專利名稱：保護電動態換能器免受熱過載的方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及電動態換能器及包括所述電動態換能器的設備及保護此類設備的方法。
背景技術：
用于緊湊型及便攜式裝置中的揚聲器需要可導致次優的音質及音量的顯著設計折衷。用于緊湊型裝置(例如，蜂窩式電話、電子板、膝上型計算機、PDA(個人數字助理)、媒體播放器等等)中的揚聲器通常較小。因此，所述揚聲器的敏感度可能較低且所述揚聲器上的隔膜可具有有限范圍的運動。通常使揚聲器過驅動以獲得聽到來自所述揚聲器的音
頻信號所需的音量。使揚聲器過驅動可因為過驅動所述揚聲器所需的額外電流而引起揚聲器中的音圈過度加熱。使揚聲器過度加熱可引起對揚聲器的永久損害。舉例來說，過度加熱可改變揚聲器的隔膜的形狀。隔膜已從其原始形式改變形狀的揚聲器使來自所述揚聲器的聲音失真。除了改變隔膜的形狀外，使音圈過度加熱還可引起將所述音圈固持到驅動器的膠黏劑熔化。當所述膠黏劑熔化時，其可引起音圈與所述驅動器分離，從而使揚聲器撕裂而不可操作。使音圈過度加熱還可引起將放大器連接到音圈的焊料熔化，從而使揚聲器與所述放大器的連接中斷。來自音圈的熱量還可引起所述音圈上的絕緣材料熔化。當所述絕緣材料熔化時，音圈中的金屬可彼此短路，從而減少所述音圈中的繞組數目。減少所述音圈中的繞組數目可限制揚聲器的音量且歸因于降低的電阻而進一步加熱音圈。使揚聲器過驅動可增加所述揚聲器上的機械應力，從而使其失效。用于緊湊型裝置中的揚聲器是相對廉價的。然而，對緊湊型裝置中的揚聲器的損害可引起整個裝置的回爐。為減少對揚聲器造成的損害并提高所述揚聲器的音量及質量，需要控制施加到揚聲器的功率以減少對所述音圈的過度加熱。

發明內容
根據本發明的實施例，提供一種用于保護電動態換能器免受包含在所述換能器中的音圈的熱過載的方法。所述方法包含:測量輸入音頻信號的功率，其中所述輸入音頻信號驅動放大器且其中所述放大器的輸出電連接到所述音圈；且當達到預定輸入音頻信號功率限制時減少所述輸入音頻信號的所述功率。根據本發明的另一實施例，提供一種用于保護電動態換能器免受包含在所述換能器中的音圈的熱過載的方法。所述方法包含:估計所述音圈的溫度；測量輸入音頻信號的功率，其中所述輸入音頻信號驅動放大器且其中所述放大器的輸出電連接到所述音圈；且當未達到預定輸入音頻信號功率限制且達到音圈溫度限制時減少所述輸入音頻信號的所述功率。根據本發明的又一實施例，提供一種設備。所述設備包含:電動態換能器，所述電動態換能器包含音圈；放大器；所述放大器具有輸入及輸出，其中所述音圈電連接到所述功率放大器的所述輸出；DAC，其具有輸出及輸入，其中所述DAC的所述輸出電連接到所述功率放大器的所述輸入；動態功率限制器；所述動態功率限制器具有兩個輸入及一輸出，所述輸出電連接到所述DAC的所述輸入；ADC，其具有輸入及輸出，其中第一模擬電壓及第二模擬電壓呈現在所述ADC的所述輸入處，其中所述第一模擬電壓為跨越所述音圈的瞬時電壓且所述第二模擬電壓為跨越電阻器的瞬時電壓，其中所述電阻器與所述音圈串聯，其中來自所述ADC的第一輸出為所述第一模擬電壓的數字表示且其中來自所述ADC的第二輸出為所述第二模擬電壓的數字表示；溫度估計器，所述溫度估計器具有輸入及輸出，其中來自所述ADC的所述第一及第二輸出電連接到所述溫度估計器的所述輸入，其中所述溫度估計器的所述輸出輸出表示音圈的溫度的數字值；控制器，所述控制器具有兩個輸入及一輸出，其中第一輸入電連接到所述溫度估計器的所述輸出，且所述控制器的所述輸出電連接到所述動態功率限制器的第一輸入；其中第一數字音頻信號電連接到所述控制器的第二輸入且電連接到所述動態功率限制器的第二輸入；其中當所述第一數字音頻信號的功率等于或大于預定功率值時，所述動態功率限制器減少施加到所述DAC的所述輸入的第二數字音頻的功率，使得施加到所述功率放大器的所述輸入的模擬信號被減弱。


