音频输出质量。在快攻中，增益控制电路110快速衰减施加到模拟输入信号105的增益。在缓释中，增益控制电路110在实现增益增加之前将增益的任何增加延迟预定时间段。在一些示例中，增益控制电路110实现的快攻和缓释被绕过并且由滤波器150引
起延迟，该滤波器150调制增益增加和减少并且可以被调节以提高音频输出质量。
22.图2示出用于确定通过扬声器的电流和参考电阻器上的所得电压的示例电路200。为了便于解释，参考图1中的扬声器系统100来描述示例电路200。示例电路200可以包括δr检测电路140的一部分，并且包括感测电阻器rs、放大器210和240以及电流源和缓冲电路260。感测电阻器rs耦合在d类放大器115和扬声器120之间，并且具有很小的电阻，例如60毫欧(mω)。通过感测电阻器rs和扬声器120的负载电流il被提供给放大器210，该放大器210将感测电阻器rs两端的电压放大了因子g。
23.在该示例中，放大器210包括一个差分放大器220、两个电阻器rf和两个电阻器g*rf。一个电阻器rf在节点205处耦合到感测电阻器rs和d类放大器115，并耦合到差分放大器220的负输入。第二电阻器rf在节点124处耦合到感测电阻器rs和扬声器120，并且耦合到差分放大器220的正输入。一个电阻器g*rf耦合到电压源vcm 215和差分放大器220的正输入。第二电阻器g*rf耦合到差分放大器220的负输入和差分放大器220的输出。
24.从差分放大器220输出的信号225是电流il乘以感测电阻器rs的电阻和放大器增益g，即il*rs*g。在该示例中，信号225被提供给滤波器150。通过在信号链的早期将信号225过滤为导频音，放大器240和电路260可以被简化以检测比扬声器120输出的整个频率范围更少的频率。滤波器150还允许电路200基于扬声器120的热时间常数以扬声器120的温度可以增加的速率跟踪rspk的变化。
25.滤波的输出信号235被提供给放大器240，该放大器240通过将信号235除以感测电阻器rs的副本来提取负载电流il并将其放大了因子(1/a)。放大器240包括差分放大器245、电阻器a*rs和p型金属氧化物半导体场效应晶体管(pmos)mp1。在其它示例中，mp1可以实现为n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nmos)或双极结型晶体管(bjt)。mp1具有控制输入和一对电流端子。在mp1是bjt的实现方式中，控制输入是晶体管的基极，并且电流端子是晶体管的集电极和发射极。在nmos或pmos器件的情况下，控制输入是晶体管的栅极，并且电流端子是晶体管的源极和漏极。
26.差分放大器245在负输入处接收信号235。mp1的栅极端子耦合到差分放大器245的输出，并且mp1的源极端子耦合到电源电压节点250。mp1的漏极端子耦合到电阻器a*rs和差分放大器245的正输入。电阻器a*rs进一步耦合到接地节点。通过mp1的电流i 265是负载电流il乘以增益因子g并除以增益因子a，即(il*g/a)。电流i 265通过电路260中的第二pmos mp2镜像，该电路260还包括参考电阻器rref和缓冲器275。mp2的栅极端子耦合到差分放大器245的输出，并且mp2的源极端子耦合到电源电压节点250。mp2的漏极端子耦合到参考电阻器rref和缓冲器275的输入。mp1、mp2、电阻器a*rs和参考电阻器rref包括电流镜255。
27.选择参考电阻器rref的电阻来表示在它从使用中被加热之前在周围环境温度下某个初始时间t0处的rspk电阻，并去除增益因子g和a。参考电阻器rref的电阻表示为：
[0028][0029]
在一些实现方式中，rref的电阻可以由用户基于耦合到音频放大器系统的特定扬声器120来设置。在一些实现方式中，可以在制造包括半导体管芯和音频放大器系统的音频系统期间基于所包括的特定扬声器120来设置rref的电阻。输入到缓冲器275的信号270表示为：
[0030][0031]
其是从缓冲器275作为缓冲输出280的输出。
[0032]
