專利名稱：用于過流保護的系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及數字放大器，且更具體地說，涉及使用簡單的、低成 本的電流感測機構在全數字放大器中實現過流保護的系統和方法。
相關技術
音頻放大器被設計為接收電壓和/或電流通常非常低的輸入信號，并產 生相應的電壓和/或電流通常高得多的輸出信號。盡管這些更高的電壓/電 流對驅動揚聲器并由此產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。
在脈沖寬度調制(PWM)放大器中，防止放大器產生過量輸出電流(造成 過流情況)是最關鍵的功能之一，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，只要一出現過流情況就簡單地關閉系統。 雖然這個方法對防止電流達到石皮壞性的電平來說是有效的，^f旦是作為實際 應用，它可能不是可接受的解決方案。例如，某些音頻內容將導致短期的 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石皮壞。在這 種情況下，關閉該系統并沒有避免破壞情況，但是確實打斷了系統的音頻 輸出。很明顯，這是不希望的。
在另 一種情況下，輸入音頻信號所導致的過流情況將比上述短期過流 情況持續時間更長。這種情況可能需要采取某些校正措施，但并沒有嚴重 到必須馬上關閉系統以避免對揚聲器或系統的本身造成損壞。在這種情況
下，對于PWM放大器優選的是，繼續提供音頻輸出，并在正常運行模式 與校正運行模式之間逐漸轉換。更確切地說，這種轉換(以及才交正運行模式) 不應該伴有對系統性能造成嚴重影響或在系統的音頻輸出中產生偽像的 副作用。如果校正運行模式不足以消除過流情況，那么系統可,皮關閉以避 免損壞。
在數字放大器中，很難設計一種即具有低成本的解決方案又滿足前面 目標的過流保護系統。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定義的閥值就關閉系統，而當電流降到閱值以下時， 恢復運行。如前所述，這會引起對輸出音頻信號的不必要的中斷。此外，
如果系統對于電流超過閥值然后降到閥值以下反應太快，那么FET的實際 開關速率會增大，這又會導致發熱量增加，隨后會損壞FET。另一方面， 如果保護系統反應太慢，那么電流會在關閉發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，當關閉發生時，電流在恢復運行之前 可能下降地太多，然后，在關閉再次發生之前，電流可斜升回去而使其過 高。取決于保護系統的實際速度，振蕩可能處于音頻范圍內，或者它可能 產生其他音頻影響。
因此，期望提供保護數字放大器免受過流情況影響的系統和方法，其 中使用了一種簡單的、低成本的電流感測機構，但對過流情況的響應會比 簡單地關閉放大器更為復雜。
發明內容
本公開涉及使用簡單的、低成本的電流感測機構在全數字方文大器中實 現過流保護的系統和方法。在一個具體的實施方式中，產生二進制過流信 號的簡單的過流感測機構被耦合到脈沖寬度調制(PWM)放大器的輸出級。 當電流超過閥值時，二進制信號為高，否則為低。二進制信號才是供給在噪 聲整形器之前設置在數字音頻信號通道內的硬限幅單元(hard clipping unit)。當音頻信號超出高或低限幅電平時，石更限幅單元對其進4亍限幅。當 二進制信號從低變高時，硬限幅單元將其限幅電平從當前電平(例如，與輸 入數字音頻信號的最大電平匹配的最大值)下降到數字音頻信號的上一個
值(假設其導致過流情況)。然后，對于二進制信號保持為高的每一個PWM 開關周期，硬限幅單元遞減限幅電平。當二進制信號變為低時，硬限幅單 元遞增該限幅電平， 一直持續到達到最大限幅電平。因此，每當二進制信 號指示輸出電流超過電流閥值時，放大器斜降限幅電平，而每當二進制信 號指示輸出電流低于電流閥值時，放大器就將限幅電平斜升回去。
應注意，使用本系統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，其中才艮據>哽限幅單元中i殳置的限幅 電平對音頻輸入信號限幅。所述方法包括檢測過流情況，根據對過流情 況的檢測確定音頻輸入信號值，將限幅電平設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的每個連續的時間周期，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不存在過流情況 時，在連續時間周期內增加限幅電平，直到達到最大限幅電平。