圖1為電動態換能器(現有技術)的橫截面圖。圖2為用于保護電動態換能器的熱保護系統的實施例的框圖。圖3為保護電動態換能器中的音圈免受過度加熱的方法的實施例的流程圖。圖4為說明可如何動態地測量電動態換能器中的音圈的電阻的示意圖。圖5為用于保護電動態換能器的熱保護系統的實施例的框圖。圖6為用于保護電動態換能器的熱保護系統的實施例的框圖。
具體實施例方式圖式及描述大體上揭示一種用于保護電動態換能器(例如，揚聲器)免受熱過載的方法。作為所述方法的一部分，獲取對所述電動態換能器中的音圈的溫度的估計，同時測量輸入音頻信號的功率。在獲取對溫度的估計并測得所述輸入音頻信號的功率之后，當超過功率限制及/或超過溫度限制時減小所述音頻輸入信號的功率。圖1為電動態換能器100(現有技術)的橫截面圖。所述電動態換能器可用于蜂窩式電話、電子板、膝上型計算機、桌上型計算機、電視機、監視器、便攜式無線電收音機、便攜式音樂重放系統、PDA及媒體播放器中。在電動態換能器100的此實例中，音圈111位于磁隙105的磁場中。音圈111以物理方式附接到電動態換能器100的圓頂107。錐盆109附接到電動態換能器100的圓頂107。磁鐵103及磁路101為音圈111提供磁場。在此實例中未展示所述電動態換能器的懸掛及框架。音圈111通過由磁鐵103及磁路101提供的磁場對流經音圈111的電流的反應來將動機提供給錐盆109。通過驅動電流通過音圈111，產生了磁場。此磁場引起音圈111與來自固定到揚聲器的框架(未展不)的永磁鐵103的磁場反應,從而使電動態換能器100的錐盆109移動。通過將音頻信號施加到音圈111，錐盆109將重現對應于原始音頻信號的
聲壓波。音圈111在沒有損害的情況下可處理的功率量與導線絕緣材料、粘合劑材料及線軸材料的熱耐受性有關，且可受到所述音圈在磁隙105中的位置的影響。此外，音圈可使用的功率量由可從音圈111移除的熱量限制。圖6為用于保護電動態換能器212的熱保護系統600的實施例的框圖。保護系統600包含控制器202、動態功率限制器204及DAC (數/模轉換器)208。熱保護系統600可與放大器210 —起集成在單個集成電路上。在此實例中，控制器202及動態功率限制器204為數字電路。因此，輸入音頻信號220為數字信號。將輸入音頻信號220施加到控制器202及動態功率限制器204。控制器202測量輸入音頻信號220的功率。當輸入音頻信號220的功率超過控制器202中的預定功率限制時，控制器202指示動態功率限制器204減弱輸入音頻信號220。通過測量對音圈111的加熱同時改變輸入音頻信號220中的功率量來獲得所述預定功率限制。舉例來說，動態功率限制器204可通過使輸入音頻信號220乘以因數X(其中X從O到I變化)來減弱所述輸入音頻信號。接著將經減弱的輸入音頻信號224施加動DAC 208。DAC 208將經減弱的數字輸入音頻信號224轉換為模擬信號226。模擬信號226接著驅動功率放大器210。此實例中的放大器210的增益為G。因為輸入226到放大器210的增益可從O到I變化，所以放大器210的輸出的增益可從O到G變化。因為模擬信號226被減弱，所以功率放大器210的輸出216將比原本在輸入音頻信號220未被減弱的情況下供應的電流小的電流供應到電動態換能器212的音圈111。因為供應較小的電流，所以對音圈111的加熱被減少。在圖6中展示的實施例中，當輸入音頻信號220的功率不超過控制器202中的預定功率限制時，控制器202指示動態功率限制器204允許輸入音頻信號220在未被改變的情況下通過。圖2為用于保護電動態換能器212的熱保護系統200的實施例的框圖。保護系統200包含ADC 230、溫度估計器206、控制器202、動態功率限制器204及DAC (數/模轉換器)208。熱保護系統200可與放大器210 —起集成在單個集成電路上。在此實例中，溫度估計器206、控制器202及動態功率限制器204為數字電路。因此，輸入音頻信號220為數