图3示出用于确定扬声器电阻差的示例电路300。为了便于解释，参考图2中的电路200和图1中的扬声器系统100来描述示例电路300。示例电路300可以包括δr检测电路140的一部分，并且包括差分放大器310、峰值电压检测器320和六个电阻器：r 305a、r 305b、r 305c、r 305d、r 305e和r 305f。r 305a和r 305b耦合到差分放大器310的负输入。r 305a进一步被配置为接收节点124处的电压，并且r 305b进一步耦合到接地节点。
[0033]
r 305c和r 305d耦合到不同放大器310的正输入。r 305c进一步被配置为接收缓冲输出280，并且r 305d进一步被配置为接收节点128处的电压。r 305d耦合到差分放大器310的负输入和差分放大器310的输出。r 305e耦合到差分放大器310的负输入和输出。r 305f耦合到差分放大器310的正输入和电压源vcm 350，该电压源vcm 350对应于图2中所示的电压源vcm 215。差分放大器310的输出315是由于温度变化引起的rspk电阻差的函数，其可以用il*(rspk
‑
rspk(t0))或il*δrspk表示。输出315被输入到峰值电压检测器320，其基于添加到模拟输入信号105的已知导频音幅度的峰值信号ipk将输出315转换为dc信号330。输出信号330表示为ipk*δrspk。
[0034]
图4以框图形式示出示例功率限制器电路和示例增益控制电路，用于基于扬声器电阻的差来确定对扬声器增益的调节。为便于说明，参考图3中的电路300和图1中的扬声器系统100来描述图4。示例功率限制器电路410包括差分放大器430，该差分放大器430在负输入处从电路300中的峰值电压检测器320接收输出信号330。差分放大器430在正输入处接收信号420。信号420表示扬声器120的电阻的阈值变化threshold(δrspk)，高于该值时，施加到模拟输入信号105的增益由增益控制电路110限制以降低扬声器120的温度。信号420可由ipk*threshold(δrspk)表示，其使用峰值信号ipk生成以跟踪扬声器的负载电流分布。
[0035]
响应于输出信号ipk*δrspk 330大于阈值信号ipk*threshold(δrspk)420，增益控制电路110通过改变可变电阻器112的电阻来降低施加到模拟输入信号105的增益，该可变电阻器112在该示例中包括在增益控制电路110中。电阻器440耦合到d类放大器115的输入和输出，并与可变电阻器112结合，为d类放大器115和模拟输入105设置增益因子。d类放大器115的输出是输出信号450，该输出信号450表示提供给扬声器120以降低扬声器120使用的功率并进而降低扬声器120的温度的具有修改增益的信号。如本文先前参考图1所述，增益控制电路110可以实现快攻和缓释以改善音频伪像。
[0036]
在一些示例中，功率限制器410实现扬声器120的电阻的多个阈值变化，并且增益控制电路110基于多个阈值变化实现可变电阻器112的增益和电阻的不同变化。例如，功率限制器410实现第一阈值变化threshold1(δrspk)和第二阈值变化threshold2(δrspk)，其中第一阈值表示第一较小的电阻差，而第二阈值表示第二较大的电阻差。响应于输出信号330大于第一阈值但小于第二阈值，与响应于输出信号330大于第二阈值的较大增益减小相比，增益控制电路110将增益减小第一较小的量。
[0037]
在本说明书中，术语“耦合(couple)”或“耦合(couples)”是指间接或直接有线或无线连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接连接或通过经由其它设备和连接的间接连接进行。“基于”的意思是“至少部分地基于”。因此，如果x基于y，则x
可能是y和任何数量的其它因素的函数。
[0038]
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中进行的修改是可能的，并且其它实施例也是可能的。