專利名稱：用于過流保護的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及數(shù)字放大器，且更具體地說，涉及使用簡單的、低成本的電流感測機構(gòu)在全數(shù)字放大器中實現(xiàn)過流保護的系統(tǒng)和方法。相關(guān)技術(shù)音頻放大器被設(shè)計為接收電壓和/或電流通常非常低的輸入信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的電壓和/或電流通常高得多的輸出信號。盡管這些更高的電壓/電流對驅(qū)動揚聲器并由此產(chǎn)生音頻信號是必要的，但是這也給揚聲器帶來了危險。換句話說，如果電壓/電流過高， 那么揚聲器可能被破壞。在脈沖寬度調(diào)制(PWM)放大器中，防止放大器產(chǎn)生過量輸出電流(造成過流情況) 是最關(guān)鍵的功能之一，因為過量輸出電流會破壞放大器的輸出級或破壞由該輸出級驅(qū)動的揚聲器。放大器可使用各種方式來避免過流情況。最直接的解決辦法或許是，只要一出現(xiàn)過流情況就簡單地關(guān)閉系統(tǒng)。雖然這個方法對防止電流達到破壞性的電平來說是有效的， 但是作為實際應(yīng)用，它可能不是可接受的解決方案。例如，某些音頻內(nèi)容將導(dǎo)致短期的過流情況，而這種短期的過流情況不會對輸出級或揚聲器造成破壞。在這種情況下，關(guān)閉該系統(tǒng)并沒有避免破壞情況，但是確實打斷了系統(tǒng)的音頻輸出。很明顯，這是不希望的。在另一種情況下，輸入音頻信號所導(dǎo)致的過流情況將比上述短期過流情況持續(xù)時間更長。這種情況可能需要采取某些校正措施，但并沒有嚴(yán)重到必須馬上關(guān)閉系統(tǒng)以避免對揚聲器或系統(tǒng)的本身造成損壞。在這種情況下，對于PWM放大器優(yōu)選的是，繼續(xù)提供音頻輸出，并在正常運行模式與校正運行模式之間逐漸轉(zhuǎn)換。更確切地說，這種轉(zhuǎn)換(以及校正運行模式)不應(yīng)該伴有對系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響或在系統(tǒng)的音頻輸出中產(chǎn)生偽像的副作用。如果校正運行模式不足以消除過流情況，那么系統(tǒng)可被關(guān)閉以避免損壞。在數(shù)字放大器中，很難設(shè)計一種既具有低成本的解決方案又滿足前面目標(biāo)的過流保護系統(tǒng)。對低成本的要求偏向采用這種直接的解決方案，即，只要輸出電流超過預(yù)定義的閾值就關(guān)閉系統(tǒng)，而當(dāng)電流降到閾值以下時，恢復(fù)運行。如前所述，這會引起對輸出音頻信號的不必要的中斷。此外，如果系統(tǒng)對于電流超過閾值然后降到閾值以下反應(yīng)太快，那么 FET的實際開關(guān)速率會增大，這又會導(dǎo)致發(fā)熱量增加，隨后會損壞FET。另一方面，如果保護系統(tǒng)反應(yīng)太慢，那么電流會在關(guān)閉發(fā)生之前達到破壞性的電平。并且還可能存在振蕩。更確切地說，當(dāng)關(guān)閉發(fā)生時，電流在恢復(fù)運行之前可能下降地太多，然后，在關(guān)閉再次發(fā)生之前， 電流可斜升回去而使其過高。取決于保護系統(tǒng)的實際速度，振蕩可能處于音頻范圍內(nèi)，或者它可能產(chǎn)生其他音頻影響。因此，期望提供保護數(shù)字放大器免受過流情況影響的系統(tǒng)和方法，其中使用了一種簡單的、低成本的電流感測機構(gòu)，但對過流情況的響應(yīng)會比簡單地關(guān)閉放大器更為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及使用簡單的、低成本的電流感測機構(gòu)在全數(shù)字放大器中實現(xiàn)過流保護的系統(tǒng)和方法。在一個具體的實施方式中，產(chǎn)生二進制過流信號的簡單的過流感測機構(gòu)被耦合到脈沖寬度調(diào)制(PWM)放大器的輸出級。當(dāng)電流超過閾值時，二進制信號為高，否則為低。二進制信號提供給在噪聲整形器之前設(shè)置在數(shù)字音頻信號通道內(nèi)的硬限幅單元(hard clipping unit)。當(dāng)音頻信號超出高或低限幅電平時，硬限幅單元對其進行限幅。當(dāng)二進制信號從低變高時，硬限幅單元將其限幅電平從當(dāng)前電平(例如，與輸入數(shù)字音頻信號的最大電平匹配的最大值)下降到數(shù)字音頻信號的上一個值(假設(shè)其導(dǎo)致過流情況)。然后， 對于二進制信號保持為高的每一個PWM開關(guān)周期，硬限幅單元遞減限幅電平。當(dāng)二進制信號變?yōu)榈蜁r，硬限幅單元遞增該限幅電平，一直持續(xù)到達到最大限幅電平。因此，每當(dāng)二進制信號指示輸出電流超過電流閾值時，放大器斜降限幅電平，而每當(dāng)二進制信號指示輸出電流低于電流閾值時，放大器就將限幅電平斜升回去。