字信號。在本發明的實施例中，將跨越電動態換能器212的音圈111的電壓232及對通過音圈111的電流234的估計呈現給ADC 230。將ADC 230的輸出214及216施加到溫度估計器206。基于電壓216及電流214，溫度估計器206輸出對音圈111的溫度的估計218。可以若干方式計算溫度估計218。可通過測量音圈111的電阻來估計音圈111的溫度。在室溫73° F下，音圈的電阻或dcr (直流電阻)通常從4歐姆到16歐姆變化。然而，隨著音圈111的溫度歸因于通過其傳導的電流而增加，音圈111的電阻也增加。可測量且登記電動態換能器212中的音圈111在特定溫度下的電阻。可將這些測量的結果算入為用于溫度估計器206中的查找表的一部分。溫度估計器206還可使用基于這些測量的方程式來給出溫度估計218。將溫度估計218施加到控制器202。除溫度估計218外，還將輸入音頻信號220施加到控制器202。控制器202使用溫度估計218及輸入音頻信號220來動態地控制動態功率限制器204的增益。舉例來說，當輸入音頻信號220的功率超過控制器202中的預定功率限制時，控制器202指示動態功率限制器204減弱輸入音頻信號220。舉例來說，動態功率限制器204可通過使輸入音頻信號220乘以因數X(其中X從O到I變化)來減弱所述輸入音頻信號。接著將減弱的輸入音頻信號224施加到DAC 208。DAC 208將減弱的數字輸入音頻信號224轉換成模擬信號226。模擬信號226接著驅動功率放大器210。放大器210的增益為G。因為輸入226到放大器210的增益可從O到I變化，所以放大器210的輸出的增益可從O到G變化。因為模擬信號226被減弱，所以功率放大器210的輸出216將比原本在輸入音頻信號220未被減弱的情況下供應的電流小的電流供應到電動態換能器212的音圈111。因為供應較小的電流，所以對音圈111加熱被減少。在先前的實例中，供應到音圈111的電流被減少。因為供應到音圈111的電流被減少，所以電動態換能器212的音量將不會像其原來一樣響亮。然而，因為可僅在短時間內限制電流，所以與電流不被減少的情況相比，電動態換能器212的所感知到的音量未明顯地改變。控制器202響應于輸入音頻信號220的功率及溫度估計218而動態地變化。當輸入信號功率限制及溫度限制均未被超過時，控制器202指示動態功率限制器204允許輸入信號220在沒有減弱的情況下通過動態功率限制器204。因此，此信號在電動態換能器212中產生的音量也保持不變。在溫度限制被超過且輸入信號功率限制未被超過的情況下，控制器202指示動態功率限制器204減弱輸入音頻信號220。當溫度限制被超過且輸入信號功率限制未被超過時由動態功率限制器204減弱的輸入音頻信號220的量與當溫度限制被超過且輸入信號功率限制被超過時輸入音頻信號220被減弱的量不同。控制器202基于輸入信號功率限制及溫度限制兩者是否被超過而調整輸入信號220被減弱的量。此外，信號功率限制的絕對值及溫度限制的絕對值決定輸入音頻信號220減弱的量。在本發明的實施例中，控制器202可為PID(比例積分微分)控制器。PID控制器為廣泛用于工業控制系統中的一般控制環路反饋機制。