CN102694506A - 基于电脑usb电源供电和usb声卡整合的音频放大器*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，包括：检测保护电路、DC/DC电源、音频放大电路、电池充放电及过压保护电路、瞬态储能电容、USB声卡数字音频输入电路、前级放大电路，USB电源输入经检测保护电路分别与DC/DC电源及电池充放电及过压保护电路相连，USB声卡数字音频输入电路经前级放大电路输出到音量控制，由音量控制将音频信号输入到音频放大电路，电池充放电及过压保护电路输出端经DC/DC电源供电给音频放大电路，同时电池充放电及过压保护电路连接电池组。本发明通过增加电池储能，让同功率级别下的连续输出时间大幅延长，且保证原有瞬态输出时间的条件下大幅提升输出功率。

Description

基于电脑 USB 电源供电和 USB 声卡整合的音频放大器***

技术领域

本发明涉及音响领域，尤其涉及一种基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***。

背景技术

随着USB接口在电脑中的普及，多媒体播放设备***也越来越多，特别是直接使用USB声卡作为功放的输出，以替换电脑声卡。由于USB接口标准限定，其接口的输出电压为+5V，电流最大为500mA，即该接口所能输出的连续极限功率为2.5瓦，然而对于音乐播放***而言，一般的音乐信号输出的峰值（瞬态）不失真功率和其平均输出功率的比值在8：1左右，如1所示，一个能连续输出2.5W的功率源，能提供给音乐播放***大约最大20W左右的峰值功率，如何满足这样的条件呢？

现有的解决方案是将USB接口的+5V电源采用DC-DC变换，将电压提升至音频功率放大器***输出20W左右的电压条件，并采取电容储能的方式，在音乐信号的峰值时提供瞬态能量，而在音乐信号的低谷值时USB通过DC-DC对其补充能量。

上述方案解决了USB口低电压电源输出较大瞬态峰值功率的问题，但是由于储能电容不能无限制地加大，因此，持续输出大功率受到限制，尤其针对强度大的音乐信号时，存储在电容中的能量很快将被负载耗尽，但此时储能电容中的能量还来不及补充，因此总体的输出能量仍然被2.5瓦这个输入功率限制限制在很短的时间里，因此该方案输出瞬态功率约在20瓦量级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，通过增加电池储能，让同功率级别下的连续输出时间大幅延长，且保证原有瞬态输出时间的条件下大幅提升输出功率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，包括：检测保护电路、DC/DC电源、音频放大电路、电池充放电及过压保护电路、瞬态储能电容、USB声卡数字音频输入电路、前级放大电路，USB电源输入经检测保护电路分别与DC/DC电源及电池充放电及过压保护电路相连，USB声卡数字音频输入电路经前级放大电路输出到音量控制，由音量控制将音频信号输入到音频放大电路，电池充放电及过压保护电路输出端经DC/DC电源供电给音频放大电路，同时，电池充放电及过压保护电路连接电池组，以提供电池充电储能。

优选的，所述电池充放电及过压、低压保护电路，由集成芯片（U7）、充电控制芯片（U5）、放电控制芯片（U6）、电池组、继电器（J2）、电容C70及电阻R48组成，USB电源输出接继电器（J2）线圈供电，继电器（J2）控制端经电池组接充电控制芯片（U5）的第2脚，充电控制芯片（U5）的第5脚与集成芯片（U7）的第1脚相连，放电控制芯片（U6）第4脚与集成芯片（U7）的第3脚相连，集成芯片（U7）的第6脚与第5脚间并联电容C70且与充电控制芯片（U5）的第2脚相连，集成芯片（U7）的第2脚经电阻R48与放电控制芯片（U6）第6脚相连，集成芯片（U7）的第5脚经电阻R49接电源输出端（VCC），当USB接上电源时，电压给继电器供电，继电器（J2）吸合，电池电压与恒流源的电压一起给音频放大电路供电，保证在大功率和大动态时，有足够的电流和电压。

优选的，所述USB声卡数字音频输入电路包括集成电路（U2）晶振（Y1），所述前级放大电路包括第一运放(U3A)、第二运放（U3B）、电容C51~C54，当USB***电脑接口时，集成电路（U2）的***元件晶振（Y1）起振，集成电路（U2）的15脚和16脚输出模拟音频信号（L/R）分别到电容C51、C52，通过C51 C52耦合电容至第一运放(U3A)、第二运放（U3B）的前级放大后由C53 C54电容耦合到音量控制。

优选的，所述音频放大电路包括集成功率放大芯片（U4）、电容C71、C35，音量控制端将模拟信号（L/R）通过C35、C71耦合电容至集成功率放大芯片（U4）第6、第18脚，经集成功率放大芯片（U4）处理后输出信号到扬声器播放。