應(yīng)注意，使用本系統(tǒng)和方法處理的音頻信號同時包括0的正向偏移和0的負向偏移。因此，本文提到的“斜降”或“減少”限幅電平應(yīng)該被解釋為不僅包括減少正信號的限幅電平，而且包括增加負信號的限幅電平。換句話說，限幅電平相對于音頻信號的絕對值是減少的。類似地，本文提到的“斜升”或“增加，，限幅電平應(yīng)該被解釋為，既包括增加正信號的限幅電平，又包括減少負信號的限幅電平。還應(yīng)注意，提到“高”或“低”限幅電平是相對于該音頻信號的偏移的絕對值而言的。一個實施方式包括這樣一種方法，其中根據(jù)硬限幅單元中設(shè)置的限幅電平對音頻輸入信號限幅。所述方法包括檢測過流情況，根據(jù)對過流情況的檢測確定音頻輸入信號值，將限幅電平設(shè)置為小于或等于音頻輸入信號值的初始值，以及對過流情況持續(xù)的每個連續(xù)的時間周期，減少限幅電平。過流情況可通過簡單的二進制過流信號來指示，而二進制過流信號可以例如被濾波或與啟用信號組合。所述方法還可包括當(dāng)不存在過流情況時，在連續(xù)時間周期內(nèi)增加限幅電平，直到達到最大限幅電平。另一個實施方式包括數(shù)字放大器，該數(shù)字放大器包括過流硬限幅單元和過流感測單元。硬限幅單元被配置為接收數(shù)字音頻信號，并根據(jù)限幅電平對該數(shù)字音頻信號限幅。硬限幅單元向一調(diào)制器提供已限幅信號，所述調(diào)制器被配置為調(diào)制該數(shù)字音頻信號以產(chǎn)生已調(diào)制(例如，PWM)音頻信號。調(diào)制器向輸出級提供已調(diào)制信號，所述輸出級產(chǎn)生輸出電流以驅(qū)動負載(例如，揚聲器)。在此實施方式中，過流感測單元被配置為將輸出電流與閾值作比較，并產(chǎn)生一個二進制信號，其指示輸出電流是否超出閾值。硬限幅單元被配置為接收上述二進制信號，并且在該二進制信號指示輸出電流超出閾值的每個連續(xù)時間周期，減少限幅電平。當(dāng)二進制信號指示輸出電流未超出閾值時，硬限幅單元增加限幅電平。許多其他實施方式也是可能的。本發(fā)明提供了一種在數(shù)字放大器中實現(xiàn)的方法，包括檢測過流情況；當(dāng)所述過流情況存在時，使限幅電平斜降，音頻信號是在所述限幅電平被限幅的；以及根據(jù)所述限幅電平對所述音頻信號進行限幅。本發(fā)明所提供的方法中，使限幅電平斜降的步驟可包括當(dāng)檢測過流情況時，確定音頻輸入信號值；將限幅電平設(shè)置為小于或等于音頻輸入信號值的初始限幅值；以及對于過流情況持續(xù)存在的每個連續(xù)的時間周期，減小所述限幅電平。所述的方法還可包括當(dāng)過流情況不存在時，在連續(xù)的時間周期內(nèi)增加限幅電平直到達到最大限幅電平為止。數(shù)字放大器可以是脈沖寬度調(diào)制PWM放大器并且其中連續(xù)的時間周期可包括連續(xù)的PWM開關(guān)周期。檢測過流情況的步驟可包括監(jiān)測放大器的輸出端處的電流電平、檢測電流電平何時超出閾值，以及產(chǎn)生指示放大器的輸出端處的電流電平是否超出所述閾值的二進制信號。對于每個連續(xù)的時間周期，檢測過流情況的步驟可被執(zhí)行且二進制信號可被更新。檢測過流情況的步驟還可包括對二進制信號進行低通濾波。對音頻輸入信號進行限幅可包括對輸入到噪聲整形器的音頻輸入信號進行限幅。對音頻輸入信號進行限幅可包括對輸入到調(diào)制器的音頻輸入信號進行限幅。本發(fā)明還提供了一種數(shù)字放大器，包括過流硬限幅單元，其被配置為接收數(shù)字音頻信號并根據(jù)限幅電平對所述數(shù)字音頻信號進行限幅；調(diào)制器，其被配置為從所述過流硬限幅單元接收所述數(shù)字音頻信號并調(diào)制所述數(shù)字音頻信號以產(chǎn)生已調(diào)制音頻信號；輸出級，其被配置為接收所述已調(diào)制音頻信號并產(chǎn)生輸出電流以驅(qū)動負載；以及過流感測單元， 其被配置為將所述輸出電流與閾值進行比較并產(chǎn)生指示過流情況是否存在的過流信號；其中所述過流硬限幅單元被配置為接收所述過流信號并當(dāng)所述過流情況存在時斜降所述限幅電平。本發(fā)明所提供的數(shù)字放大器中，過流感測單元可被配置為將輸出電流與閾值進行比較并產(chǎn)生過流信號作為指示輸出電流是否超出閾值的二進制信號。過流硬限幅單元可被配置為接收二進制信號并且對二進制信號指示輸出電流超出所述閾值的每個連續(xù)的時間周期減小限幅電平。過流硬限幅單元還可被配置為對二進制信號指示輸出電流未超出閾值的每個連續(xù)的時間周期增加限幅電平。過流硬限幅單元可被配置為對每個連續(xù)的時間周期用可編程量來增加限幅電平。過流硬限幅單元可被配置為對每個連續(xù)的時間周期用可編程量來減小限幅電平。過流感測單元用來與輸出電流進行比較的閾值可以是可編程的。