PID控制器將“錯誤”值計算為測得的過程變量(例如，溫度或功率)與用于所述變量的所要的設定點之間的差。所述控制器力圖通過調整過程控制輸入來使所述錯誤最小化。PID控制器計算涉及三個獨立的恒定參數，且因此有時稱為三項控制:比例、積分及微分值。這些值可依據時間來解釋:p取決于當前錯誤、I取決于過去錯誤的積累且D為基于當前的變化速率的對未來錯誤的預測。這三個動作的加權和用于通過控制元素(例如音圈的溫度)來調整所述過程。圖3為保護電動態換能器中的音圈免受過度加熱的方法的實施例的流程圖。在步驟300期間，測量歸因于對音圈111的加熱的電阻。在測量歸因于對音圈111的加熱的電阻之后，在步驟302期間進行對音圈111的溫度的估計。可使用基于在不同溫度下測得的所述音圈的電阻的查找表或方程式來進行對溫度的所述估計。在步驟304期間，測量輸入音頻信號220的功率。在步驟306期間，確定輸入音頻信號220的所測得的功率是否超過預定功率限制。當輸入音頻信號220的所測得的功率超過所述預定功率限制時，減弱輸入音頻信號220，如步驟310中所展示。當輸入音頻信號220的所測得的功率不超過所述預定功率限制時，在步驟308期間確定音圈111的溫度是否超過預定溫度限制。當音圈111的溫度超過所述預定溫度限制時，減弱所述輸入音頻信號，如步驟310中所展示。當音圈111的溫度不超過所述預定溫度限制時，不減弱所述輸入音頻信號且使所述輸入音頻信號直接通過到放大器以被放大，如步驟312中所展示。如步驟314中所展示，所述放大器接著放大所述輸入音頻信號。接著，所述放大器驅動音圈111。當超過功率限制或溫度限制時，還在步驟314中放大來自步驟310的經減弱的信號。圖3中展示的過程繼續監視音圈的溫度且監視輸入音頻信號220的功率，以防止所述音圈過度加熱。可設定所述功率限制及所述溫度限制，使得由電動態換能器212產生的聲音的所感知到的音量幾乎與當所述輸入音頻信號未被減弱時相同。圖4為說明可如何動態地計算電動態換能器中的音圈的電阻的示意圖。電阻器R電串聯連接在電動態換能器212的功率放大器210與音圈111之間。在此實例中，將瞬時模擬電壓Vl及V2輸入到ADC (模/數轉換器)230。ADC 230接著將分別表示瞬時模擬電壓Vl及V2的數字值214及216輸出到溫度估計器206。可通過使節點402與404之間的電壓Vl除以電阻器R的電阻來計算由電動態換能器212汲取的瞬時電流I。在獲得瞬時電流I后，可通過使節點406與404之間的瞬時電壓V2除以瞬時電流I來計算音圈111的瞬時電阻。可通過將音圈111的瞬時電阻施加到包含在溫度估計器206中的查找表或方程式來估計音圈111的瞬時溫度。在使用所述溫度估計器之前，通過測量所述音圈在不同溫度下的電阻來獲得所述查找表中或所述方程式中使用的值。在本發明的另一實施例中，可使用電流傳感器來確定通過音圈111傳導的瞬時電流。電流傳感器為檢測導線中的電流(AC或DC)且產生與其成比例的信號的裝置。所產生的信號可為模擬電壓、模擬電流或數字輸出。接著，所產生的信號可與跨越所述音圈的電壓一起用于計算所述音圈的瞬時電阻。可通過將音圈111的瞬時電阻施加到查找表或方程式來估計音圈111的瞬時溫度。在本發明的另一實施例中，電流感測為放大器210的一部分(建置到其中)。在此實施例中，可通過測量跨越放大器210的輸出晶體管的電壓降來計算通過線圈111汲取的電流。此實例中的放大器210為D類放大器。然而，可使用其它類型的放大器，例如A類或AB類。圖5為用于保護電動態換能器212的熱保護系統500的實施例的框圖。保護系統500包含ADC 230、溫度估計器206、控制器202、動態功率限制器204、高通濾波器520及DAC(數/模轉換器)208。