优选的，所述检测保护电路和DC/DC电源包括：集成芯片（U1）、电阻R4、R5、MOS管Q2、Q3，电子变压器(T1)、二极管D1、D4、D5，电脑USB电源输入经自恢复保险丝（F1），经过二极管D1给集成芯片（U1）提供工作电压，同时，经过由三极管Q1、R2 、R3组成的恒流源提供给电子变压器（T1）的中心抽头驱动电压，此时电子变压器工作，经过D4、 D5快速回复二极管整流出直流电压给集成功率放大芯片（U4）供电，同时在直流电压输出端（VDD）与电子变压器（T1）副边中心抽头间并联有瞬态储能电容C3，且副边中心抽头接地。

优选的，所述三极管Q1为晶体三极管。

优选的，所述集成芯片（U1）为内置振荡器的+4.5V至+15V推挽式电流馈电拓扑驱动器。

优选的，所述集成芯片（U1）采用热增强型8引脚µMAX®封装，工作在-40°C至+125°C温度范围内。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，将现有的储能单元由单一的电容改成电池和电容两者结合的方式，通过增加电池储能，让同功率级别下的连续输出时间大幅延长，且保证原有瞬态输出时间的条件下大幅提升输出功率。

附图说明

图1为功率、电源、音乐峰值功率及平均音乐功率的关系图。

图2为本发明音频放大器***原理框图。

图3为USB声卡数字音频输入电路原理图。

图4为前级放大电路原理图。

图5为音频放大电路原理图。

图6为电源输入检测保护电路及DC/DC电源原理图。

图7为电池充放电和过压、低压保护电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图2所示， 本发明提供的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，包括：检测保护电路1、DC/DC电源2、音频放大电路3、电池充放电及过压保护电路4、瞬态储能电容5、USB声卡数字音频输入电路6、前级放大电路7，USB电源输入经检测保护电路1分别与DC/DC电源2及电池充放电及过压保护电路4相连，DC/DC电源2输出端接音频放大电路3供电，USB声卡数字音频输入电路6经前级放大电路7输出到音量控制，由音量控制将音频信号输入到音频放大电路6，电池充放电及过压保护电路4输出端经DC/DC电源2供电给音频放大电路3，同时，电池充放电及过压保护电路4连接电池组，以提供电池充电储能。

由于音乐信号本身的瞬态输出和平均输出功率比值在8：1甚至更低，同时音乐信号有很多时间为空闲时间，因此USB接口提供的能量大部分的时间为电池充电，以满足大功率较长时间的高动态需求，在需要临时性的瞬态输出时通过电容来提供能量，连续瞬态最大输出功率时由电池辅助以提供输出更大的能量。

本发明中，USB声卡是直接读取电脑上的音频数据流，从而减少音频数据流的损失，同时采用USB电源供电，可以直接省去外置电源，降低成本；而且采用USB声卡也省去了信号线与电脑的连接，克服了传统的多媒体音响的功率低和音质不好等因素。

请参阅图3、4所示，USB声卡数字音频输入电路6由U2集成电路组成，当USB***电脑接口时，屏蔽电脑声卡，U2的***元件晶振（Y1）起振，U2具有16位精度和48KHz的最大采样率，并且还具有动态范围为89dB (典型值)的ADC和动态范围为93dB (典型值)的DAC。 U2内置防止非法拷贝(SCMS)的保护功能，并与12MHz片上时钟发生器全双工兼容。从U2的15脚和16脚输出模拟音频信号（L/R）分别到电容C51、C52，通过C51 C52耦合电容至U3A、U3B的前级放大后由C53 C54电容耦合到音量控制。

请参阅图5所示，音量控制端将模拟信号（L/R）通过C35、C71耦合电容至音频放大电路U4第6、第18脚，经U4处理后输出信号到扬声器播放。U4为集成功率放大芯片IC，功放声音更好，高频通透，解析力提高不少，低频更有力度。完备的喀嗒声抑制电路可有效降低关断和静音时的拾取噪声和输出噪声。优异的钳位恢复特性消除了D类放大器伪过载时产生的可闻噪声，还具有热保护和短路保护保证了芯片的可靠的工作。

请参阅图6所示，电脑USB电源输入5V/500mA经过自恢复保险丝F1，经过二极管D1给U1芯片提供工作电压，同时，经过由Q1、 R2 、R3组成的恒流源提供给电子变压器T1的中心抽头驱动电压。此时电子变压器工作，经过D4、 D5快速回复二极管整流出直流电压给音频放大IC（U4）供电。同时在直流电压输出端VDD与电子变压器T1副边中心抽头间并联有瞬态储能电容C3，且副边中心抽头接地。