數(shù)字放大器可以是脈沖寬度調(diào)制PWM放大器，調(diào)制器可被配置為調(diào)制數(shù)字音頻信號以產(chǎn)生PWM信號，并且連續(xù)的時間周期可包括連續(xù)的PWM開關(guān)周期。過流感測單元可被配置為對每個連續(xù)的時間周期將輸出電流與閾值進行比較并且更新二進制信號。所述的放大器還可包括低通濾波器，所述低通濾波器可被耦合到過流感測單元和過流硬限幅單元之間，并可被配置為對二進制信號進行低通濾波并將已濾波的二進制信號提供給過流硬限幅單元。所述的放大器還可包括噪聲整形器，所述噪聲整形器可被耦合到所述過流硬限幅單元和調(diào)制器之間，并可被配置為對從過流硬限幅單元接收到的數(shù)字音頻信號進行量化和濾波并將已量化且已濾波的數(shù)字音頻信號提供給調(diào)制器。
附圖簡述當(dāng)閱讀了下面詳細的描述并參照附圖以后，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點會變得顯而易見。

圖1是示出了模擬放大器中對信號限幅的圖示。圖2是示出了根據(jù)一個實施方式的數(shù)字放大器的結(jié)構(gòu)的原理框圖；圖3A和:3B是示出了根據(jù)一個實施方式的數(shù)字放大器中的限流機構(gòu)的運行的流程圖。圖4是示出了與根據(jù)一個實施方式的過流保護機構(gòu)相關(guān)聯(lián)的各種信號的示意圖。圖5是示出根據(jù)一個實施方式的過流硬限幅單元的結(jié)構(gòu)的原理框圖。圖6是示出了包括了根據(jù)一個實施方式的過流感測機構(gòu)的輸出級的結(jié)構(gòu)的示意圖。雖然本發(fā)明服從各種修改和可替換的形式，但其具體的實施方式是以實施例的方式在附圖和伴隨的詳細描述中示出的。然而，應(yīng)該理解，這些圖和詳細描述不旨在將本發(fā)明限于所描述的具體實施方式
。相反，本公開旨在覆蓋落在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有修改、等價形式和可替換形式。詳細說明下面描述了本發(fā)明的一個或更多實施方式。應(yīng)注意，下面描述的這些實施方式和其他實施方式是示例性的，旨在說明本發(fā)明而不是對其限制。如本文所述，本發(fā)明的各種實施方式包括使用簡單的、低成本感測機構(gòu)在全數(shù)字放大器中實現(xiàn)過流保護的系統(tǒng)和方法。在一個實施方式中，數(shù)字脈沖寬度調(diào)制(PWM)放大器被設(shè)計為使用簡單的、低成本感測機構(gòu)來監(jiān)控放大器的輸出端處的電流電平，并產(chǎn)生指示該電流是在閾值電平之上還是之下的二進制信號?；谶@個二進制信號，數(shù)字放大器為該輸入信號設(shè)置限幅電平以仿真典型的模擬系統(tǒng)中的限幅。在這種實施方式中，電流感測機構(gòu)包括一個或更多感測電阻，這些電阻與放大器輸出端的揚聲器串聯(lián)設(shè)置。每個感測電阻的阻抗通常非常小。這些感測電阻中的每一個電阻的兩端電壓被測量并與閾值電壓進行比較。如果感測電阻的電壓高于閾值電壓，那么二進制感測信號由比較器設(shè)為有效。如果感測電阻電壓低于該閾值，那么二進制感測信號不被設(shè)為有效。在此實施方式中，來自于電流感測機構(gòu)的比較器的二進制信號被提供給硬限幅器，其在脈沖寬度調(diào)制器之前設(shè)置在輸入音頻信號通道內(nèi)。當(dāng)輸入音頻信號超過設(shè)置在硬限幅器內(nèi)的限幅電平時，硬限幅器對輸入音頻信號進行限幅。最初，限幅電平被設(shè)置為最大值。當(dāng)二進制信號被設(shè)置為有效時，硬限幅器將限幅電平的值設(shè)置為等于輸入數(shù)字音頻信號的上一個值減去遞減值。這個新的限幅電平被用于在下個PWM周期對輸入數(shù)字音頻信號進行限幅。對所述二進制電流感測信號有效的每個PWM周期，硬限幅器持續(xù)遞減限幅電平值，斜降該限幅電平直到電流感測信號不再被設(shè)為有效。當(dāng)二進制電流感測信號不再被設(shè)為有效時，硬限幅器開始將該限幅電平斜升回去，直到電流感測信號再次被設(shè)為有效，或者達到了最大限幅電平。如前所述，使用簡單的二進制感測機構(gòu)(即，產(chǎn)生指示放大器的輸出端處的電流是否超出閾值的二進制信號的感測機構(gòu))通常促使在放大器中使用同樣簡單的響應(yīng)(即， 關(guān)閉放大器以強制電流電平下降到閾值以下)。同樣如前所述，這會導(dǎo)致不必要的音頻中斷，或?qū)е略诜糯笃鞯妮敵龆颂幍碾娏鳟a(chǎn)生可能的破壞性的振蕩。鑒于響應(yīng)于過流情況而關(guān)閉放大器所產(chǎn)生的有害影響，更好的解決方法是模仿某些模擬系統(tǒng)中實現(xiàn)的基于過流的壓縮。在這些系統(tǒng)中，信號的電壓電平被限幅以減小電流。參見圖1，示出了說明在模擬放大器中對信號進行限幅的示意圖。在該圖中，示出了兩個波。第一個波是未限幅的正弦波，其在圖中用虛線表示。第二個波是以選定的最大幅度對相同的正弦波進行限幅之后的波。