共模电压动态调制电路、方法和D类音频功率放大器与流程

共模电压动态调制电路、方法和d类音频功率放大器
技术领域
1.本技术涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种共模电压动态调制电路、方法和d类音频功率放大器。


背景技术：

2.音频功率放大器的用途是在发声输出元件上复现输入音频信号，提供所需要的音量和功率水平，保证复现的高效率以及低失真度。在这一任务面前，d 类音频放大器表现出多方面的优势，特别是相比class a/b类功放，效率有明显提升。但是在中大功率需较高电压的场合下，需要在d类音频功放的输出级添加一组lc滤波器滤除开关信号达到减小emi的目的。高电压下电感纹波电流产生的损耗是静态功耗的主要组成部分。
3.传统d类音频功放pwm(脉冲宽度调制pulse width modulation，简称： pwm)调制技术中，pwm调制的共模固定为三角波发生器满摆幅的1/2，这样输出共模的占空比为50％，功放输出级的共模电压固定在pvdd/2(pvdd为功放供电电压)，输出信号以功放供电电压的1/2为中心摆动。这样带来的缺点是： 1)功放当前无音乐播放时，电感纹波电流依旧很大，静态功耗高；2)中小音量时，信号输出摆幅有限，高共模电压留给输出信号摆动的余量过大，是一种功耗的浪费。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种共模电压动态调制电路、方法和d类音频功率放大器。
5.一种共模电压动态调制电路，所述共模电压动态调制电路包括：信号输入端和共模电压动态调整模块。
6.所述信号输入端，用于接收音频信号，并输出差分音频信号至所述共模电压动态调整模块。
7.所述共模电压动态调整模块，用于根据预设的静态共模偏置和所述音频信号的摆幅的归一化处理结果，对所述差分音频信号的共模电压进行动态调整，得到当前共模电压。
8.进一步的，所述共模电压动态调制电路还包括防削底反馈调整模块，用于实时采集叠加当前共模电压后的差分音频信号，并根据叠加当前共模电压后的差分音频信号的幅度确定反馈调整电压；所述反馈调整电压用于对当前共模电压进行反馈调整。
9.进一步的，所述共模电压动态调制电路还包括第一加法器，用于将所述当前共模电压和所述反馈调整电压进行加和，得到反馈调整后的当前共模电压。
10.进一步的，当所述信号输入端为单端时，所述信号输入端包括反相器，用于将音频信号进行反相处理。
11.进一步的，所述共模电压动态调制电路还包括pwm比较器，用于对接收的预设的三角波信号和叠加当前共模电压后的差分音频信号进行比较，输出音频 pwm调制信号。
12.进一步的，所述共模电压动态调制电路还包括第二加法器和第三加法器。
13.所述第二加法器，用于将所述差分音频信号的正端信号与所述当前共模电压进行叠加，输出叠加当前共模电压后的差分音频信号的正端信号。
14.所述第三加法器，用于将所述差分音频信号的负端信号与所述当前共模电压进行叠加，输出叠加当前共模电压后的差分音频信号的负端信号。
15.进一步的，所述预设的静态共模偏置是大于0且小于等于0.5的实数。
16.一种共模电压动态调制方法，所述方法适用于采用上述任一所述共模电压动态调制电路进行共模电压的动态调整；所述方法包括：
17.接收音频信号，并输出差分音频信号。
18.通过共模电压调整模块将所述差分音频信号的摆幅进行归一化处理，并根据得到归一化输入信号和预设的静态共模偏置，确定当前共模信号。
19.在其中一个实施例中，所述方法还包括：通过防削底反馈调整模块实时采集叠加当前共模信号后的差分音频信号，并根据叠加当前共模信号后的差分音频信号确定反馈调整电压，得到反馈调整后的当前共模信号。
20.一种d类音频功率放大器，所述d类音频功率放大器包括权利上述任一共模电压动态调制电路。
21.进一步的，所述d类音频功率放大器还包括输出功放模块；所述输出功放模块的输入端与所述共模电压动态调制电路的输出端连接。
22.进一步的，所述d类音频功率放大器还包括低通滤波器；所述低通滤波器与所述输出功放模块的输出端连接。
23.进一步的，所述共模电压动态调制电路还包括功放增益模块；所述功放增益模块的输入端与所述信号输入模块的输出端连接，所述功放增益模块的输出端与所述共模电压动态调整模块的输入端连接；所述输出功放模块的输出信号反馈至所述功放增益模块的输入端。