另一個實施方式包括數字放大器，該數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字音頻信號，并根據限幅電 平對該數字音頻信號限幅。硬限幅單元向一調制器提供已限幅信號，所述 調制器被配置為調制該數字音頻信號以產生已調制(例如，PWM)音頻信 號。調制器向輸出級提供已調制信號，所述輸出級產生輸出電流以驅動負 載(例如，揚聲器)。在此實施方式中，過流感測單元^L配置為將輸出電流 與岡值作比較，并產生一個二進制信號，其指示輸出電流是否超出閥值。 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 電流超出閥值的每個連續時間周期，減少限幅電平。當二進制信號指示輸 出電流未超出閥值時，石更限幅單元增加限幅電平。
許多其他實施方式也是可能的。 附圖簡述
當閱讀了下面詳細的描述并參照附圖以后，本發明的其它目的和優點 會變得顯而易見。
圖l是示出了模擬放大器中對信號限幅的圖示。
圖2是示出了根據一個實施方式的數字放大器的結構的原理框圖3A和3B是示出了根據一個實施方式的數字放大器中的限流機構的 運4亍的流程圖。
圖4是示出了與根據一個實施方式的過流保護機構相關聯的各種信號 的示意圖。
圖5是示出根據一個實施方式的過流硬限幅單元的結構的原理框圖。
圖6是示出了包括了根據一個實施方式的過流感測機構的輸出級的結 構的示意圖。
雖然本發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，應該理解，這些 圖和詳細描述不旨在將本發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利要求限定的本發明的范圍內的所有修改、等價形 式和可替換形式。
詳細說明
下面描述了本發明的一個或更多實施方式。應注意，下面描述的這些 實施方式和其他實施方式是示例性的，旨在說明本發明而不是對其限制。
如本文所述，本發明的各種實施方式包括使用簡單的、j氐成本感測機 構在全數字放大器中實現過流保護的系統和方法。
在一個實施方式中，數字脈沖寬度調制(PWM)放大器被設計為使用簡
單的、低成本感測機構來監控放大器的輸出端處的電流電平，并產生指示 該電流是在閥值電平之上還是之下的二進制信號。基于這個二進制信號， 數字放大器為該輸入信號設置限幅電平以仿真典型的模擬系統中的限幅。
在這種實施方式中，電流感測機構包4舌一個或更多感測電阻，這些電 阻與》文大器輸出端的揚聲器串聯設置。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凈皮測量并與閥值電壓進行比較。 如果感測電阻的電壓高于閥值電壓，那么二進制感測信號由比較器設為有 效。如果感測電阻電壓低于該閥值，那么二進制感測信號不^^沒為有效。
在此實施方式中，來自于電流感測機構的比較器的二進制信號被提供 給硬限幅器，其在脈沖寬度調制器之前設置在輸入音頻信號通道內。當輸 入音頻信號超過設置在硬限幅器內的限幅電平時，硬限幅器對輸入音頻信 號進行限幅。最初，限幅電平被設置為最大值。當二進制信號^皮設置為有 效時，硬限幅器將限幅電平的值設置為等于輸入數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ilr入數字音頻
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為 有效。當二進制電流感測信號不再被設為有效時，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-沒為有效，或者達到了最大限幅 電平。
如前所述，使用筒單的二進制感測機構(即，產生指示放大器的輸出端 處的電流是否超出閥值的二進制信號的感測機構)通常促使在放大器中使 用同樣筒單的響應(即，關閉^L大器以強制電流電平下降到閥^i以下)。同 樣如前所述，這會導致不必要的音頻中斷，或導致在放大器的輸出端處的 電流產生可能的破壞性的振蕩。鑒于響應于過流情況而關閉方丈大器所產生 的有害影響，更好的解決方法是模仿某些模擬系統中實現的基于過流的壓 縮。在這些系統中，信號的電壓電平被限幅以減小電流。
參見圖i，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閥值之下(由150和
151指示)，該波就不^^限幅，這兩個波是重合的。兩個波的重合部分用參 考號100,120以及140指示。當原始的正弦波超出了限流閥值時(150和 151)，該正弦波被限幅。因此，圖l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IIO和130指示。
存在幾個因素使在全數字放大器中實現這種限幅變得復雜。這些因素 之一是使用了低成本的感測機構。該感測機構提供的唯一信息是對輸出電 流是否超出閥值電平的指示。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 發生改變。因此，筒單以對應于期望的輸出電流限值的預定的電平對輸入 信號限幅并不能#是供期望的限流功能。