圖5中展示的保護系統500與圖2中展示的保護系統200是一樣的，只是添加了放置在保護系統500的輸入處的高通濾波器502。在圖5中展示的本發明的實施例中，添加高通濾波器502以移除電動態換能器212不能重現的低頻率信號。舉例來說，位于手機中的電動態換能器212可能不能夠重現低于200Hz的頻率。移除輸入音頻信號504中低于200Hz的頻率，減少了電動態換能器212中的失真。此外，低頻率信號比高頻率信號需要更多的功率來重現。因為低頻率信號需要更多的功率來重現，所以當從輸入音頻信號504移除低頻率信號時，減少了驅動音圈111所需的電流。減少驅動音圈111所需的電流量也減少了對所述線圈的加熱。因此，從輸入音頻信號移除低頻率信號有助于保護電動態換能器212免受過度加熱。已出于說明及描述的目的呈現以上描述。其無意于為排他性的或將本發明限于所揭示的精確形式，且在以上教示的背景下其它修改及變型可為可能的。選擇且描述實施例以最佳地解釋可適用的原理及其實際應用，從而使所屬領域的其他技術人員能夠最佳地利用如適于所預期的特定用途的各種實施例及各種修改。希望將所附權利要求書理解為包括除由現有技術限制的范圍之外的其它替代實施例。
權利要求
1.一種用于保護電動態換能器免受包含在所述換能器中的音圈的熱過載的方法，其包含: 測量輸入音頻信號的功率，其中所述輸入音頻信號驅動放大器且其中所述放大器的輸出電連接到所述音圈； 當達到預定輸入音頻信號功率限制時減少所述輸入音頻信號的所述功率。
2.根據權利要求1所述的方法，其中當達到預定輸入音頻信號功率限制時減少所述輸入音頻信號的所述功率包含: 通過因數X減弱所述輸入音頻信號，其中X可具有O到I范圍內的任一值。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述放大器的輸出電壓約等于G*X*VIN，其中G為所述放大器的固定增益且VIN為呈現在所述放大器的輸入處的信號的電壓。
4.根據權利要求1所述的方法，其中在測量所述輸入音頻信號的所述功率之前，使所述輸入音頻信號通過高通濾波器。
5.一種用于保護電動態換能器免受包含在所述換能器中的音圈的熱過載的方法，其包含: 估計所述音圈的溫度； 測量輸入音頻信號的功率，其中所述輸入音頻信號驅動放大器且其中所述放大器的輸出電連接到所述音圈； 當未達到預定輸入音頻信號功率限制且達到音圈溫度限制時減少所述輸入音頻信號的所述功率。
6.根據權利要求5所述的方法，其中估計所述音圈的所述溫度包含: 測量所述音圈的歸因于對所述音圈的加熱的電阻。
7.根據權利要求5所述的方法，其中估計所述音圈的所述溫度包含: 測量跨越電阻器的第一電壓，其中所述電阻器與所述音圈串聯； 測量跨越所述音圈的第二電壓； 將所述電壓施加到溫度估計器，其中所述溫度估計器輸出基于所述所施加的電壓的溫度。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述溫度估計器使用查找表來估計所述溫度，其中所述查找表是基于使音圈的所述溫度與所述音圈的所述電阻相關的所測得的數據。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述溫度估計器使用公式來估計所述溫度，其中所述公式使用使所述音圈的所述溫度與所述音圈的所述電阻相關的所測得的數據。
10.根據權利要求5所述的方法，其中當達到預定輸入音頻信號功率限制時減少所述輸入音頻信號的所述功率包含: 通過因數X減弱所述輸入音頻信號，其中X可具有O到I范圍內的任一值。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述放大器的輸出電壓約等于G*X*VIN，其中G為所述放大器的固定增益且VIN為呈現在所述放大器的輸入處的信號的電壓。