24.上述共模电压动态调制电路、方法和d类音频功率放大器，该共模电压动态调制电路包括：信号输入端和共模电压动态调整模块；信号输入端，用于接收音频信号，并输出差分音频信号至共模电压动态调整模块；共模电压动态调整模块，用于根据预设的静态共模偏置和音频信号的摆幅的归一化处理结果，对差分音频信号的共模电压进行动态调整，得到当前共模电压。该电路可用在d 类音频功率放大器中进行共模电压调，使pwm的占空比在没有音频输入时保持为一个较低，降低能耗，另外根据输入音频的幅度对共模电压进行调制，始终维持在一个所得即所需的状态，在中小功率时，可以将因电感纹波电流造成的损耗也会降低到最小。
附图说明
25.图1为一个实施例中共模电压动态调制电路组成框图；
26.图2为另一个实施例中d类音频功率放大器结构框图；
27.图3为另一个实施例中功放增益模块的原理图；
28.图4为另一个实施例中d类音频功率放大器结构框图；
29.图5为另一个实施例中d类音频功率放大器各节点信号波形图(输入信号为0)，其中(a)为节点201波形(音乐信号)，(b)为节点205波形(叠加共模电压的差分音乐信号的正
端输出)，(c)为节点206波形(共模电压的差分音乐信号的负端输出)的共模电压的差分音乐信号的负端输出，(d)为节点204 波形(三角波信号)，(e)为节点208波形(输出正端pwm信号)输出正端pwm 信号，(e)为节点209波形(输出负端pwm信号)，(g)为输出共模电压；
30.图6为另一个实施例中动态共模pwm调制各节点信号示意图(有输入信号)，其中(a)为节点201波形(音乐信号)，(b)为节点205波形(叠加共模电压的差分音乐信号的正端输出)，(c)为节点206波形(共模电压的差分音乐信号的负端输出)的共模电压的差分音乐信号的负端输出，(d)为节点204波形(三角波信号)，(e)为节点208波形(输出正端pwm信号)输出正端pwm信号， (e)为节点209波形(输出负端pwm信号)，(g)为输出共模电压；
31.图7为一个实施例中共模电压动态调制方法流程示意图；
32.图8为另一个实施例中共模电压动态调制方法流程示意图。
具体实施方式
33.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
34.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种共模电压动态调制电路，该电路包括：信号输入端10和共模电压动态调整模块20。
35.信号输入端10，用于接收音频信号，并输出差分音频信号至共模电压动态调整模块20。具体的，信号输入端可以是单端模式或差分模式，当信号输入端是单端模式时，信号输入端10将对接收的音频信号进行处理，将单端信号转化为差分音频信号输出至共模电压动态调整模块20。
36.共模电压动态调整模块20，用于根据预设的静态共模偏置和音频信号的摆幅的归一化处理结果，对差分音频信号的共模电压进行动态调整，得到当前共模电压。
37.当前共模电压值是将归一化的电压摆幅减去归一化的当前输入音频信号幅度和预设的静态共模偏置α，得到归一化处理后的当前共模电压，并将归一化处理后的当前共模电压与归一化处理电压基准相乘得到的。归一化处理电压基准是包括共模电压动态调制电路的d类音频功率放大器的三角波信号的幅度，三角波信号的幅度是根据供电电源pvdd确定的。其中，归一化处理后的当前共模电压的表达式为：
[0038][0039]
其中，为归一化处理后的当前共模电压，为归一化处理的音频信号摆幅，α为预设的静态共模偏置，是根据预设的三角波信号的幅度进行调整。
[0040]
上述共模电压动态调制电路中，该共模电压动态调制电路包括：信号输入端和共模电压动态调整模块；信号输入端，用于接收音频信号，并输出差分音频信号至共模电压动态调整模块；共模电压动态调整模块，用于根据预设的静态共模偏置和音频信号的摆幅的归一化处理结果，对差分音频信号的共模电压进行动态调整，得到当前共模电压。该电路可用在d类音频功率放大器中进行共模电压调制，使pwm的占空比在没有音频输入时保持为一个较低，降低能耗，另外根据输入音频的幅度对共模电压进行调制，始终维持在一个所得即所需的状态，在中小功率时，可以将因电感纹波电流造成的损耗也会降低到最小。
[0041]
进一步的，共模电压动态调制电路还包括防削底反馈调整模块，用于实时采集叠加当前共模电压后的差分音频信号，并根据叠加当前共模电压后的差分音频信号的幅度确定反馈调整电压；反馈调整电压用于对当前共模电压进行反馈调整。
[0042]