上述U1是一款内置振荡器的+4.5V至+15V推挽式电流馈电拓扑驱动器子***，适用于电信模块电源。该器件可驱动与中心抽头变压器原边相连的两个MOSFET，为副边提供隔离的负电压或正电压。该器件内部集成可编程的精确振荡器，具有同步时钟输出，可用于同步外部PWM调节器。通过单个外部电阻编程设置内部振荡器频率，范围为50kHz至1.5MHz。U1内部集成有峰值驱动电流为±3A和占空比为50%的双MOSFET驱动器。该MOSFET驱动器产生互补信号来驱动以地为参考的外部n沟道MOSFET。U1时钟输出频率与MOSFET驱动器频率的比值有1倍、2倍和4倍三种。U1采用热增强型8引脚µMAX®封装，工作在-40°C至+125°C温度范围内。U1关键特性：1.电流馈电、推挽式驱动器子***。2.可编程、精确的内部振荡。3. +4.5V至+15V单电源 。4. 双路±3A栅极驱动输出。5. 在250kHz频率下，并且无容性负载时，工作电流为1mA。6. 同步时钟频率选择。7. 热增强型8引脚µMAXL封装。8. 工作温度范围为-40°C至+125°C。

上述恒流源是一种能向负载提供恒定电流之电路，它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以做为其有源负载，以提供放大倍数，并且在差动放大电路，脉冲产生电路得到了广泛的应用。然而对各种恒流电路对比、分析各自应用特点，可分为三类，1.晶体管恒流源。2.场效应管恒流源。3.集成运放恒流源，本发明采用了第一种，即晶体管恒流源。

上述自恢复保险丝F1是为了保护因后面电路出现异常而损坏前面的电源供给***。

请参阅图7所示，本发明电池充放电及过压、低压保护电路，由集成芯片（U7）、充电控制芯片（U5）、放电控制芯片（U6）、电池组、继电器（J2）、电容C70及电阻R48组成，USB电源输出接继电器（J2）线圈供电，继电器（J2）控制端经电池组接充电控制芯片（U5）的第2脚，充电控制芯片（U5）的第5脚与集成芯片（U7）的第1脚相连，放电控制芯片（U6）第4脚与集成芯片（U7）的第3脚相连，集成芯片（U7）的第6脚与第5脚间并联电容C70且与充电控制芯片（U5）的第2脚相连，集成芯片（U7）的第2脚经电阻R48与放电控制芯片（U6）第6脚相连，集成芯片（U7）的第5脚经电阻R49接电源输出端（VCC），当USB接上电源时，电压给继电器供电，继电器（J2）吸合，电池电压与恒流源的电压一起给音频放大电路供电，保证在大功率和大动态时，有足够的电流和电压。

U7是一款高精度的单节可充电锂电池的过充电和过放电保护电路，它集高精度过电压充电保护、过电流充电保护、过电压放电保护、过电流放电保护等性能于一身。正常状态下，U7 的第5脚VDD端电压在过电压充电保护阈值（VOC）和过电压放电保护阈值（VOD）之间，且其第6脚VSS检测端电压在过电流充电保护阈值（COUT）和过电流放电保护阈值（VOUT）之间，此时U7 的COUT端和DOUT端都输出高电平，分别使外接充电控制U5 和放电控制U6工作导通。这时，既可以使用充电器对电池充电，也可以通过负载使电池放电。U7通过检测VDD或VSS端电压来进行过充/放电保护。当充/放电保护条件发生时COUT/DOUT由高电平变为低电平，使图6中Q1/Q2 由导通变为截止，从而充/放电过程停止。U7对每种保护状态都有相应的恢复条件，当恢复条件满足以后，COUT/DOUT由低电平变为高电平，使U5/U6 由截止变为导通，从而进入正常状态。U7对每种保护/恢复条件都设置了一定的延迟时间，只有在保护/恢复条件持续到相应的时间以后，才进行相应的保护/恢复。如果保护/恢复条件在相应的延迟时间以前消除，则不进入保护/恢复状态。对于音乐而言，当音乐停止，功放几乎不消耗能量时，充电控制部分要将几乎全部的外界输入能量以最快的充电方式对充电电池充电，当有音乐功率输出时，但功率还小于从外界获取的能量，充电控制电路将剩余的能量同样存储于充电电池中，当有瞬态峰值功率到来，且瞬态峰值功率的持续时间在瞬态能量存储单元能承受的100mS以内，此时的电池组同样不会参与能量补充工作，在以上三种条件下，充电电池通过充电控制电路一直在存储能量（充电），直到充电电池存储的能量达到容量限制是才会停止；能量的释放（放电）也是智能的，通过设置一个放电启动阀值电平（V_STATE）和两个放电关闭阀值（V_{STOP_L}、V_{STOP_H}），也就是说一旦功放的供电电压因为输出的功率的增加而降低时，电池放电并不是立即就参与能量的补充，它的介入是在放电管理单元检测到功放电源跌落到了V_STATE时，电池组才对功放消耗的能量进行补充，停止放电阀值则取决于V_{STOP_L}和V_{STOP_H}，其中V_{STOP_H}是功放电源电压回升后的阀值电平，V_{STOP_L}则是电池组持续放电的最低极限阀值。该电路还加入了硬件保护电池，即使断开USB电源，电池的电量也是保存在饱满的状态，当USB接上电源时，+5V电压给继电器供电，J2吸合，电池电压与恒流源的电压一起给电子变压器T1中心抽头供电，保证在大功率和大动态时，有足够的电流和电压保证了T1的稳定工作，保证了在大动态的输出时，电流不够声音而停顿等现象。当拔出USB时，继电器J2跳开，保证了在断电的情况下电池处于饱满状态，而不会自动放电。这样也有助于提升本***中电池充放电的性能及寿命，通常瞬态能量储存单元也是电源变换输出和功放单元的电源滤波电容，改善电源纹波。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，包括：检测保护电路、DC/DC电源、音频放大电路、电池充放电及过压保护电路、瞬态储能电容、USB声卡数字音频输入电路、前级放大电路，USB电源输入经检测保护电路分别与DC/DC电源及电池充放电及过压保护电路相连，USB声卡数字音频输入电路经前级放大电路输出到音量控制，由音量控制将音频信号输入到音频放大电路，电池充放电及过压保护电路输出端经DC/DC电源供电给音频放大电路，同时，电池充放电及过压保护电路连接电池组，以提供电池充电储能。

