專利名稱：基于電腦usb電源供電和usb聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及音響領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著USB接口在電腦中的普及，多媒體播放設(shè)備系統(tǒng)也越來越多，特別是直接使用USB聲卡作為功放的輸出，以替換電腦聲卡。由于USB接口標(biāo)準(zhǔn)限定，其接口的輸出電壓為+5V，電流最大為500mA，即該接口所能輸出的連續(xù)極限功率為2. 5瓦，然而對于音樂播放系統(tǒng)而言，一般的音樂信號輸出的峰值(瞬態(tài))不失真功率和其平均輸出功率的比值在8 :1左右，如I所示，一個能連續(xù)輸出2. 5W的功率源，能提供給音樂播放系統(tǒng)大約最大20W左右的峰值功率，如何滿足這樣的條件呢？ 現(xiàn)有的解決方案是將USB接口的+5V電源采用DC-DC變換，將電壓提升至音頻功率放大器系統(tǒng)輸出20W左右的電壓條件,并米取電容儲能的方式，在音樂信號的峰值時提供瞬態(tài)能量，而在音樂信號的低谷值時USB通過DC-DC對其補充能量。上述方案解決了 USB 口低電壓電源輸出較大瞬態(tài)峰值功率的問題，但是由于儲能電容不能無限制地加大，因此，持續(xù)輸出大功率受到限制，尤其針對強度大的音樂信號時，存儲在電容中的能量很快將被負(fù)載耗盡，但此時儲能電容中的能量還來不及補充，因此總體的輸出能量仍然被2. 5瓦這個輸入功率限制限制在很短的時間里，因此該方案輸出瞬態(tài)功率約在20瓦量級。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，通過增加電池儲能，讓同功率級別下的連續(xù)輸出時間大幅延長，且保證原有瞬態(tài)輸出時間的條件下大幅提升輸出功率。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的?！N基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng),包括檢測保護電路、DC/DC電源、音頻放大電路、電池充放電及過壓保護電路、瞬態(tài)儲能電容、USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路、前級放大電路，USB電源輸入經(jīng)檢測保護電路分別與DC/DC電源及電池充放電及過壓保護電路相連，USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路經(jīng)前級放大電路輸出到音量控制，由音量控制將音頻信號輸入到音頻放大電路，電池充放電及過壓保護電路輸出端經(jīng)DC/DC電源供電給音頻放大電路，同時，電池充放電及過壓保護電路連接電池組，以提供電池充電儲倉泛。優(yōu)選的，所述電池充放電及過壓、低壓保護電路，由集成芯片(U7)、充電控制芯片(U5)、放電控制芯片(U6)、電池組、繼電器(J2)、電容C70及電阻R48組成，USB電源輸出接繼電器(J2 )線圈供電，繼電器(J2 )控制端經(jīng)電池組接充電控制芯片(U5 )的第2腳，充電控制芯片(U5)的第5腳與集成芯片(U7)的第I腳相連，放電控制芯片(U6)第4腳與集成芯片(U7)的第3腳相連，集成芯片(U7)的第6腳與第5腳間并聯(lián)電容C70且與充電控制芯片(U5)的第2腳相連，集成芯片(U7)的第2腳經(jīng)電阻R48與放電控制芯片(U6)第6腳相連，集成芯片(U7)的第5腳經(jīng)電阻R49接電源輸出端(VCC)，當(dāng)USB接上電源時，電壓給繼電器供電，繼電器(J2)吸合，電池電壓與恒流源的電壓一起給音頻放大電路供電，保證在大功率和大動態(tài)時，有足夠的電流和電壓。優(yōu)選的，所述USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路包括集成電路(U2)晶振(Y1)，所述前級放大電路包括第一運放(U3A)、第二運放(U3B )、電容C5 f C54，當(dāng)USB插入電腦接口時，集成電路(U2)的外圍元件晶振(Yl)起振，集成電路(U2)的15腳和16腳輸出模擬音頻信號(L/R)分別到電容C51、C52，通過C51 C52耦合電容至第一運放(U3A)、第二運放(U3B)的前級放大后由C53 C54電容耦合到音量控制。