用于移动音频产品的扬声器保护技术

用于移动音频产品的扬声器保护技术

今天，移动电子设备(如蜂窝电话和其他便携音频设备)对更响亮音频输出的需求正在增长，包括音乐和语音。因而导致这些设备嵌入的小型扬声器上的电气应力很容易地超出其物理和电气极限。今天用于移动音频产品的大多数高性能扬声器放大器能够产生超过4W的峰值输出功率。同时，由于这些应用中扬声器的尺寸较小，其额定功率通常很低，一般不超过0.5W。典型情况下，扬声器效率(即电气功率输入功率(W)与声音功率输出比值，dBSPL)和额定功率按照扬声器尺寸成比例减小。因此，随着输入功率增加以达到更高的声音输出，对有源扬声器保护的需求也在不断增长，以防止扬声器永久损坏。本文探讨导致扬声器损坏的各种电气和物理效应，并且阐述目前使用的某些保护扬声器的方法，以及某些防止有源扬声器损坏的新颖而有效的保护方法。

手机OEM厂商正在经历由于扬声器损坏或失效而导致产品从市场退回的数目不断升高的状况，由于对更响亮声音输出的需求在不断增加，同时扬声器换能器仍然保持小型和过低的额定功率，预计这种趋势将会持续下去。音频扬声器的损坏由各种各样的电气超限应力引起，也可由物理超限应力引起，例如便携设备跌落在坚硬的表面上。这会损坏扬声器隔膜并引起音圈间隙变形。虽然物理超限应力也是一个关注问题，但本文将专门讨论扬声器的电气损坏。

过热引起的扬声器损坏是一个常见的问题。由于传送给扬声器的平均功率很高，热量将在音频扬声器中聚集。在小体积内产生大功耗，热量会对扬声器的材料造成物理损坏。一些过热损坏的例子是：扬声器隔膜弯曲老化；音囤绝缘击穿，导致音圈绕组最后熔断。最终过热还会使扬声器磁体去磁，降低输出效率。

幸好，大多数音乐和语音都包含有具有大波峰因数(峰均值比)的信号。波峰因数是峰值对平均信号电平的比率，因而具有大波峰因数的音频信号有着高峰值信号但平均功率较低。交响乐就是一个具有大波峰因数的音频信号例子，具有12dB或更高的波峰因数。而高度压缩的摇滚乐则是一个具有低波峰因数的音乐例子，其波峰因数为3dB。使用低波峰因数音频信号来驱动扬声器，具有较大的风险，原因是扬声器必须再现较高的连续(或平均)功率，而过热现象会对扬声器造成损坏。再现由高波峰因数信号组成的音频，是使用较高功率音频放大器来驱动较低额定功率扬声器成为可能的主要理由。因此，有效的有源扬声器保护需要监出传送给扬声器负载的平均功率。

音频扬声器的损坏也可由过高的峰值功率信号引起，而这常常会导致扬声器永久损坏。在具有小占空比的短脉冲中发生的峰值功率信号不会引起热量在扬声器内积聚，因此不会出现平均功率效应问题。然而，峰值信号仍然可以引起扬声器元件的损坏。例如，峰值功率信号也会引起音圈绕组熔断，类似于平均功率发热效应但功率www.LWlm.CoM电平高出很多。峰值功率信号也能推动扬声器隔膜和音圈偏离超出其物理极限，也会导致永久损坏。因此，限制传送给扬声器的峰值功率信号是特别重要的。可使用简单的信号限制或钳位，但这会引起峰值信号折失真。失真可能比扬声器损坏要好，但使用动态范围控制(即压缩)的柔性剪峰(soft clipping)将会显著减少严重的失真。峰值信号通常由带有短脉冲宽度持续时间和快速上升时间的音调组成，因而，扬声器保护方案具有快速响应特性是非常重要的，这样可以迅速限制峰值功率。幸好，扬声器的峰值额定功率高于平均额定功率，连同音频波峰因数，这就是低额定功率扬声器可以和较高输出放大器一起使用的主要原因。然而，扬声器损坏经常是累积的，所以扬声器中的过高驱动功率将随时间降低扬声器效果，导致音响性能变差。

扬声器的基本保护模式是使用简单的扬声器放大器输出电压限制。若给定扬声器的负载阻抗已知，根据公式P=V2／R，通过限制电压摆动，输出功率也受到限制。然而，使用此方法限制功率有几个误差。例如，制造公差会引起扬声器阻抗变动。类似扬声器的不同供应商也会有不同的扬声器阻抗值。温度，外壳尺寸，老化和其他因素都将引起扬声器阻抗变动并且导致输出功率限制误差。通常，此方法导致音频信号的剪裁及随后的信号失真。另外，若限制电平设置在峰值功率电平上，此方法不能解决过度的平均功率。更好的扬声器保护方案可使输出峰值及平均功率驱动最大化，且不会引起过度失真和信号衰变。

综合先前的讨论可以看出，若放大器输出功率可被测量且其信息可用于限制或控制输出功率电平，则能提升扬声器保护功能。因为供给扬声器的过量功率是扬声器损坏的主要原因，控制功率可以提升扬声器保护。显示此结构的方框图如图2所示。在此结构中，驱动扬声器负载的输出信号和流入负载的电流是单独测量的，然后相乘以产生与实际输出功率成比例的信号。一旦获得输出功率信号，可以使用许多方法进行处理。在图2中，功率信号可以直接用于控制限幅器或压缩系统，实现实时动态范围控制。功率信号也能被整合以生成扬声器负载功率平均值，可用于降低信号通道增益或某些其他信号控制。因为音频信号中的大部分功率处于低频范围，通过可变的高通滤波器，功率信号也能用于减少低频信号内容。监测和控制输出功率也可减少由扬声器制造公差和供应商差异带来的扬声器保护特性的变化。负载功率会与负载阻抗成比例地改变，因而可以实现更精确的功率限制算法。

一个完整的扬声器保护系统也应该考虑其他物理参数发生的作用，例如，温度也能用于改变输出功率，通过环境温度和直接安装在扬声器上的温度传感器。通常，温度的变化会有些缓慢，也会受到平均功率控制的影响。一般情况下，扬声器放大器有内在的温度感测功能，用于限制或控制最高芯片温度，因为放大器效率的损失导致周围环境和结点温度之间有着较大的差异。因此，这种温度感测方法在限定实际扬声器温度方面不是特别好。较好的方法是使用独立安装在扬声器上或靠近扬声器的温度传感器。

有关便携音频产品的另一重要www.LWlm.CoM的扬声器保护问题就是扬声器端口的物理阻塞。在这些应用中所使用的音频扬声器非常小并且外壳体积也小，因而用户很容易用手指或拇指完全盖住扬声器端口。在出现这种情况，极少的声能耦合到空气中，大部分声能将被反射回扬声器中。此能量将在扬声器音圈中耗散并且导致扬声器的快速损毁。在扬声器保护算法中将此影响考虑进去是非常重要的。监控此影响的方法是在扬声器隔膜上安装传感器，从而提供运动反馈信号，由控制系统使用以减少变形。

通常，过度的功率电平以及本文所描述的影响，在扬声器输出部分造成失真和其他讨厌的音频缺陷(例如爆裂声和其他尖锐刺耳声)。为手机等小型便携产品提供较大音响输出扬声器的趋势正在廷续，并且增大了扬声器性能降低的风险。这需要OEM厂商提供更加智能的有源扬声器保护系统。扬声器保护不仅提高了用户对音乐和语音再现的收听体验，而且也减少了消费者由产品损坏而产生的退货现象。