已限幅的正弦波用實線表示。從圖1可以看出，只要原始的正弦波保持在限流閾值之下(由150和151指示)， 該波就不被限幅，這兩個波是重合的。兩個波的重合部分用參考號160、120以及140指示。 當(dāng)原始的正弦波超出了限流閾值時(150和151)，該正弦波被限幅。因此，圖1中，在原始正弦波達到峰值的地方已限幅波為平的。上述波的這些部分用參考號110和130指示。存在幾個因素使在全數(shù)字放大器中實現(xiàn)這種限幅變得復(fù)雜。這些因素之一是使用了低成本的感測機構(gòu)。該感測機構(gòu)提供的唯一信息是對輸出電流是否超出閾值電平的指示。實際電流測量是不可用的。同樣，負載阻抗可能不能用于確定如何控制輸入信號電平。 另一個復(fù)雜化因素是輸出電流電平并不直接依賴于輸入信號電平。換句話說，這兩個電平之間的比例可發(fā)生改變。因此，簡單以對應(yīng)于期望的輸出電流限值的預(yù)定的電平對輸入信號限幅并不能提供期望的限流功能。在本系統(tǒng)和方法中，通過包括產(chǎn)生指示輸出電流是否超出閾值的二進制信號的感測機構(gòu)，以及以基于該二進制過閾值信號動態(tài)確定的電平對輸入信號進行限幅的過流硬限幅單元，處理了這些問題。所述感測機構(gòu)不斷地提供對輸出電流高于或低于閾值的指示。當(dāng)二進制信號第一次被設(shè)為有效時，過流硬限幅單元確定數(shù)字輸入信號的上一個值并將其限幅電平設(shè)為等于或剛小于該值。只要該二進制信號保持被設(shè)為有效，硬限幅單元就對其用來對輸入信號限幅的電平進行斜降。當(dāng)二進制信號被設(shè)為無效時，硬限幅單元開始將電平斜升，一直持續(xù)到二進制信號再次被設(shè)為有效或達到了最大限幅電平為止。參見圖2，其示出了說明根據(jù)一個實施方式的數(shù)字放大器的結(jié)構(gòu)的原理框圖。圖中示出的結(jié)構(gòu)旨在是例證性的，并且可在可替換實施方式中實現(xiàn)其它結(jié)構(gòu)。在圖2的實施方式中，通常是脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號的輸入數(shù)字音頻信號由插值器210接收。該信號被插值后提供給非線性校正單元220。通常，該被插值且被校正的信號接著傳送到噪聲整形器230。然而，在本系統(tǒng)中，該被插值且被校正的信號被傳送通過過流硬限幅單元觀0，過流硬限幅單元280在必要時對該信號進行限幅(下面將對此進行詳細描述)，然后將限幅后的輸入信號傳送給噪聲整形器230。噪聲整形器230對接收到的信號進行量化，并將該信號傳送給PWM調(diào)制器MO。通過使用基于輸入和輸出音頻信號之間的濾波差分的反饋，噪聲整形器230還對該音頻信號的噪聲頻譜進行整形。PWM調(diào)制器240將PCM信號轉(zhuǎn)換成一對脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。 然后，這些PWM信號被提供給輸出級250。輸出級250由PWM信號控制以驅(qū)動揚聲器沈0， 并產(chǎn)生音頻信號的聽覺表現(xiàn)(例如，音樂)。在圖2的實施方式中，電流感測機構(gòu)270被耦合到輸出級250。例如，電流感測機構(gòu)270可包括設(shè)置為與揚聲器沈0串聯(lián)的一個或更多小感測電阻，以及被配置為將每個感測電阻兩端的電壓與閾值電壓進行比較的比較器。比較器產(chǎn)生指示感測電阻電壓高于還是低于閾值電壓的二進制信號。該二進制信號接著被提供給過流硬限幅單元觀0。硬限幅單元280基于從二進制感測機構(gòu)接收到的二進制信號調(diào)節(jié)其用以對輸入音頻信號進行限幅的電平。參見圖3A和3B，示出了說明根據(jù)一個實施方式的數(shù)字放大器中的限流機構(gòu)的操作的一對流程圖。圖3A示出了產(chǎn)生二進制過流信號的過程。該過程在這個實施方式中是持續(xù)的。圖:3B示出了基于在圖3A的過程中產(chǎn)生的信號設(shè)置硬限幅單元的限幅電平的過程。 圖3B中描繪的流程圖代表了每個PWM開關(guān)周期都會重復(fù)的過程。圖3A的過程始于將感測電阻電壓與閾值電壓的比較(塊305)。如上所述，感測電阻設(shè)置為與揚聲器串聯(lián)，因此感測電阻兩端的電壓正比于通過揚聲器和感測電阻的電流。 同樣地，閾值電壓正比于通過揚聲器和感測電阻的閾值電流電平?；诟袦y電阻電壓與閾值電壓的比較，電流感測機構(gòu)可將二進制信號設(shè)置為有效或?qū)⑵湓O(shè)為無效(塊310)。如果感測電阻電壓大于閾值電壓(從而揚聲器電流大于閾值電流)，那么該信號被設(shè)為有效。否則，該信號被設(shè)為無效。因此，該二進制信號在本文可被稱作過流或過閾信號。該過流信號被從電流感測機構(gòu)傳送到過流硬限幅單元(塊31幻。這個過程是持續(xù)的。參見圖3B，硬限幅單元接收二進制過流信號，并確定該信號是否被設(shè)為有效(即， 輸出電流是否大于閾值電流)(塊320)。