優(yōu)選的，所述音頻放大電路包括集成功率放大芯片(U4)、電容C71、C35，音量 控制端將模擬信號(L/R)通過C35、C71耦合電容至集成功率放大芯片(U4)第6、第18腳，經(jīng)集成功率放大芯片(U4)處理后輸出信號到揚聲器播放。優(yōu)選的，所述檢測保護電路和DC/DC電源包括集成芯片(U1)、電阻R4、R5、M0S管Q2、Q3，電子變壓器(Tl)、二極管Dl、D4、D5，電腦USB電源輸入經(jīng)自恢復(fù)保險絲(Fl )，經(jīng)過二極管Dl給集成芯片(Ul)提供工作電壓，同時，經(jīng)過由三極管Q1、R2、R3組成的恒流源提供給電子變壓器(Tl)的中心抽頭驅(qū)動電壓，此時電子變壓器工作，經(jīng)過D4、D5快速回復(fù)二極管整流出直流電壓給集成功率放大芯片(U4)供電，同時在直流電壓輸出端(VDD)與電子變壓器(TI)副邊中心抽頭間并聯(lián)有瞬態(tài)儲能電容C3，且副邊中心抽頭接地。優(yōu)選的，所述三極管Ql為晶體三極管。優(yōu)選的，所述集成芯片(Ul)為內(nèi)置振蕩器的+4. 5V至+15V推挽式電流饋電拓?fù)潋?qū)動器。優(yōu)選的，所述集成芯片(Ul)采用熱增強型8引腳μΜΑΧ 封裝，工作在_40° C至+125° C溫度范圍內(nèi)。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于本實用新型提供的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，將現(xiàn)有的儲能單元由單一的電容改成電池和電容兩者結(jié)合的方式，通過增加電池儲能，讓同功率級別下的連續(xù)輸出時間大幅延長，且保證原有瞬態(tài)輸出時間的條件下大幅提升輸出功率。

圖I為功率、電源、音樂峰值功率及平均音樂功率的關(guān)系圖。圖2為本實用新型音頻放大器系統(tǒng)原理框圖。圖3為USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路原理圖。圖4為前級放大電路原理圖。圖5為音頻放大電路原理圖。圖6為電源輸入檢測保護電路及DC/DC電源原理圖。圖7為電池充放電和過壓、低壓保護電路原理圖。
具體實施方式
[0023]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。請參閱圖2所示，本實用新型提供的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，包括檢測保護電路1、DC/DC電源2、音頻放大電路3、電池充放電及過壓保護電路4、瞬態(tài)儲能電容5、USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路6、前級放大電路7，USB電源輸入經(jīng)檢測保護電路I分別與DC/DC電源2及電池充放電及過壓保護電路4相連，DC/DC電源2輸出端接音頻放大電路3供電，USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路6經(jīng)前級放大電路7輸出到音量控制，由音量控制將音頻信號輸入到音頻放大電路6，電池充放電及過壓保護電路4輸出端經(jīng)DC/DC電源2供電給音頻放大電路3，同時，電池充放電及過壓保護電路4連接電池組，以提供電池充電儲能。由于音樂信號本身的瞬態(tài)輸出和平均輸出功率比值在8 1甚至更低，同時音樂信號有很多時間為空閑時間，因此USB接口提供的能量大部分的時間為電池充電，以滿足大功率較長時間的高動態(tài)需求，在需要臨時性的瞬態(tài)輸出時通過電容來提供能量，連續(xù)瞬態(tài)最大輸出功率時由電池輔助以提供輸出更大的能量。·本實用新型中，USB聲卡是直接讀取電腦上的音頻數(shù)據(jù)流，從而減少音頻數(shù)據(jù)流的損失，同時采用USB電源供電，可以直接省去外置電源，降低成本；而且采用USB聲卡也省去了信號線與電腦的連接，克服了傳統(tǒng)的多媒體音響的功率低和音質(zhì)不好等因素。請參閱圖3、4所示，USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路6由U2集成電路組成，當(dāng)USB插入電腦接口時，屏蔽電腦聲卡，U2的外圍元件晶振(Yl)起振，U2具有16位精度和48KHz的最大采樣率，并且還具有動態(tài)范圍為89dB (典型值)的ADC和動態(tài)范圍為93dB (典型值)的DAC。 