在共模电压动态调制电路中引入防削底反馈调整模块的目的是：根据叠加当前共模电压后的差分音频信号对当前共模电压进行反馈控制，使叠加当前共模电压后的差分音频信号的满摆幅与预设的三角波信号的摆幅保持一致，防止削顶失真，得到反馈调整后的当前共模电压。
[0043]
进一步的，共模电压动态调制电路还包括第一加法器，用于将当前共模电压和反馈调整电压进行加和，得到反馈调整后的当前共模电压。
[0044]
具体的，防削底反馈调整模块实时采集叠加共模电压后的音频差分信号，输出反馈调整电压至第一加法器的一个输入端，共模电压动态调整模块输出当前共模信号至第一加法器的另一个输入端，第一加法器输出反馈调整后的当前共模电压。
[0045]
进一步的，当信号输入端为单端时，信号输入端包括反相器，用于将音频信号进行反相处理。
[0046]
进一步的，共模电压动态调制电路还包括pwm比较器，用于对接收的预设的三角波信号和叠加当前共模电压后的差分音频信号进行比较，输出音频pwm 调制信号。
[0047]
作为优选，pwm比较器包括两个比较器，第一个比较器和第二个比较器的正向端接收预设的三角波信号，第一个比较器的反向端接收差分音频信号的正端信号，第二个比较器的反向端接收差分音频信号的负端信号，输出音频pwm 调制信号的正端信号和负端信号。
[0048]
进一步的，共模电压动态调制电路还包括第二加法器和第三加法器；第二加法器，用于将差分音频信号的正端信号与当前共模电压进行叠加，输出叠加当前共模电压后的差分音频信号的正端信号；第三加法器，用于将差分音频信号的负端信号与当前共模电压进行叠加，输出叠加当前共模电压后的差分音频信号的负端信号。
[0049]
进一步的，预设的静态共模偏置是大于0且小于等于0.5的实数。作为优选，预设的静态共模偏置的取值范围为：大于0小于等于0.2的实数。
[0050]
在一个实施例中，提供了一种d类音频功率放大器，d类音频功率放大器包括权利上述任一共模电压动态调制电路。
[0051]
进一步的，d类音频功率放大器还包括输出功放模块；输出功放模块的输入端与共模电压动态调制电路的输出端连接。
[0052]
作为优选，输出功放模块包括两条由栅极驱动模块和h桥电路组成的功率放大支路，其中栅极驱动模块的输出端与h桥电路的输入端连接；第一条功率放大支路的栅极驱动模块的输入端接收音频pwm调制信号的正端信号，第一条功率放大支路的h桥电路输出放大后的音频pwm调制信号的正端信号；第二条功率放大支路的栅极驱动模块的输入端接收音频pwm调制信号的负端信号，第二条功率放大支路的h桥电路输出放大后的音频pwm调制信号的负端信号。
[0053]
进一步的，d类音频功率放大器还包括低通滤波器；低通滤波器与输出功放模块的输出端连接。
[0054]
作为优选，低通滤波器包括两个低通lc滤波器；第一个低通滤波器的输入端与第
一条功率放大支路的h桥电路的输出端连接；第二个低通滤波器的输入端与第二条功率放大支路的h桥电路的输出端连接；第一个低通滤波器和第一个低通滤波器的输出端输出经过调制、放大、滤波后的音频信号。
[0055]
进一步的，如图2所示，d类音频功率放大器中的共模电压动态调制电路还包括功放增益模块；功放增益模块的输入端与信号输入模块的输出端连接，功放增益模块的输出端与共模电压动态调整模块的输入端连接；输出功放模块的输出信号反馈至功放增益模块的输入端。
[0056]
具体的，功放增益模块是一个差分负反馈放大器，直接把整个功放的差分输出v
outp
和v
outn
反馈到功放增益模块与输入信号做比较，如果输出有失真，功放增益模块会对失真进行矫正。如图3所示，功放增益模块包括：运算放大器、正向端输入电阻r
in
、正向端反馈电阻r
fb
、正向端滤波电容cfb 、负向端输入电阻r
in-、负向端反馈电阻r
fb-、正向端滤波电容c
fb-；正向端输入电阻 r
in
的一端连接信号输入端正向输出端、其另一端连接运算放大器的正向输入端，正向端反馈电阻r
fb
正向端反馈电阻r
fb
的一端连接运算放大器的正向输入端、其另一端连接输出功放模块的输出正向端；正向端滤波电容c
fb
的一端连接运算放大器的正向输入端、其另一端连接运算放大器的正向输出端；负向端输入电阻r
in-的一端连接信号输入端负向输出端、其另一端连接运算放大器的负向输入端，负向端反馈电阻r
fb-的一端连接运算放大器的负向输入端、其另一端连接输出功放模块的输出负向端；负向端滤波电容c
fb-的一端连接运算放大器的负向输入端、其另一端连接运算放大器的负向输出端。
[0057]
