Klasse-D- Verstärker und Betriebsverfahren Stand der Technik

Aus der DE 10 2012 200 524 AI sind unter den Verstärkerarten sogenannte Klasse- D- Verstärker bekannt, welche ein analoges Signal zunächst mit einem Pulsweitenmodulator in ein pulsweitenmoduliertes Schaltsignal umwandeln, das dann verstärkt und nachfolgend über einen Filter wieder in eine sich stetig veränderliche Spannung zurückgewandelt wird. Diese Art der Verstärker sind besonders energieeffizient und werden daher bevorzugt bei Verstärkern mit hohen Leistungen eingesetzt. Vorgeschlagen wird eine Verstärkervorrichtung mit einer Steuerungseinrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung eine

Eingangsschnittstelle für ein Audiosignal aufweist, mit einer der

Steuerungseinrichtung nachgeschalteten Verstärkereinrichtung zur Verstärkung des Audiosignals, wobei die Steuerungseinrichtung ein Verzögerungsmodul aufweist, wobei das Verzögerungsmodul ausgebildet ist, das Audiosignal um einen Verzögerungswert verzögert an die Verstärkereinrichtung weiterzugeben und in einer Anpassungsphase den Verzögerungswert automatisch und/oder selbsttätig von einem Startwert zu einem Endwert zu verringern.

Das Bewusstsein für Energieeinsparung hat auch die professionelle Audiotechnik erreicht.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verstärkers der Klasse D (Klasse- D- Verstärker) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 offenbart. Der Verstärker dient zur Verstärkung eines Audiosignals. Der

Verstärker enthält einen Signalpfad für das Audiosignal, auf dem das Audiosignal durch den Verstärker geleitet und verstärkt wird. Der Verstärker enthält im Signalpfad eine Endstufe. Der Verstärker enthält im Signalpfad eine digitale Signalverarbeitungseinheit. Diese ist im Signalpfad stromaufwärts der Endstufe angeordnet.

Bei dem Verfahren wird eine Spannung zur Leistungsversorgung der Endstufe zur Verfügung gestellt. Die Spannung wird hierbei so zur Verfügung gestellt, dass diese mindestens zwei verschiedene Größen bzw. Spannungswerte

(insbesondere Beträge) aufweisen kann. Im Signalpfad existiert ein Messort stromaufwärts der Signalverarbeitungseinheit. An diesem Messort wird aus dem Audiosignal ein Spannungsbedarf der Endstufe prädiktiv ermittelt, d.h. das Audiosignal am Messort bzw. derjenige Zeitabschnitt des Audiosignals, der zum Messzeitpunkt (erster Zeitpunkt) am Messort vorliegt, wird hierzu ausgewertet. Der Spannungsbedarf ist nötig für die spätere ordnungsgemäße Verstärkung des am Messort vorhandenen bzw. ausgewerteten Audiosignals in der Endstufe. Derjenige ausgewertete Signalabschnitt trifft also erst zu einem späteren, zweiten Zeitpunkt an der Endstufe ein. "Ordnungsgemäß" heißt, im Rahmen gewünschter Vorgaben störungsfrei, z.B. ohne bzw. nur mit maximal zulässigen Verzerrungen, Artefakten, Knackgeräuschen usw.

Im Verfahren wird weiterhin eine der verfügbaren Größen der Spannung gewählt. Dies geschieht, indem dem prädiktiv ermittelten Spannungsbedarf gefolgt wird. Die jeweilige Größe wird so gewählt, dass Sie für den Spannungsbedarf minimal ausreichend ist. Die Spannung der entsprechenden Größe wird an der Endstufe zu einem Zeitpunkt angelegt, der vor dem Zeitpunkt der Verstärkung des