U2內(nèi)置防止非法拷貝(SCMS)的保護功能，并與12MHz片上時鐘發(fā)生器全雙工兼容。從U2的15腳和16腳輸出模擬音頻信號(L/R)分別到電容C51、C52，通過C51 C52耦合電容至U3A、U3B的前級放大后由C53 C54電容耦合到音量控制。請參閱圖5所示，音量控制端將模擬信號(L/R)通過C35、C71耦合電容至音頻放大電路U4第6、第18腳，經(jīng)U4處理后輸出信號到揚聲器播放。U4為集成功率放大芯片1C，功放聲音更好，高頻通透，解析力提高不少，低頻更有力度。完備的喀嗒聲抑制電路可有效降低關(guān)斷和靜音時的拾取噪聲和輸出噪聲。優(yōu)異的鉗位恢復(fù)特性消除了 D類放大器偽過載時產(chǎn)生的可聞噪聲，還具有熱保護和短路保護保證了芯片的可靠的工作。請參閱圖6所示，電腦USB電源輸入5V/500mA經(jīng)過自恢復(fù)保險絲Fl,經(jīng)過二極管Dl給Ul芯片提供工作電壓，同時，經(jīng)過由Ql、R2、R3組成的恒流源提供給電子變壓器Tl的中心抽頭驅(qū)動電壓。此時電子變壓器工作，經(jīng)過D4、D5快速回復(fù)二極管整流出直流電壓給音頻放大IC (U4)供電。同時在直流電壓輸出端VDD與電子變壓器Tl副邊中心抽頭間并聯(lián)有瞬態(tài)儲能電容C3，且副邊中心抽頭接地。上述Ul是一款內(nèi)置振蕩器的+4. 5V至+15V推挽式電流饋電拓?fù)潋?qū)動器子系統(tǒng)，適用于電信模塊電源。該器件可驅(qū)動與中心抽頭變壓器原邊相連的兩個M0SFET，為副邊提供隔離的負(fù)電壓或正電壓。該器件內(nèi)部集成可編程的精確振蕩器，具有同步時鐘輸出，可用于同步外部PWM調(diào)節(jié)器。通過單個外部電阻編程設(shè)置內(nèi)部振蕩器頻率，范圍為50kHz至I. 5MHz。Ul內(nèi)部集成有峰值驅(qū)動電流為±3A和占空比為50%的雙MOSFET驅(qū)動器。該MOSFET驅(qū)動器產(chǎn)生互補信號來驅(qū)動以地為參考的外部η溝道MOSFET。Ul時鐘輸出頻率與MOSFET驅(qū)動器頻率的比值有I倍、2倍和4倍三種。Ul采用熱增強型8引腳μΜΑΧ 封裝，工作在-40° C至+125° C溫度范圍內(nèi)。Ul關(guān)鍵特性1.電流饋電、推挽式驅(qū)動器子系統(tǒng)。
2.可編程、精確的內(nèi)部振蕩。3. +4. 5V至+15V單電源。4.雙路±3A柵極驅(qū)動輸出。5.在250kHz頻率下，并且無容性負(fù)載時，工作電流為1mA。6.同步時鐘頻率選擇。7.熱增強型8弓丨腳PMAXL封裝。8.工作溫度范圍為-40° C至+125° C。 上述恒流源是一種能向負(fù)載提供恒定電流之電路，它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點，又可以做為其有源負(fù)載，以提供放大倍數(shù)，并且在差動放大電路，脈沖產(chǎn)生電路得到了廣泛的應(yīng)用。然而對各種恒流電路對比、分析各自應(yīng)用特點，可分為三類，I.晶體管恒流源。2.場效應(yīng)管恒流源。3.集成運放恒流源，本實用新型采用了第一種，即晶體管恒流源。上述自恢復(fù)保險絲Fl是為了保護因后面電路出現(xiàn)異常而損壞前面的電源供給系統(tǒng)。 請參閱圖7所示，本實用新型電池充放電及過壓、低壓保護電路，由集成芯片(U7)、充電控制芯片(U5)、放電控制芯片(U6)、電池組、繼電器(J2)、電容C70及電阻R48組成，USB電源輸出接繼電器(J2)線圈供電，繼電器(J2)控制端經(jīng)電池組接充電控制芯片(U5)的第2腳，充電控制芯片(U5)的第5腳與集成芯片(U7)的第I腳相連，放電控制芯片(U6)第4腳與集成芯片(U7)的第3腳相連，集成芯片(U7)的第6腳與第5腳間并聯(lián)電容C70且與充電控制芯片(U5)的第2腳相連，集成芯片(U7)的第2腳經(jīng)電阻R48與放電控制芯片(U6)第6腳相連，集成芯片(U7)的第5腳經(jīng)電阻R49接電源輸出端(VCC)，當(dāng)USB接上電源時，電壓給繼電器供電，繼電器(J2)吸合，電池電壓與恒流源的電壓一起給音頻放大電路供電，保證在大功率和大動態(tài)時，有足夠的電流和電壓。U7是一款高精度的單節(jié)可充電鋰電池的過充電和過放電保護電路，它集高精度過電壓充電保護、過電流充電保護、過電壓放電保護、過電流放電保護等性能于一身。