在另一个实施例中，d类音频功率放大器结构框图如图4所示。d类音频功率放大器包括：信号输入端、功放增益模块、共模电压动态调整模块、防削底反馈调整模块、由两个比较器组成的pwm比较器、两个由栅极驱动和h桥电路组成的功率放大支路，以及两个lc低通滤波器。其中，信号输入端输出差分音频信号。
[0058]
差分音频信号的共模电压动态调制的基本原理是根据输入音频信号的摆幅实时调整v
inp
、v
inn
的共模电压v
com
，共模电压动态调制由共模电压动态调整模块和防削底反馈调整模块实现。共模电压动态调整模块用于将归一化的电压摆幅减去归一化的差分音频信号经过功放增益模块放大后的输出幅度和预设的静态共模偏置α，得到归一化处理后的当前共模电压，利用归一化处理后的当前共模电压与归一化处理电压基准相乘，得到当前共模电压的实际值。在共模电压动态调整时设置预设的静态共模偏置α是为了避免输出功率模块进入完全不工作的状态，α的取值范围为：0＜α≤0.5。为了继续使v
inp
、v
inn
的满摆幅与三角波信号的摆幅保持一致(防止削顶失真)，引入防削底反馈调整模块，进行反馈控制。v
inp
和v
inn
的共模电压为v
com
，v
com
幅度是一个根据音乐信号幅度变化的动态调整值。这样在无音频信号输入时，v
gate_p
和v
gate_n
输出占空比为α，如图5所示，图5中α为0.15，电感纹波电流相比传统固定共模pwm 调制方式降低70％，降低了静态功耗。另外由于中小功率下，功放的输出共模始终维持在一个“所得即所需”的状态，因此在中小功率下，因电感纹波电流造成的损耗也会降低到最小。d类音频功率放大器中动态共模pwm调制各节点信号如表1所示。
[0059]
表1动态共模pwm调制各节点信号
[0060][0061]
当输入的音乐信号为0，并且α＝0.15时，图4中节点201、205、206、207、208、209、204的信号分别为音乐信号、叠加共模电压的差分音乐信号的正端输出、叠加共模电压的差分音乐信号的负端输出、三角波信号、音频pwm调制信号的正端信号、音频pwm调制信号的负端信号以及输出共模电压。图4中各节点信号的归一化幅度曲线图如图5所示，其中(a)为节点201波形(音乐信号)， (b)为节点205波形(叠加共模电压的差分音乐信号的正端输出)，(c)为节点206波形(共模电压的差分音乐信号的负端输出)的共模电压的差分音乐信号的负端输出，(d)为节点204波形(三角波信号)，(e)为节点208波形(输出正端pwm信号)输出正端pwm信号，(e)为节点209波形(输出负端pwm 信号)，(g)为输出共模电压。
[0062]
当有音乐信号输入，并且α＝0.15时，图4中节点201、205、206、207、208、 209、204的信号的归一化幅度曲线图如图6所示，其中(a)为节点201波形(音乐信号)，(b)为节点205波形(叠加共模电压的差分音乐信号的正端输出)，(c) 为节点206波形(共模电压的差分音乐信号的负端输出)的共模电压的差分音乐信号的负端输出，(d)为节点204波形(三角波信号)，(e)为节点208波形 (输出正端pwm信号)输出正端pwm信号，(e)为节点209波形(输出负端 pwm信号)，(g)为输出共模电压。
[0063]
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种共模电压动态调制方法，方法适用于上述任一共模电压动态调制电路进行共模电压的动态调整；方法包括：
[0064]
步骤700：接收音频信号，并输出差分音频信号。
[0065]
步骤702：通过共模电压调整模块将差分音频信号的摆幅进行归一化处理，并根据得到归一化输入信号和预设的静态共模偏置，确定当前共模信号。
[0066]
在其中一个实施例中，如图8所示，该方法还包括步骤704：通过防削底反馈调整模块实时采集叠加当前共模信号后的差分音频信号，并根据叠加当前共模信号后的差分音频信号和预设的三角波信号的摆幅确定反馈调整电压，得到反馈调整后的当前共模信号。
[0067]