在本系統和方法中，通過包括產生指示輸出電流是否超出閥值的二進 制信號的感測機構，以及以基于該二進制過閥值信號動態確定的電平對輸 入信號進行限幅的過流硬限幅單元，處理了這些問題。所述感測機構不斷 地4是供對輸出電流高于或低于閥值的指示。當二進制信號第一次被設為有 效時，過流硬限幅單元確定數字輸入信號的上一個值并將其限幅電平設為 等于或剛小于該值。只要該二進制信號保持被設為有效，石更限幅單元就對 其用來對輸入信號限幅的電平進行斜降。當二進制信號被，沒為無效時，硬 限幅單元開始將信號斜升， 一直持續到二進制信號再次被i殳為有效或達到 了最大限幅電平為止。
參見圖2,其示出了說明根據一個實施方式的數字放大器的結構的原
理框圖。圖中示出的結構旨在是例證性的，并且可在可替:換實施方式中實
現其它結構。
在圖2的實施方式中，通常是脈沖編碼調制(PCM)信號的輸入數字音 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 系統中，該被插值且被校正的信號被傳送通過過流硬限幅單元280，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4于詳細描述)， 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 調制器240。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調制器240 將PCM信號轉換成一對脈沖寬度調制(PWM)信號。然后，這些PWM信 號凈皮才是供給輸出級250。輸出級250由PWM信號控制以驅動揚聲器260, 并產生音頻信號的聽覺表現(例如，音樂)。
在圖2的實施方式中，電流感測機構270被耦合到輸出級250。例如， 電流感測機構270可包括設置為與揚聲器260串聯的一個或更多小感測電
器。比較器產生指示感測電阻電壓高于還是低于閥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280。硬限幅單元280基于從 二進制感測機構接收到的二進制信號調節其用以對輸入音頻信號進行限 幅的電平。
參見圖3A和3B,示出了說明根據一個實施方式的數字放大器中的限 流機構的操作的一對流程圖。圖3A示出了產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的。圖3B示出了基于在圖3A的過程中產 生的信號設置硬限幅單元的限幅電平的過程。圖3B中描^^的流程圖代表 了每個PWM開關周期都會重復的過程。
圖3A的過程始于將感測電阻電壓與閥值電壓的比較(塊305)。如上所 述，感測電阻"^殳置為與揚聲器串聯，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，閥值電壓正比于通過揚聲器和感測電 阻的閥值電流電平。基于感測電阻電壓與閥值電壓的比較，電流感測機構 可將二進制信號設置為有效或將其設為無效(塊310)。如果感測電阻電壓大 于閥值電壓(從而揚聲器電流大于閥值電流)，那么該信號祐:i殳為有效。否 則，該信號被設為無效。因此，該二進制信號在本文可被稱作過流或過閥 信號。該過流信號被從電流感測機構傳送到過流硬限幅單元(塊315)。這個 過程是持續的。
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
為有效(即，輸出電流是否大于閥值電流)(塊320)。如果過流信號未被設為 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 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。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)。這個循環可能需要進行多次重復，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 所應設置的電平，該硬限幅單元需要確定輸入音頻信號是否在先前的 PWM周期內被硬限幅單元限幅(塊335)。如果在先前的PWM周期內音頻 信號未凈皮石更限幅單元限幅，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 是導致輸出電流超出閥值電平的值，因此限幅電平一皮設置為該值(塊345) 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周期內被限幅，那么限幅電平已經低于其最大值，因此硬限幅 單元簡單地使限幅電平從其當前值遞減(塊350)。在任何一種情況下，該過 程然后返回到塊305,并在隨后的PWM周期內被重復。
如前所述，在上述實施方式中，在每個PWM開關周期(名義上以 384kHz的速率)都執行對過流事件的檢測(以及在塊320-350中調節限幅電 平)。更確切地說，在每個開關周期之初，首先將前面的過流事件(如果存 在)清除，然后只有當在當前開關周期內檢測到過閥電流時，才設置過流事 件。 一旦二進制信號指示過流情況被設置，其將處于設置狀態一直到下個 開關周期——本質上以單觸發機構的形式。因此，無需DSP介入到該機構 的實現中。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只需幾個PWM開關周期，而這 應該足夠了。