正常狀態(tài)下，U7的第5腳VDD端電壓在過電壓充電保護閾值(VOC)和過電壓放電保護閾值(VOD)之間，且其第6腳VSS檢測端電壓在過電流充電保護閾值(COUT)和過電流放電保護閾值(VOUT)之間，此時U7的COUT端和DOUT端都輸出高電平，分別使外接充電控制U5和放電控制U6工作導(dǎo)通。這時，既可以使用充電器對電池充電，也可以通過負(fù)載使電池放電。U7通過檢測VDD或VSS端電壓來進行過充/放電保護。當(dāng)充/放電保護條件發(fā)生時C0UT/D0UT由高電平變?yōu)榈碗娖剑箞D6中Q1/Q2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，從而?放電過程停止。U7對每種保護狀態(tài)都有相應(yīng)的恢復(fù)條件，當(dāng)恢復(fù)條件滿足以后，C0UT/D0UT由低電平變?yōu)楦唠娖剑筓5/U6由截止變?yōu)閷?dǎo)通，從而進入正常狀態(tài)。U7對每種保護/恢復(fù)條件都設(shè)置了一定的延遲時間，只有在保護/恢復(fù)條件持續(xù)到相應(yīng)的時間以后，才進行相應(yīng)的保護/恢復(fù)。如果保護/恢復(fù)條件在相應(yīng)的延遲時間以前消除，則不進入保護/恢復(fù)狀態(tài)。對于音樂而言，當(dāng)音樂停止，功放幾乎不消耗能量時，充電控制部分要將幾乎全部的外界輸入能量以最快的充電方式對充電電池充電，當(dāng)有音樂功率輸出時，但功率還小于從外界獲取的能量，充電控制電路將剩余的能量同樣存儲于充電電池中，當(dāng)有瞬態(tài)峰值功率到來，且瞬態(tài)峰值功率的持續(xù)時間在瞬態(tài)能量存儲單元能承受的IOOmS以內(nèi)，此時的電池組同樣不會參與能量補充工作，在以上三種條件下，充電電池通過充電控制電路一直在存儲能量(充電)，直到充電電池存儲的能量達到容量限制是才會停止；能量的釋放(放電)也是智能的，通過設(shè)置一個放電啟動閥值電平(Vstate)和兩個放電關(guān)閉閥值(VST^、VSTOP—H)，也就是說一旦功放的供電電壓因為輸出的功率的增加而降低時，電池放電并不是立即就參與能量的補充，它的介入是在放電管理單元檢測到功放電源跌落到了 Vstate時，電池組才對功放消耗的能量進行補充，停止放電閥值則取決于VSTOPj和Vstcp h,其中Vstcp h是功放電源電壓回升后的閥值電平，Vstop l則是電池組持續(xù)放電的最低極限閥值。該電路還加入了硬件保護電池，即使斷開USB電源，電池的電量也是保存在飽滿的狀態(tài)，當(dāng)USB接上電源時，+5V電壓給繼電器供電，J2吸合，電池電壓與恒流源的電壓一起給電子變壓器Tl中心抽頭供電，保證在大功率和大動態(tài)時，有足夠的電流和電壓保證了 Tl的穩(wěn)定工作，保證了在大動態(tài)的輸出時，電流不夠聲音而停頓等現(xiàn)象。當(dāng)拔出USB時，繼電器J2跳開，保證了在斷電的情況下電池處于飽滿狀態(tài)，而不會自動放電。這樣也有助于提升本系統(tǒng)中電池充放電的性能及壽命，通常瞬態(tài)能量儲存單元也是電源變換輸出和功放單元的電源濾波電容，改善電源紋波。 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本
實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng),其特征在于,包括檢測保護電路、DC/DC電源、音頻放大電路、電池充放電及過壓保護電路、瞬態(tài)儲能電容、USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路、前級放大電路，USB電源輸入經(jīng)檢測保護電路分別與DC/DC電源及電池充放電及過壓保護電路相連，USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路經(jīng)前級放大電路輸出到音量控制，由音量控制將音頻信號輸入到音頻放大電路，電池充放電及過壓保護電路輸出端經(jīng)DC/DC電源供電給音頻放大電路，同時，電池充放電及過壓保護電路連接電池組，以提供電池充電儲能。