应该理解的是，虽然图7-8的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图7-8中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0068]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0069]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种共模电压动态调制电路，其特征在于，所述共模电压动态调制电路包括：信号输入端和共模电压动态调整模块；所述信号输入端，用于接收音频信号，并输出差分音频信号至所述共模电压动态调整模块；所述共模电压动态调整模块，用于根据预设的静态共模偏置和所述音频信号的摆幅的归一化处理结果，对所述差分音频信号的共模电压进行动态调整，得到当前共模电压。2.根据权利要求1所述的共模电压动态调制电路，其特征在于，所述共模电压动态调制电路还包括防削底反馈调整模块，用于实时采集叠加当前共模电压后的差分音频信号，并根据叠加当前共模电压后的差分音频信号的幅度确定反馈调整电压；所述反馈调整电压用于对当前共模电压进行反馈调整。3.根据权利要求2所述的共模电压动态调制电路，其特征在于，所述共模电压动态调制电路还包括第一加法器，用于将所述当前共模电压和所述反馈调整电压进行加和，得到反馈调整后的当前共模电压。4.根据权利要求1所述的共模电压动态调制电路，其特征在于，当所述信号输入端为单端时，所述信号输入端包括反相器，用于将音频信号进行反相处理。5.根据权利要求1所述的共模电压动态调制电路，其特征在于，所述共模电压动态调制电路还包括pwm比较器，用于对接收的预设的三角波信号和叠加当前共模电压后的差分音频信号进行比较，输出音频pwm调制信号。6.根据权利要求1所述的共模电压动态调制电路，其特征在于，所述共模电压动态调制电路还包括第二加法器和第三加法器；所述第二加法器，用于将所述差分音频信号的正端信号与所述当前共模电压进行叠加，输出叠加当前共模电压后的差分音频信号的正端信号；所述第三加法器，用于将所述差分音频信号的负端信号与所述当前共模电压进行叠加，输出叠加当前共模电压后的差分音频信号的负端信号。7.根据权利要求1-6任一项所述的共模动态电压调整电路，其特征在于，所述预设的静态共模偏置是大于0且小于等于0.5的实数。8.一种共模电压动态调制方法，所述方法适用于采用权利要求1-7中任一项所述的共模电压动态调制电路进行共模电压的动态调整；其特征在于，所述方法包括：接收音频信号，并输出差分音频信号；通过共模电压调整模块将所述差分音频信号的摆幅进行归一化处理，并根据得到归一化输入信号和预设的静态共模偏置，确定当前共模信号。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过防削底反馈调整模块实时采集叠加当前共模信号后的差分音频信号，并根据叠加当前共模信号后的差分音频信号的幅度确定反馈调整电压，得到反馈调整后的当前共模信号。10.一种d类音频功率放大器，其特征在于，所述d类音频功率放大器包括权利要求5或6所述的共模电压动态调制电路。11.根据权利要求10所述的d类音频功率放大器，其特征在于，所述d类音频功率放大器还包括输出功放模块；所述输出功放模块的输入端与所述共模电压动态调制电路的输出端
连接。12.根据权利要求10所述的d类音频功率放大器，其特征在于，所述d类音频功率放大器还包括低通滤波器；所述低通滤波器与所述输出功放模块的输出端连接。13.根据权利要求10所述的d类音频功率放大器，其特征在于，所述共模电压动态调制电路还包括功放增益模块；所述功放增益模块的输入端与所述信号输入模块的输出端连接，所述功放增益模块的输出端与所述共模电压动态调整模块的输入端连接；所述输出功放模块的输出信号反馈至所述功放增益模块的输入端。

技术总结
本申请涉及一种共模电压动态调制电路、方法和D类音频功率放大器，该共模电压动态调制电路包括：信号输入端和共模电压动态调整模块；信号输入端，用于接收音频信号，并输出差分音频信号至共模电压动态调整模块；共模电压动态调整模块，用于根据预设的静态共模偏置和音频信号的摆幅的归一化处理结果，对差分音频信号的共模电压进行动态调整，得到当前共模电压。该电路可用在D类音频功率放大器中进行共模电压调，使PWM的占空比在没有音频输入时保持为一个较低，降低能耗，另外根据输入音频的幅度对共模电压进行调制，始终维持在一个所得即所需的状态，在中小功率时，可以将因电感纹波电流造成的损耗也会降低到最小。波电流造成的损耗也会降低到最小。波电流造成的损耗也会降低到最小。


技术研发人员：丁双喜
受保护的技术使用者：苏州至盛半导体科技有限公司
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/25