應注意，以上結合圖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節 不需要按先前描述的PWM轉換速率來完成。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的輸出端處的電流電平 來設置的，因此硬限幅單元應該放置得(功能上)盡可能接近該輸出端，以
達到最快的可能響應。在圖2的實施方式中，硬限幅單元280 #1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致不穩定狀態的過度的限幅。
參見圖4，其示出了說明與根據一個實施方式的過流保護機構相關聯 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^_限幅單元內的 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心的子區間的區間內的這些信號。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^皮-沒為有效，并 且硬限幅單元的限幅電平一皮設置為其最大電平。在第一子區間(410)內，過 流信號在時刻tl被設置。音頻輸入信號還未達到其最大值。當過流信號^皮 設為有效時，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%)。當過流信號保持被設為有效時，硬限幅單元 繼續使其限幅電平斜降。可以看出，輸出音頻信號電平是根據硬限幅單元 的限幅電平而一皮限幅的。
當過流信號在時刻t2被設為無效時，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斜升，直到過流信號被再次設為有效
為止，而在過流信號被再次設為有效的同時，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。當過流信號被再次設為無效時，硬 限幅單元開始使其限幅電平斜升，并且持續使限幅電平斜升，直到達到最 大限幅電平為止。
在子區間420內，過流硬限幅單元的過流信號和限幅電平與在子區間 410時的相同。輸入音頻信號和輸出音頻信號與在子區間410時的相同， 只不過它們是反相的。這簡單地說明了，系統被配置為根據信號的絕對值 對其進行限幅。
在子區間430內，過流信號在一系列短脈沖中被"i殳為有效和被設為無 效。結果，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%。此限幅仿真了結合圖1所描述的模擬限幅。雖 然相似的限幅通常也發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。
在子區間440內，過流信號在包括一個長脈沖接著是幾個短脈沖的一 系列脈沖中被設為有效和設為無效。結果，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。此限幅對應于過流事件一皮;險測到且音頻信號幾乎完全一皮抑制的情況。
所描述的系統能夠用不同方式來實現。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的示例性實施方式。
參見圖5 ，示出了說明根據一個實施方式的過流硬限幅單元的結構的 原理框圖。在此實施方式中，過流>哽限幅單元280包括-沒置在音頻信號通 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—電平一高=-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。當硬限幅器510的限幅電平被設置為其最大值時，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、復用器540、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通過對從復用器540接收到的值進 行限幅而產生這個值。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 從過流感測機構接收到的過流信號確定的。該信號被輸入復用器540。根 據過流信號，復用器540選擇由上回路產生的值(使限幅電平遞增)或由下 回^各產生的值(使限幅電平遞減)。
當過流信號未被設為有效時，復用器540選擇從加法器535接收到的 值，并經由第二硬限幅器550將該值傳送給寄存器560。因此，在第一個 PWM開關周期，寄存器560包含某一值。在下一個PWM開關周期，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550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。