如果過流信號未被設(shè)為有效，那么硬限幅單元將使其限幅電平斜升回到其最大值。如圖中所示，硬限幅單元確定其限幅電平是否低于最大電平(塊325)。如果限幅電平已經(jīng)處于其最大值，則無需由硬限幅單元采取進一步的動作，所述過程返回到塊305，并且對于下一個PWM周期，該過程將重復(fù)。另一方面，如果限幅電平低于最大電平，那么在返回到塊305之前，硬限幅單元遞增其限幅電平(塊330)。這個循環(huán)可能需要進行多次重復(fù)，以使限幅電平增加到最大值。在塊320中，如果過流硬限幅單元確定過流信號被設(shè)為有效，則輸入信號電平太高，因此過流硬限幅單元的限幅電平必須減小。為了確定限幅所應(yīng)設(shè)置的電平，該硬限幅單元需要確定輸入音頻信號是否在先前的PWM周期內(nèi)被硬限幅單元限幅(塊335)。如果在先前的PWM周期內(nèi)音頻信號未被硬限幅單元限幅，那么硬限幅單元將輸入音頻信號的上一個值確定為用于確定新限幅電平的初始值(塊340)。認為輸入音頻信號的上一個值是導(dǎo)致輸出電流超出閾值電平的值，因此限幅電平被設(shè)置為該值(塊34 然后被遞減(塊350)。 在塊335中，如果硬限幅單元確定輸入音頻信號在先前的PWM周期內(nèi)被限幅，那么限幅電平已經(jīng)低于其最大值，因此硬限幅單元簡單地使限幅電平從其當(dāng)前值遞減(塊350)。在任何一種情況下，該過程然后返回到塊320，并在隨后的PWM周期內(nèi)被重復(fù)。如前所述，在上述實施方式中，在每個PWM開關(guān)周期(名義上以384kHz的速率) 都執(zhí)行對過流事件的檢測(以及在塊320-350中調(diào)節(jié)限幅電平)。更確切地說，在每個開關(guān)周期之初，首先將前面的過流事件(如果存在)清除，然后只有當(dāng)在當(dāng)前開關(guān)周期內(nèi)檢測到過閾電流時，才設(shè)置過流事件。一旦二進制信號指示過流情況被設(shè)置，其將處于設(shè)置狀態(tài)一直到下個開關(guān)周期——本質(zhì)上以單觸發(fā)機構(gòu)的形式。因此，無需DSP介入到該機構(gòu)的實現(xiàn)中。因為過流硬限幅單元被放置得盡可能接近輸出端，而在輸出端過流情況得以確定，因此做出有效的響應(yīng)只需幾個PWM開關(guān)周期，而這應(yīng)該足夠了。應(yīng)注意，以上結(jié)合圖3所描述的過程是示例性的，并且可替換的實施方式可不同于上述描述。例如，對過流情況的檢測以及對限幅電平的調(diào)節(jié)不需要按先前描述的PWM轉(zhuǎn)換速率來完成。此外，在前面的描述中，二進制過流信號被直接從過流感測機構(gòu)的比較器傳送到過流硬限幅單元。在其他實施方式中，二進制過流信號可先被處理(例如，被低通濾波)，之后提供給硬限幅單元。因為過流硬限幅單元的限幅電平是基于系統(tǒng)的輸出端處的電流電平來設(shè)置的，因此硬限幅單元應(yīng)該放置得(功能上)盡可能接近該輸出端，以達到最快的可能響應(yīng)。在圖 2的實施方式中，硬限幅單元280被放置在非線性校正單元220和噪聲整形器230之間，但可選擇地，其可被放置在噪聲整形器230和調(diào)制器240之間。然而，在圖2的實施方式中將硬限幅單元280放置在噪聲整形器230之前可提供某些好處，例如，在信號中具有更高的分辨率(因為噪聲整形器將信號量化為較少的信號電平)，以及消除了噪聲整形器中可能導(dǎo)致不穩(wěn)定狀態(tài)的過度的限幅。參見圖4，其示出了說明與根據(jù)一個實施方式的過流保護機構(gòu)相關(guān)聯(lián)的各種信號。 該圖示出的4個信號包括二進制過流信號、輸入到過流硬限幅單元的音頻信號、從硬限幅單元輸出的音頻信號、以及硬限幅單元內(nèi)的限幅電平。二進制過流信號顯示為具有高(H) 電平或低(L)電平。輸入和輸出音頻信號以及限幅電平顯示為其最大電平都被歸一化到 +/-1。圖4示出了在包含四個所關(guān)心的子區(qū)間的區(qū)間內(nèi)的這些信號。最初，音頻輸入信號和音頻輸出信號一直在增加。過流信號還未被設(shè)為有效，并且硬限幅單元的限幅電平被設(shè)置為其最大電平。在第一子區(qū)間G10)內(nèi)，過流信號在時刻tl被設(shè)置。音頻輸入信號還未達到其最大值。當(dāng)過流信號被設(shè)為有效時，硬限幅單元立即將其限幅電平降到音頻輸入信號的上一個值(大約等于其最大值的80% )。當(dāng)過流信號保持被設(shè)為有效時，硬限幅單元繼續(xù)使其限幅電平斜降?？梢钥闯?，輸出音頻信號電平是根據(jù)硬限幅單元的限幅電平而被限幅的。當(dāng)過流信號在時刻t2被設(shè)為無效時，過流硬限幅單元開始使其限幅電平斜升。硬限幅單元使限幅電平持續(xù)斜升，直到過流信號被再次設(shè)為有效為止，而在過流信號被再次設(shè)為有效的同時，硬限幅單元開始再次使限幅電平斜降。在這種情況下，即使限幅電平被降低，輸入音頻信號保持低于限幅電平，因此信號實際上未被限幅。