2.如權(quán)利要求I所述的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述電池充放電及過壓、低壓保護電路，由集成芯片(U7)、充電控制芯片(U5)、放電控制芯片(U6)、電池組、繼電器(J2)、電容C70及電阻R48組成，USB電源輸出接繼電器(J2 )線圈供電，繼電器(J2 )控制端經(jīng)電池組接充電控制芯片(U5 )的第2腳，充電控制芯片(U5)的第5腳與集成芯片(U7)的第I腳相連，放電控制芯片(U6)第4腳與集成芯片(U7)的第3腳相連，集成芯片(U7)的第6腳與第5腳間并聯(lián)電容C70且與充電控制芯片(U5)的第2腳相連，集成芯片(U7)的第2腳經(jīng)電阻R48與放電控制芯片(U6)第6腳相連，集成芯片(U7 )的第5腳經(jīng)電阻R49接電源輸出端(VCC)，當(dāng)USB接上電源時，電壓給繼電器供電，繼電器(J2)吸合，電池電壓與恒流源的電壓一起給音頻放大電路供電，保證在大功率和大動態(tài)時，有足夠的電流和電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路包括集成電路(U2)晶振(Y1)，所述前級放大電路包括第一運放(U3A)、第二運放(U3B)、電容C5fC54，當(dāng)USB插入電腦接口時，集成電路(U2)的外圍元件晶振(Yl)起振，集成電路(U2)的15腳和16腳輸出模擬音頻信號(L/R)分別到電容C51、C52，通過C51、C52耦合電容至第一運放(U3A)、第二運放(U3B)的前級放大后由C53、C54電容耦合到音量控制。
4.如權(quán)利要求3所述的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述音頻放大電路包括集成功率放大芯片(U4)、電容C71、C35，音量控制端將模擬信號(L/R)通過C35、C71耦合電容至集成功率放大芯片(U4)第6、第18腳，經(jīng)集成功率放大芯片(U4)處理后輸出信號到揚聲器播放。
5.如權(quán)利要求4所述的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測保護電路和DC/DC電源包括集成芯片(U1)、電阻R4、R5、M0S管Q2、Q3，電子變壓器(Tl)、二極管Dl、D4、D5，電腦USB電源輸入經(jīng)自恢復(fù)保險絲(Fl )，經(jīng)過二極管Dl給集成芯片(Ul)提供工作電壓，同時，經(jīng)過由三極管Q1、R2、R3組成的恒流源提供給電子變壓器(Tl)的中心抽頭驅(qū)動電壓，此時電子變壓器工作，經(jīng)過D4、D5快速回復(fù)二極管整流出直流電壓給集成功率放大芯片(U4)供電，同時在直流電壓輸出端(VDD)與電子變壓器(Tl)副邊中心抽頭間并聯(lián)有瞬態(tài)儲能電容C3，且副邊中心抽頭接地。
6.如權(quán)利要求5所述的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述三極管Ql為晶體三極管。
7.如權(quán)利要求5所述的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述集成芯片(Ul)為內(nèi)置振蕩器的+4. 5V至+15V推挽式電流饋電拓?fù)潋?qū)動器。
8.如權(quán)利要求5所述的基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述集成芯片(Ul)采用熱增強型8引腳μΜΑΧ 封裝，工作在-40° C至+125° C 溫度范圍內(nèi)。
專利摘要本實用新型提供了一種基于電腦USB電源供電和USB聲卡整合的音頻放大器系統(tǒng)，包括檢測保護電路、DC/DC電源、音頻放大電路、電池充放電及過壓保護電路、瞬態(tài)儲能電容、USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路、前級放大電路，USB電源輸入經(jīng)檢測保護電路分別與DC/DC電源及電池充放電及過壓保護電路相連，USB聲卡數(shù)字音頻輸入電路經(jīng)前級放大電路輸出到音量控制，由音量控制將音頻信號輸入到音頻放大電路，電池充放電及過壓保護電路輸出端經(jīng)DC/DC電源供電給音頻放大電路，同時電池充放電及過壓保護電路連接電池組。本實用新型通過增加電池儲能，讓同功率級別下的連續(xù)輸出時間大幅延長，且保證原有瞬態(tài)輸出時間的條件下大幅提升輸出功率。
文檔編號H03F1/02GK202696541SQ20122026335
公開日2013年1月23日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者沈紫輝, 施明華, 黎剛 申請人:國光電器股份有限公司