12.根據權利要求5所述的方法，其中在測量所述輸入音頻信號的所述功率之前，使所述輸入音頻信號通過高通濾波器。
13.—種設備,其包含: 電動態換能器，所述電動態換能器包含音圈；放大器；所述放大器具有輸入及輸出，其中所述音圈電連接到所述功率放大器的所述輸出； DAC,其具有輸出及輸入，其中所述DAC的所述輸出電連接到所述功率放大器的所述輸A ； 動態功率限制器；所述動態功率限制器具有兩個輸入及一輸出，所述輸出電連接到所述DAC的所述輸入； ADC,其具有輸入及輸出，其中第一模擬電壓及第二模擬電壓呈現在所述ADC的所述輸入處，其中所述第一模擬電壓為跨越所述音圈的瞬時電壓且所述第二模擬電壓為跨越電阻器的瞬時電壓，其中所述電阻器與所述音圈串聯，其中來自所述ADC的第一輸出為所述第一模擬電壓的數字表不且其中來自所述ADC的第二輸出為所述第二模擬電壓的數字表不； 溫度估計器，所述 溫度估計器具有輸入及輸出，其中來自所述ADC的所述第一及第二輸出電連接到所述溫度估計器的所述輸入，其中所述溫度估計器的所述輸出輸出表示音圈的溫度的數字值； 控制器，所述控制器具有兩個輸入及一輸出，其中第一輸入電連接到所述溫度估計器的所述輸出，且所述控制器的所述輸出電連接到所述動態功率限制器的第一輸入； 其中第一數字音頻信號電連接到所述控制器的第二輸入且電連接到所述動態功率限制器的第二輸入； 其中當所述第一數字音頻信號的功率等于或大于預定功率值時，所述動態功率限制器減少施加到所述DAC的所述輸入的第二數字音頻的功率，使得施加到所述功率放大器的所述輸入的模擬信號被減弱。
14.根據權利要求13所述的設備，其中當溫度估計器的所述輸出等于或大于預定溫度值且所述第一數字音頻信號的所述功率低于所述預定功率值時，所述動態功率限制器減少施加到所述DAC的所述輸入的所述第二數字音頻信號的所述功率。
15.根據權利要求13所述的設備，其中當溫度估計器的所述輸出小于所述預定溫度值且所述第一數字音頻信號的所述功率小于預定功率值時，所述動態功率限制器不改變施加到所述DAC的所述輸入的所述數字音頻的所述功率。
16.根據權利要求13所述的設備，其中當溫度估計器的所述輸出小于預定溫度值且所述第一數字音頻信號的所述功率等于或大于所述預定功率值時，所述動態功率限制器減少施加到所述DAC的所述輸入的所述第二數字音頻信號的所述功率。
17.根據權利要求13所述的設備，其中所述設備為選自由蜂窩式電話、電子板、膝上型計算機、桌上型計算機、電視機、監視器、便攜式無線電收音機、便攜式音樂重放系統、PDA及媒體播放器組成的群組的電子裝置。
18.根據權利要求13所述的設備，其中所述溫度估計器、所述控制器及所述動態功率限制器為數字電路。
19.根據權利要求13所述的設備，其中所述控制器為PID比例積分微分控制器。
20.根據權利要求13所述的設備，其中所述溫度估計器、所述控制器及所述動態功率限制器、所述DAC及所述放大器集成在單個集成電路上。
全文摘要
本發明涉及保護電動態換能器免受熱過載的方法及其設備。在本發明的實施例中，通過測量輸入音頻信號的功率來保護電動態換能器的音圈。當所述輸入音頻信號達到預定功率限制時，減少所述輸入音頻信號的所述功率。
文檔編號H04R3/00GK103108270SQ20121036962
公開日2013年5月15日 申請日期2012年9月27日 優先權日2011年9月28日
發明者拉爾斯·里斯博, 米林德·阿尼爾·博爾卡爾, 泰斯·布赫瓦爾德·克里斯琴森, 溫迪安姆·費爾南德·戴維·特拉奧雷 申請人:德州儀器公司