當(dāng)過流信號被再次設(shè)為無效時，硬限幅單元開始使其限幅電平斜升，并且持續(xù)使限幅電平斜升，直到達到最大限幅電平為止。在子區(qū)間420內(nèi)，過流硬限幅單元的過流信號和限幅電平與在子區(qū)間410時的相同。輸入音頻信號和輸出音頻信號與在子區(qū)間410時的相同，只不過它們是反相的。這簡單地說明了，系統(tǒng)被配置為根據(jù)信號的絕對值對其進行限幅。在子區(qū)間430內(nèi)，過流信號在一系列短脈沖中被設(shè)為有效和被設(shè)為無效。結(jié)果，限幅電平在最大值的大約40%處波動。因此，輸出音頻信號被限幅于最大值的大約40%。此限幅仿真了結(jié)合圖1所描述的模擬限幅。雖然相似的限幅通常也發(fā)生在音頻信號的負部分，但是由于圖中有限的空間，所以并未在圖4中示出。在子區(qū)間440內(nèi)，過流信號在包括一個長脈沖接著是幾個短脈沖的一系列脈沖中被設(shè)為有效和設(shè)為無效。結(jié)果，限幅電平下降，接著在最大電平的大約0-10%波動。輸出音頻信號也因此被限幅在大約相同的歸一化電平。此限幅對應(yīng)于過流事件被檢測到且音頻信號幾乎完全被抑制的情況。所描述的系統(tǒng)能夠用不同方式來實現(xiàn)。下面將要描述的圖5和圖6分別示出了過流硬限幅單元和過流感測機構(gòu)的示例性實施方式。參見圖5，示出了說明根據(jù)一個實施方式的過流硬限幅單元的結(jié)構(gòu)的原理框圖。在此實施方式中，過流硬限幅單元280包括設(shè)置在音頻信號通道上的第一硬限幅器510。第一硬限幅器510用來對輸入音頻信號進行限幅的電平是由高和低限幅電平輸入確定的(分別為限幅_電平_高和限幅_電平_低)。高和低限幅電平彼此反相(即，限幅_電平_高 =-限幅_電平_低)。在本實施方式中，第一硬限幅器510的最大限幅電平被設(shè)置為輸入音頻信號的最大信號電平。高和低限幅電平中的每一個的絕對值是在0和該最大限幅電平之間。當(dāng)硬限幅器510的限幅電平被設(shè)置為其最大值時，輸入音頻信號通過硬限幅器510 而未被修改。硬限幅器510的高和低限幅電平由另外幾個器件控制，包括絕對值單元520、加法器530和535、復(fù)用器M0、第二硬限幅器550、寄存器560以及乘法器570。第一硬限幅器 510所使用的高和低限幅電平的絕對值被存儲在寄存器560中。該值在每個PWM開關(guān)周期用從第二硬限幅器550接收到的值來更新。第二硬限幅器550通過對從復(fù)用器540接收到的值進行限幅而產(chǎn)生這個值。因此，第二硬限幅器550將高/低限幅電平的絕對值限制到最大值。如前所述，過流硬限幅單元280用來對輸入音頻信號限幅的電平是由從過流感測機構(gòu)接收到的過流信號確定的。該信號被輸入復(fù)用器M0。根據(jù)過流信號，復(fù)用器540選擇由上回路產(chǎn)生的值(使限幅電平遞增)或由下回路產(chǎn)生的值(使限幅電平遞減)。當(dāng)過流信號未被設(shè)為有效時，復(fù)用器540選擇從加法器535接收到的值，并經(jīng)由第二硬限幅器550將該值傳送給寄存器560。因此，在第一個PWM開關(guān)周期，寄存器560包含某一值。在下一個PWM開關(guān)周期，該值被遞增(即，一個遞增值，斜升遞增量被加到寄存器值)，并被第二硬限幅器陽0限幅以保證其沒有超出最大限幅電平，然后存儲在寄存器560 中。寄存器560的值接著作為高限幅電平提供給第一硬限幅器510，并且該值還被復(fù)用器 570反相后作為低限幅電平提供給第一硬限幅器510。因此，只要過流信號未被設(shè)為有效， 提供給第一硬限幅器510的限幅電平就被斜升，直到其達到最大限幅電平為止，然后被維持在該最大限幅電平。當(dāng)過流信號被設(shè)為有效時，其使復(fù)用器540選擇由包括絕對值單元520和加法器 530的下回路所產(chǎn)生的值。絕對值單元520接收第一硬限幅器510的輸出。絕對值單元520 存儲被限幅音頻信號的上一個值。這個值被傳送到加法器530，加法器530給該值加入負遞減值，然后將該被遞減的值傳送到復(fù)用器M0。復(fù)用器540將該值傳送給第二硬限幅器 550，硬限幅器550又將該值傳送給寄存器560。然后，寄存器560的值和其相反值作為高和低限幅電平提供給第一硬限幅器510。當(dāng)過流信號第一次被設(shè)為有效時，存儲在絕對值單元520中的值是上一個音頻信號值。該值可能是存儲在寄存器560中的限幅電平，或者可能是某個更低的值。如果它是存儲在寄存器560中的限幅電平，那么這個值被遞減，然后被存儲在寄存器560中，在寄存器560處該值將被用于在下一個PWM開關(guān)周期內(nèi)對輸入音頻信號限幅。換句話說，該系統(tǒng)將開始使限幅電平從其當(dāng)前電平斜降。如果存儲在絕對值單元520中的值小于存儲在寄存器560中的限幅電平，那么音頻信號值將被遞減，然后被存儲在寄存器560中，以用于在下一個PWM開關(guān)周期內(nèi)對輸入音頻信號限幅。