當過流信號被設為有效時，其使復用器540選擇由包括絕對值單元520 和加法器535的下回路所產生的值。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;陂遞減的值傳 送到復用器540。復用器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。
當過流信號第一次被設為有效時，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開關周期內對輸入音頻信號限幅。換句話說，該系統將開始使 限幅電平從其當前電平斜降。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開關周期內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 535)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 統進行初始配置時被設置，并且有時可由用戶修改，或由系統本身(例如， 由DSP)動態地更新。系統也可被配置為實現如下功能，諸如監測用于過流 事件的頻率的狀態寄存器，監測數字音頻信號的壓縮，或者如果本文描述 的過流保護機構未能校正過流情況則關閉該系統。
如前所述，過流硬限幅單元280的限幅電平是由從過流感測機構接收 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 流信號的數也可與啟動信號相組合(例如，相"與")。當該啟動信號被設 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。當該啟動信號被設為無效時，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的輸 出級的結構的示意圖。在這個實施方式中，感測機構被耦合到全橋輸出級。 該輸出級的常規器件包括一組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PWM信號控制，而 FET611和612由低壓側PWM信號控制。當高壓側信號為高而低壓側信號 為低時，電流從電流源經感測電阻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。當高壓側信號為低而低壓 側信號為高時，電流從電流源經感測電阻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。當高壓側信號 和低壓側信號都為低時，電流按著與高壓側信號和低壓側信號剛要相等之 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。
過流感測機構包括感測電阻620-621和比較器機構，該比較器機構被 配置為將這些電阻兩端的電壓與闊值電壓進行比較，并當閥值被達到和/ 或閥值被超出時將過流信號設為有效。感測電阻620-621應該具有小電阻 值，以使驅動揚聲器614的音頻信號不會被它們的存在嚴重影響。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)取決于期望的閥值以及本領域相關 技術人員所熟知的各種因素，因此這些細節這里將不做討論。只不過應該 指出，當感測電阻620兩端的電壓和感測電阻621兩端的電壓中的4壬<可一 個超出了相應的閥值電壓時，所示出的比較器電路將把二進制過流信號設 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用器。
可由本發明提供的好處和優點已經在前面結合具體的實施方式做了 描述。這些好處和優點，以及可能導致它們出現或變得明確的任何元件或 限制不應被理解為是任何權利要求或所有權利要求的關鍵的、必須的、或 基本的特;f正。如本文所4吏用的術i吾"包4舌(comprise )"、"包4舌(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語之后 的元件或限制。因此，包括一組元件的系統、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對所要求保護的實施方式來說 是固有的其它元件。
雖然本發明已經參考具體的實施方式做了描述，但是應該理解，這些 實施方式是示例性的，且本發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。可以預期， 這些變化、修改、添加和改進落在隨后的權利要求中詳述的本發明的范圍 內。
權利要求
1.一種在數字放大器中實現的方法，其包括:檢測過流情況；當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；根據所述限幅電平對所述音頻信號進行限幅。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中使限幅電平斜降的所述步驟包括當檢測所述過流情況時，確定音頻輸入信號值；將所述限幅電平設置為小于或等于所述音頻輸入信號值的初始限幅 值；以及對于所述過流情況持續存在的每個連續的時間周期，減小所述限幅電平。
