[发明专利]用于过流保护的系统和方法

说明书

本申请是申请日为2007年1月25日，申请号为200780003547.5，发明名称为“用于过流保护的系统和方法”的申请的分案申请。

发明背景

技术领域

本发明通常涉及数字放大器，且更具体地说，涉及使用简单的、低成本的电流感测机构在全数字放大器中实现过流保护的系统和方法。

相关技术

音频放大器被设计为接收电压和/或电流通常非常低的输入信号，并产生相应的电压和/或电流通常高得多的输出信号。尽管这些更高的电压/电流对驱动扬声器并由此产生音频信号是必要的，但是这也给扬声器带来了危险。换句话说，如果电压/电流过高，那么扬声器可能被破坏。

在脉冲宽度调制(PWM)放大器中，防止放大器产生过量输出电流(造成过流情况)是最关键的功能之一，因为过量输出电流会破坏放大器的输出级或破坏由该输出级驱动的扬声器。放大器可使用各种方式来避免过流情况。最直接的解决办法或许是，只要一出现过流情况就简单地关闭系统。虽然这个方法对防止电流达到破坏性的电平来说是有效的，但是作为实际应用，它可能不是可接受的解决方案。例如，某些音频内容将导致短期的过流情况，而这种短期的过流情况不会对输出级或扬声器造成破坏。在这种情况下，关闭该系统并没有避免破坏情况，但是确实打断了系统的音频输出。很明显，这是不希望的。

在另一种情况下，输入音频信号所导致的过流情况将比上述短期过流情况持续时间更长。这种情况可能需要采取某些校正措施，但并没有严重到必须马上关闭系统以避免对扬声器或系统的本身造成损坏。在这种情况下，对于PWM放大器优选的是，继续提供音频输出，并在正常运行模式与校正运行模式之间逐渐转换。更确切地说，这种转换(以及校正运行模式)不应该伴有对系统性能造成严重影响或在系统的音频输出中产生伪像的副作用。如果校正运行模式不足以消除过流情况，那么系统可被关闭以避免损坏。

在数字放大器中，很难设计一种既具有低成本的解决方案又满足前面目标的过流保护系统。对低成本的要求偏向采用这种直接的解决方案，即，只要输出电流超过预定义的阈值就关闭系统，而当电流降到阈值以下时，恢复运行。如前所述，这会引起对输出音频信号的不必要的中断。此外，如果系统对于电流超过阈值然后降到阈值以下反应太快，那么FET的实际开关速率会增大，这又会导致发热量增加，随后会损坏FET。另一方面，如果保护系统反应太慢，那么电流会在关闭发生之前达到破坏性的电平。并且还可能存在振荡。更确切地说，当关闭发生时，电流在恢复运行之前可能下降地太多，然后，在关闭再次发生之前，电流可斜升回去而使其过高。取决于保护系统的实际速度，振荡可能处于音频范围内，或者它可能产生其他音频影响。

因此，期望提供保护数字放大器免受过流情况影响的系统和方法，其中使用了一种简单的、低成本的电流感测机构，但对过流情况的响应会比简单地关闭放大器更为复杂。

发明内容

本公开涉及使用简单的、低成本的电流感测机构在全数字放大器中实现过流保护的系统和方法。在一个具体的实施方式中，产生二进制过流信号的简单的过流感测机构被耦合到脉冲宽度调制(PWM)放大器的输出级。当电流超过阈值时，二进制信号为高，否则为低。二进制信号提供给在噪声整形器之前设置在数字音频信号通道内的硬限幅单元(hard clipping unit)。当音频信号超出高或低限幅电平时，硬限幅单元对其进行限幅。当二进制信号从低变高时，硬限幅单元将其限幅电平从当前电平(例如，与输入数字音频信号的最大电平匹配的最大值)下降到数字音频信号的上一个值(假设其导致过流情况)。然后，对于二进制信号保持为高的每一个PWM开关周期，硬限幅单元递减限幅电平。当二进制信号变为低时，硬限幅单元递增该限幅电平，一直持续到达到最大限幅电平。因此，每当二进制信号指示输出电流超过电流阈值时，放大器斜降限幅电平，而每当二进制信号指示输出电流低于电流阈值时，放大器就将限幅电平斜升回去。

应注意，使用本系统和方法处理的音频信号同时包括0的正向偏移和0的负向偏移。因此，本文提到的“斜降”或“减少”限幅电平应该被解释为不仅包括减少正信号的限幅电平，而且包括增加负信号的限幅电平。换句话说，限幅电平相对于音频信号的绝对值是减少的。类似地，本文提到的“斜升”或“增加”限幅电平应该被解释为，既包括增加正信号的限幅电平，又包括减少负信号的限幅电平。还应注意，提到“高”或“低”限幅电平是相对于该音频信号的偏移的绝对值而言的。