因此，在這種情況下，存儲在寄存器560中的限幅電平將立即從前一個限幅電平降到前述上一個音頻信號值，然后開始從該值斜降。應(yīng)注意，在圖5的實施方式中，用于遞增或遞減(通過加法器530或53 限幅電平的值被存儲在圖中未明確示出的寄存器中。在一個實施方式中，這些寄存器中的遞增值和遞減值是可編程的。這些寄存器值可在對系統(tǒng)進行初始配置時被設(shè)置，并且有時可由用戶修改，或由系統(tǒng)本身(例如，由DSP)動態(tài)地更新。系統(tǒng)也可被配置為實現(xiàn)如下功能，諸如監(jiān)測用于過流事件的頻率的狀態(tài)寄存器，監(jiān)測數(shù)字音頻信號的壓縮，或者如果本文描述的過流保護機構(gòu)未能校正過流情況則關(guān)閉該系統(tǒng)。如前所述，過流硬限幅單元觀0的限幅電平是由從過流感測機構(gòu)接收到的過流信號控制的。過流信號可以以未濾波形式來使用，或可在用于控制限幅電平之前被處理。在一個實施方式中，過流信號被低通濾波以將噪聲從該信號中濾除并消除由該噪聲引起的該限幅電平的不必要的改變。電流信號的數(shù)也可與啟動信號相組合(例如，相“與”)。當(dāng)該啟動信號被設(shè)為有效時，過流信號被傳送到過流硬限幅單元，并被用于按前述方式控制限幅電平。當(dāng)該啟動信號被設(shè)為無效時，過流信號被禁用，使得過流電平維持在其最大值并且硬限幅單元不做限幅。參見圖6，其示出了說明包含依照一個實施方式的過流感測機構(gòu)的輸出級的結(jié)構(gòu)的示意圖。在這個實施方式中，感測機構(gòu)被耦合到全橋輸出級。該輸出級的常規(guī)器件包括一組FET610-613、電感器615-616、電容器617-618以及揚聲器614。FET610和613由高壓側(cè) PWM信號控制，而FET611和612由低壓側(cè)PWM信號控制。當(dāng)高壓側(cè)信號為高而低壓側(cè)信號為低時，電流從電流源經(jīng)感測電阻620、FET610、電感器615、揚聲器614、電感器616、FET613 和感測電阻621后流向地。當(dāng)高壓側(cè)信號為低而低壓側(cè)信號為高時，電流從電流源經(jīng)感測電阻620、FET612、電感器616、揚聲器614、電感器615、FET611和感測電阻621后流向地。 當(dāng)高壓側(cè)信號和低壓側(cè)信號都為低時，電流按著與高壓側(cè)信號和低壓側(cè)信號剛要相等之前電流流動的方向相同的方向流過電感器615-616和揚聲器614。過流感測機構(gòu)包括感測電阻620-621和比較器機構(gòu)，該比較器機構(gòu)被配置為將這些電阻兩端的電壓與閾值電壓進行比較，并當(dāng)閾值被達到和/或閾值被超出時將過流信號設(shè)為有效。感測電阻620-621應(yīng)該具有小電阻值，以使驅(qū)動揚聲器614的音頻信號不會被它們的存在嚴(yán)重影響。在此實施方式中，比較器電路包括電阻630-635和雙極型結(jié)型晶體管640-641。為該電路選擇特定的器件(例如，阻抗值)取決于期望的閾值以及本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員所熟知的各種因素，因此這些細節(jié)這里將不做討論。只不過應(yīng)該指出，當(dāng)感測電阻620兩端的電壓和感測電阻621兩端的電壓中的任何一個超出了相應(yīng)的閾值電壓時，所示出的比較器電路將把二進制過流信號設(shè)置為有效。在此實施方式中，比較器電路的輸出通常為高，該輸出將先被反相，然后再提供給圖5示出的硬限幅單元的復(fù)用器?？捎杀景l(fā)明提供的好處和優(yōu)點已經(jīng)在前面結(jié)合具體的實施方式做了描述。這些好處和優(yōu)點，以及可能導(dǎo)致它們出現(xiàn)或變得明確的任何元件或限制不應(yīng)被理解為是任何權(quán)利要求或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必須的、或基本的特征。如本文所使用的術(shù)語“包括 (comprise) ”、“包括(comprising) ”或其任意的其它變化形式，都旨在被解釋為非排他性地包括這些術(shù)語之后的元件或限制。因此，包括一組元件的系統(tǒng)、方法或其它實施方式不限于僅那些元件，并且可包括未被明確列出的或?qū)λ蟊Ｗo的實施方式來說是固有的其它元件。 雖然本發(fā)明已經(jīng)參考具體的實施方式做了描述，但應(yīng)該理解，這些實施方式是示例性的，且本發(fā)明的范圍不僅僅局限于那些實施方式。對前面描述的實施方式的很多變更、 修改、添加和改進是可能的。