3. 根據權利要求2所述的方法，其進一步包括當所述過流情況不存 在時，在連續的時間周期內增加所述限幅電平直到達到最大限幅電平為 止。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中所述數字放大器是脈沖寬度調 制(PWM)放大器并且其中所述連續的時間周期包括連續的PWM開關周期。
5. 根據權利要求2所述的方法，其中檢測過流情況的所述步驟包括 監測所述放大器的輸出端處的電流電平、檢測所述電流電平何時超出閥 值，以及產生指示所述放大器的所述輸出端處的所述電流電平是否超出所 述閥值的二進制信號。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中對于每個連續的時間周期，檢 測過流情況的所述步驟被執行且所述二進制信號被更新。
7. 根據權利要求5所述的方法，其中4企測過流情況的所述步驟進一 步包括對所述二進制信號進行低通濾波。
8. 根據權利要求2所述的方法，其中對音頻輸入信號進^f亍限幅包括 對輸入到噪聲整形器的所述音頻輸入信號進4亍限幅。
9. 根據權利要求2所述的方法，其中對音頻輸入信號進行限幅包括 對輸入到調制器的所述音頻輸入信號進行限幅。
10. —種數字放大器，其包括過流硬限幅單元，其被配置為接收數字音頻信號并根據限幅電平對所 述數字音頻信號進行限幅；調制器，其被配置為從所述過流硬限幅單元接收所述數字音頻信號并 調制所述數字音頻信號以產生已調制音頻信號；輸出級，其被配置為接收所述已調制音頻信號并產生輸出電流以驅動 負載；以及過流感測單元，其被配置為將所述輸出電流與閥值進行比較并產生指 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所述過流 情況存在時斜降所述限幅電平。
11. 根據權利要求IO所述的數字放大器，其中所述過流感測單元被配 置為將所述輸出電流與閥值進行比較并產生所述過流信號作為指示所述 輸出電流是否超出所述閥值的二進制信號。
12. 根據權利要求11所述的放大器，其中所述過流硬限幅單元被配置 為接收所述二進制信號并且對所述二進制信號指示所述輸出電流超出所 述閥值的每個連續的時間周期減小所述限幅電平。
13. 根據權利要求12所述的放大器，其中所述過流硬限幅單元進一 步被配置為對所述二進制信號指示所述輸出電流未超出所述閥值的每個 連續的時間周期增加所述限幅電平。
14. 根據權利要求13所述的放大器，其中所述過流硬限幅單元被配 置為對每個連續的時間周期用可編程量來增加所述限幅電平。
15. 根據權利要求12所述的放大器，其中所述過流硬限幅單元被配置為對每個連續的時間周期用可編程量來減小所述限幅電平。
16. 根據權利要求12所述的放大器，其中所述過流感測單元用來與 所述輸出電流進行比較的所述閥值是可編程的。
17. 根據權利要求12所述的放大器，其中所述數字放大器是脈沖寬 度調制(PWM)放大器，所述調制器被配置為調制所述數字音頻信號以產生 PWM信號，并且所述連續的時間周期包括連續的PWM開關周期。
18. 根據權利要求17所述的放大器，其中所述過流感測單元被配置 為對每個連續的時間周期將所述輸出電流與所述閥值進行比較并且更新 所述二進制信號。
19. 根據權利要求12所述的放大器，其進一步包括低通濾波器，所 述低通濾波器被耦合到所述過流感測單元和所述過流石更限幅單元之間，并 被配置為對所述二進制信號進行低通濾波并將已濾波的所述二進制信號 提供給所述過流硬限幅單元。
20. 根據權利要求12所述的放大器，其進一步包括噪聲整形器，所 述噪聲整形器被耦合到所述過流硬限幅單元和所述調制器之間，并被配置 為對從所述過流硬限幅單元接收到的所述數字音頻信號進行量化和濾波 并將已量化且已濾波的所述數字音頻信號提供給所述調制器。
全文摘要
一種使用低成本電流感測機構在全數字放大器中過流保護的系統和方法。過流硬限幅單元接收數字音頻信號，根據限幅電平對該信號限幅，并且將該信號提供給調制器。該調制器調制該信號以產生如PWM信號，并將該已調制信號提供給輸出級，該輸出級產生輸出電流以驅動揚聲器。過流感測單元將輸出電流和閥值進行比較，并且產生指示該輸出電流是否超出了閥值的二進制信號。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閥值的時間周期內，所述硬限幅單元使該限幅電平斜降。當所述二進制信號指示輸出電流未超出閥值時，硬限幅單元使限幅電平斜升。
文檔編號H03F3/38GK101375494SQ200780003547
公開日2009年2月25日 申請日期2007年1月25日 優先權日2006年1月26日
發明者威爾森·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