本發(fā)明涉及數(shù)字功放領(lǐng)域，特別涉及一種單級變化的數(shù)字功放。

背景技術(shù)：

音箱用的數(shù)字功放,通常由開關(guān)電源模塊和數(shù)字功放模塊兩部分組成,長期以來,非常多的科技人員在研究一個課題,即用聲頻信號去調(diào)制開關(guān)電源模塊,開關(guān)電源不再輸出直流電壓,而直接輸出放大的聲頻信號,進而免去數(shù)字功放模塊,但是幾十年來在此領(lǐng)域的研究收效甚微。2004年丹麥技術(shù)大學(xué)的索倫和米迦勒先生公開的論文《單級變換的音頻功放和直流交流變換器的高性能、低復(fù)雜度的控制方案》(簡稱《方案》)較早實現(xiàn)了上述課題，但是真實電路卻異常復(fù)雜，每個電子開關(guān)的實際電路由多個元件的電路模塊構(gòu)成，單刀雙擲電子開關(guān)的元件幾乎翻倍，所以整機電路的元件數(shù)量非常多。2016年，由美籍華人陳學(xué)健先生提出的ssa功放(單級式高效聲頻逆變器)，其功放基本原理與《方案》中功放原理相比具有異曲同工之妙，且ssa功放增加了電路單元，因此其造成了電路更為復(fù)雜的問題。

現(xiàn)發(fā)明人在此領(lǐng)域探索分析，提出一種既高效單級變換，又簡單穩(wěn)定的電路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種電路簡單，高效單級變化的開關(guān)電源數(shù)字功放。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種單級變換的數(shù)字功放,包括開關(guān)電源電路、能量回收電路及揚聲器，所述開關(guān)電源電路包括相互串聯(lián)的k1與k2，及相互串聯(lián)的電容c1與c2，高頻變壓器t1，整流二極管d1與d2，及電感l(wèi)1、電容c3、電解電容c4；所述能量回收電路包括k3、電感l(wèi)2及續(xù)流二極管d3；

其中k1與電容c1的一端連接電源e3的正極，k2與電容c2的一端連接電源e3的負(fù)極且接地；高頻變壓器t1的初級一頭連接于k1與k2之間，初級的另一頭連接于電容c1與c2之間；次級的一頭與整流二極管d1的一端連接，另一頭與整流二極管d2的一端連接，次級中心點接地；整流二極管d1的另一端與整流二極管d2的另一端相連并連接于電感l(wèi)1的一端，電感l(wèi)1的另一端與電容c3的一端及c4均相連，電容c3的另一端接地，c4的另一端連接揚聲器；

k3的一端連接于整流二極管d1與d2所形成的連接點和電感l(wèi)1之間，另一端接地，電感l(wèi)2耦合與l1的一側(cè)構(gòu)成變壓器結(jié)構(gòu)，l2的一端接地，另一端通過續(xù)流二極管d3與電源e3正極相連。

本發(fā)明提供的單級變換的數(shù)字功放，通過高頻變壓器次級進行橋式整流后獲得單極性的pwm功率信號，在經(jīng)過l1與c3濾波后將聲頻還原出來，再通過電解電容c4濾除直流，但由于此電流方向時單向的，而揚聲器為交流負(fù)載，因此增加一個能量回收電路；原來開關(guān)電源電路輸出整流濾波后給揚聲器提供聲頻信號的波形上升階段能量，電流是正向的，增加的能量回收電路則提供聲頻信號的波形下降階段能量，電流是反向的，從而可以形成單極性的功放。本發(fā)明提供的單級變換的數(shù)字功放電路結(jié)構(gòu)簡單，且其信號穩(wěn)定，且能實現(xiàn)高效變換。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為一種單級變換的數(shù)字功放電子線路圖；

圖2為pwm(雙極性)、apwm、單極性pwm的信號圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

參見圖1，一種單級變換的數(shù)字功放,包括開關(guān)電源電路、能量回收電路及揚聲器，所述開關(guān)電源電路包括相互串聯(lián)的k1與k2，及相互串聯(lián)的電容c1與c2，高頻變壓器t1，整流二極管d1與d2，及電感l(wèi)1、電容c3、電解電容c4；所述能量回收電路包括k3、電感l(wèi)2及續(xù)流二極管d3；其中高頻變壓器t1用于隔離電網(wǎng)；電感l(wèi)1與電容c3構(gòu)成濾波器，用于濾除無關(guān)頻率還原音頻信號；電解電容c4用于隔離直流信號。

其中k1與電容c1的一端連接電源e3的正極，k2與電容c2的一端連接電源e3的負(fù)極且接地；高頻變壓器t1的初級一頭連接于k1與k2之間，初級的另一頭連接于電容c1與c2之間；次級的一頭與整流二極管d1的一端連接，另一頭與整流二極管d2的一端連接，次級中心點接地；整流二極管d1的另一端與整流二極管d2的另一端相連并連接于電感l(wèi)1的一端，電感l(wèi)1的另一端與電容c3的一端及c4均相連，電容c3的另一端接地，c4的另一端連接揚聲器；

k3的一端連接于整流二極管d1與d2所形成的連接點和電感l(wèi)1之間，另一端接地，電感l(wèi)2耦合與l1的一側(cè)構(gòu)成變壓器結(jié)構(gòu)，l2的一端接地，另一端通過續(xù)流二極管d3與電源e3正極相連。