2.如权利要求1所述的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，所述电池充放电及过压、低压保护电路，由集成芯片（U7）、充电控制芯片（U5）、放电控制芯片（U6）、电池组、继电器（J2）、电容C70及电阻R48组成，USB电源输出接继电器（J2）线圈供电，继电器（J2）控制端经电池组接充电控制芯片（U5）的第2脚，充电控制芯片（U5）的第5脚与集成芯片（U7）的第1脚相连，放电控制芯片（U6）第4脚与集成芯片（U7）的第3脚相连，集成芯片（U7）的第6脚与第5脚间并联电容C70且与充电控制芯片（U5）的第2脚相连，集成芯片（U7）的第2脚经电阻R48与放电控制芯片（U6）第6脚相连，集成芯片（U7）的第5脚经电阻R49接电源输出端（VCC），当USB接上电源时，电压给继电器供电，继电器（J2）吸合，电池电压与恒流源的电压一起给音频放大电路供电，保证在大功率和大动态时，有足够的电流和电压。

3.如权利要求2所述的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，所述USB声卡数字音频输入电路包括集成电路（U2）晶振（Y1），所述前级放大电路包括第一运放(U3A)、第二运放（U3B）、电容C51~C54，当USB***电脑接口时，集成电路（U2）的***元件晶振（Y1）起振，集成电路（U2）的15脚和16脚输出模拟音频信号（L/R）分别到电容C51、C52，通过C51、C52耦合电容至第一运放(U3A)、第二运放（U3B）的前级放大后由C53、C54电容耦合到音量控制。

4.如权利要求3所述的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，所述音频放大电路包括集成功率放大芯片（U4）、电容C71、C35，音量控制端将模拟信号（L/R）通过C35、C71耦合电容至集成功率放大芯片（U4）第6、第18脚，经集成功率放大芯片（U4）处理后输出信号到扬声器播放。

5.如权利要求4所述的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，所述检测保护电路和DC/DC电源包括：集成芯片（U1）、电阻R4、R5、MOS管Q2、Q3，电子变压器(T1)、二极管D1、D4、D5，电脑USB电源输入经自恢复保险丝（F1），经过二极管D1给集成芯片（U1）提供工作电压，同时，经过由三极管Q1、R2 、R3组成的恒流源提供给电子变压器（T1）的中心抽头驱动电压，此时电子变压器工作，经过D4、 D5快速回复二极管整流出直流电压给集成功率放大芯片（U4）供电，同时在直流电压输出端（VDD）与电子变压器（T1）副边中心抽头间并联有瞬态储能电容C3，且副边中心抽头接地。

6.如权利要求5所述的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，所述三极管Q1为晶体三极管。

7.如权利要求5所述的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，所述集成芯片（U1）为内置振荡器的+4.5V至+15V推挽式电流馈电拓扑驱动器。

8.如权利要求5所述的基于电脑USB电源供电和USB声卡整合的音频放大器***，其特征在于，所述集成芯片（U1）采用热增强型8引脚µMAX®封装，工作在-40°C至+125°C温度范围内。

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