可以預(yù)期，這些變化、修改、添加和改進落在隨后的權(quán)利要求中詳述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在數(shù)字放大器中實現(xiàn)的方法，所述數(shù)字放大器包括依賴于音頻信號而被驅(qū)動的輸出級，所述方法包括(a)確定在所述數(shù)字放大器的所述輸出級中是否檢測到了過流情況，其中，所述輸出級依賴于所述音頻信號而被驅(qū)動；以及(b)當(dāng)在所述數(shù)字放大器的所述輸出級中檢測到過流情況時，根據(jù)限幅電平對所述音頻信號進行限幅；其中，步驟(b)包括在所述輸出級中最初檢測到過流情況時，將所述限幅電平設(shè)置為初始限幅值，所述初始限幅值小于剛過去的時間周期中的音頻信號的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)包括將所述初始限幅值設(shè)置為等于所述剛過去的時間周期中的音頻信號的值減去遞減值；以及對于所述過流情況持續(xù)在所述數(shù)字放大器的所述輸出級中被檢測到的每個連續(xù)的時間周期，用所述遞減值減小所述限幅電平。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述數(shù)字放大器是脈沖寬度調(diào)制(PWM)放大器； 所述連續(xù)的時間周期包括連續(xù)的PWM開關(guān)周期；以及所述剛過去的時間周期包括剛過去的PWM開關(guān)周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括在所述數(shù)字放大器的所述輸出級中不再檢測到所述過流情況后，增加所述限幅電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述數(shù)字放大器包括噪聲整形器和調(diào)制器，以及其中步驟(b)包括對輸入到所述數(shù)字放大器的所述噪聲整形器和所述調(diào)制器之一的音頻信號進行限幅。
6.一種數(shù)字放大器，包括輸出級，其依賴于音頻信號而被驅(qū)動；電流感測機構(gòu)，其被配置為檢測所述數(shù)字放大器的所述輸出級中的過流情況；以及限幅單元，其被配置為當(dāng)所述電流感測機構(gòu)在所述數(shù)字放大器的所述輸出級中檢測到過流情況時，根據(jù)限幅電平對所述音頻信號進行限幅；其中，響應(yīng)于所述電流感測機構(gòu)在所述輸出級中最初檢測到過流情況，所述限幅單元將所述限幅電平設(shè)置為初始限幅值，所述初始限幅值小于剛過去的時間周期中的音頻信號的值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字放大器，其中所述限幅單元被配置為將所述初始限幅值設(shè)置為等于所述剛過去的時間周期中的音頻信號的值減去遞減值;以及對于所述電流感測機構(gòu)持續(xù)檢測到所述數(shù)字放大器的所述輸出級中的過流情況的每個連續(xù)的時間周期，用所述遞減值減小所述限幅電平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)字放大器，其中 所述數(shù)字放大器是脈沖寬度調(diào)制(PWM)放大器； 所述連續(xù)的時間周期包括連續(xù)的PWM開關(guān)周期；以及所述剛過去的時間周期包括剛過去的PWM開關(guān)周期。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)字放大器，其中所述限幅單元被配置為在所述電流感測機構(gòu)在所述數(shù)字放大器的所述輸出級中不再檢測到所述過流情況時，增加所述限幅電平。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)字放大器，還包括噪聲整形器和調(diào)制器；其中，所述限幅單元被配置為根據(jù)所述限幅電平，對輸入到所述噪聲整形器和所述調(diào)制器之一的音頻信號進行限幅。
全文摘要
一種使用低成本電流感測機構(gòu)在全數(shù)字放大器中過流保護的系統(tǒng)和方法。過流硬限幅單元接收數(shù)字音頻信號，根據(jù)限幅電平對該信號限幅，并且將該信號提供給調(diào)制器。該調(diào)制器調(diào)制該信號以產(chǎn)生如PWM信號，并將該已調(diào)制信號提供給輸出級，該輸出級產(chǎn)生輸出電流以驅(qū)動揚聲器。過流感測單元將輸出電流和閾值進行比較，并且產(chǎn)生指示該輸出電流是否超出了閾值的二進制信號。硬限幅單元接收所述二進制信號，并且在該二進制信號指示輸出電流超出所述閾值的時間周期內(nèi)，所述硬限幅單元使該限幅電平斜降。當(dāng)所述二進制信號指示輸出電流未超出閾值時，硬限幅單元使限幅電平斜升。
文檔編號H03F3/38GK102299690SQ20111017543
公開日2011年12月28日 申請日期2007年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月26日
發(fā)明者威爾森·E·泰勒, 拉瑞·E·漢德, 杰克·B·安德森, 邁克爾·A·考思特, 錢連瑋 申請人:D2音頻有限公司