優(yōu)選的，設(shè)定電源e3的電壓值為ve3，當(dāng)k3導(dǎo)通，電感l(wèi)1與k3的連接點的電壓峰值為vop，電容c3與電感l(wèi)1的連接點的的電壓值為vo’,經(jīng)過電解電容c4濾除直流后的電壓值為vo，l1與l2的匝數(shù)分別為tl1與tl2，電感l(wèi)1與l2兩端的電壓分別為vl1與vl2，則設(shè)定值vop<ve3*tl2/tl1；vl2＝vop*tl1/tl2且vl2(max)＝ve3。在考慮電路的設(shè)計時，vop是由于k3導(dǎo)通，c3放電而突然上升的峰值，因此在l1兩端形成瞬態(tài)電壓vl1越低越好，vop設(shè)計值與tl1/tl2的比值乘積需小于ve3，，才能保證電路不會直接形成正向回路導(dǎo)致短路。

請參見圖2，優(yōu)選的，所述電源e3提供給高頻變壓器t1的信號為正負(fù)交替的脈沖寬度調(diào)制信號(alternatingpulsewidthmodulation，簡稱為apwm)，現(xiàn)有的常見的開關(guān)電源集成電路如sg3525、tl494都能配合實現(xiàn)apwm輸出。在圖2中，圖a中虛線代表聲頻正弦信號，相對于開關(guān)頻率而言頻率很低，難以通過高頻變壓器，因此將送給高頻變壓器t1的pwm功率信號變換成正負(fù)交替的脈沖寬度調(diào)制信號如b所示，apwm在高頻變壓器次級進行全波或橋式整流后立即變成單極性的pwm功率信號，如圖c中所示。

本發(fā)明的工作原理為apwm信號經(jīng)高頻變壓器傳送到次級后，正極性脈沖由整流二極管d1整流，負(fù)極性脈沖由d2整流，然而正極性脈沖與負(fù)極性脈沖之間有一段截止時間，此時d1與d2都不導(dǎo)通，因此在電路中增加元件k3，邏輯上設(shè)定為d1、d2都不導(dǎo)通時k3導(dǎo)通，亦即提供聲頻信號的波形下降階段能量通路。但是由于增加元件k3后，k3導(dǎo)通時，電容c3上的直流電壓通過電感l(wèi)1和k3形成對地電流，當(dāng)k3關(guān)斷時l1內(nèi)部的電流不能突變，于是會感應(yīng)出一個非常高的電壓，甚至可以擊穿d1、d2或k3。因此又在電路中增加電感l(wèi)2和d3，使得l1與l2形成變壓器結(jié)構(gòu)，l1兩端的電壓按照匝數(shù)比tl1/tl2耦合到l2，當(dāng)l1因k3關(guān)斷而在兩端感應(yīng)出的電壓超過一定值時，l2兩端的電壓會超過電源電源電壓ve3，此時d3導(dǎo)通，將l1內(nèi)部的能量回灌到e3，從而牽制住了l1的感應(yīng)電壓。本發(fā)明中帶有一個隔直電容，若考慮對聲頻中的低頻的影響。例如設(shè)計大功率功放和逆變器時，可設(shè)計成橋接輸出等辦法來取消掉隔直電容。

本發(fā)明提供的單級變換的數(shù)字功放，其采用的電子電路結(jié)構(gòu)簡單，且電子元器件均為常見的元器件，相比于傳統(tǒng)的功放，其減少了功放電路，從而可以大大的縮減成本，而相比于《方案》中電路，本發(fā)明所使用的電子電路更為簡單。其可以提供穩(wěn)定的高效的單級變換。通常開關(guān)電源電路與數(shù)字功放電路成本接近，因此采用本方案幾乎可以省去一般的電路以及成本，同時另產(chǎn)品的可靠性增加，由于電路板面積減小，故整機體積也相應(yīng)的減小，因此更適用于便攜和有源音箱。

通常開關(guān)電源電路的電能轉(zhuǎn)換效率在90％左右，數(shù)字功放電路的電能轉(zhuǎn)換效率在95％左右。效率不同的主要原因是，開關(guān)電源電路輸出端為濾波電容，瞬間充電電流令功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗增加(還令電磁輻射增加。但軟開關(guān)除外)，而數(shù)字功放輸出的端為濾波電感，瞬間電流小很多。因此到具體產(chǎn)品，普通產(chǎn)品整機效率往往為80％多，而本解決方案產(chǎn)品的電能轉(zhuǎn)換效率在95％左右，功率損耗降低了一倍多，對電池供電設(shè)備很有意義，且能為國家節(jié)省大量能源。另外apwm的頻率為輸出pwm頻率的一半，這為提高電能轉(zhuǎn)換效率和降低電磁輻射起到了作用。

本發(fā)明提供的解決方案可廣泛應(yīng)用在各種聲頻功放場合，例如hifi功放、專業(yè)功放等。由于輸出電壓可由功率變壓器次級自由調(diào)整，因此還容易設(shè)計成高壓輸出的廣播功放。在3.7v、12v、24v等直流供電的條件下，可直接輸出高壓，故而在便攜式音響、車載音響、拉桿音響、含直流應(yīng)急供電的音響等領(lǐng)域適合使用。本解決方案對需要輸出正弦功率的電源逆變器也非常適用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。