Audiosignals (zweiter Zeitpunkt) liegt, also zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt. Die Signalverarbeitungseinheit weist dabei eine Laufzeit auf. Die Laufzeit ist die Zeitdifferenz zwischen dem Passieren eines Signals bzw. eines bestimmten Signalpunktes oder Signalabschnittes am Messort (erster Zeitpunkt) und der späteren Verstärkung dieses Signalabschnittes oder Signalpunktes in der Endstufe (zweiter Zeitpunkt). Bezüglich dieser Laufzeit ist die Ermittlung des Spannungsbedarfs also prädiktiv. „Vor dem Zeitpunkt' ist so zu verstehen, dass die Spannung der entsprechend dem Spannungsbedarf benötigten Größe„rechtzeitig vorher" an der Endstufe zur Verfügung steht, bevor die Endstufe zur tatsächlichen Verstärkung des entsprechenden Signals bzw. Signalabschnitts die entsprechende Leistung aus der Spannung zum zweiten Zeitpunkt benötigt.

Gemäß der Erfindung ist gewährleistet, dass bei einem Anstieg des

Leistungsbedarfs in der Endstufe rechtzeitig ausreichend hohe Spannung an der Endstufe zur artefaktfreien Verstärkung des Audiosignals zur Verfügung steht. Gleichzeitig kann mit entsprechend niedrigeren Spannungen gearbeitet werden, solange eine entsprechende Leistung nicht notwendig wird. Sobald der

Spannungsbedarf wieder unter eine bestimmte Größe sinkt, wird auf die nächstniedrigere Größe zurückgeschaltet.

Mit anderen Worten wird die Endstufe also immer mit der kleinstmöglichen Spannung betrieben, solange der Spannungsbedarf die kleinste Spannung nicht übersteigt. Ansonsten wird kontinuierlich, z.B. so langsam wie möglich, auf die nächsthöhere Spannung umgeschaltet. "Kontinuierlich" bedeutet so viel wie rampenartig. Falls mehr als zwei Spannungen vorgehalten werden, wird jeweils bei Überschreitung der n-ten Größe der Spannung auf die n+lte Größe der Spannung hochgeschaltet bzw. auf die nächstniedrigere zurückgeschaltet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Spannung an der Endstufe mit einer maximalen Flankensteilheit von 5 Volt pro Mikrosekunde oder 3 Volt pro Mikrosekunde oder 1 Volt pro Mikrosekunde oder 0,5 Volt pro Mikrosekunde oder 0,25 Volt pro Mikrosekunde oder 0,1 Volt pro Mikrosekunde zwischen den verschiedenen Größen angehoben und/oder abgesenkt. Mit anderen Worten wird die Flankensteilheit für einen Spannungsanstieg oder Spannungsabfall an der Endstufe auf entsprechende Maximalwerte begrenzt. Bei entsprechend kleiner Flankensteilheit kann so sichergestellt werden, dass der Klasse- D- Verstärker der jeweiligen Spannungsänderung seiner Versorgungsspannung artefaktfrei folgen kann, ohne zum Beispiel Verzerrungen, Störungen oder sonstige unerwünschte Effekte zu zeigen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Flankensteilheit so gewählt, dass eine Zeitdifferenz zwischen der prädiktiven Ermittlung des Spannungsbedarfes (Zeitpunkt der Analyse des Audiosignals am Messort bzw. Ermittlung des Spannungsbedarfes hieraus, erster Zeitpunkt) und dessen späterer Verstärkung in der Endstufe (zweiter Zeitpunkt) für die Änderung der Größe der Spannung gerade ausreicht. Mit anderen Worten wird somit die Spannung so langsam wie möglich ausgehend von einem aktuellen Wert zu dem Zielwert so langsam durchgeführt, dass die Spannung mit der entsprechenden Größe gemäß Spannungsbedarf gerade rechtzeitig zur Verstärkung des entsprechenden Abschnitts des Audiosignals an der Endstufe zur Verfügung steht. So kann die Flankensteilheit so weit wie möglich gesenkt werden, was die

Audioeigenschaften des Klasse- D- Verstärkers weiter verbessert. Rechenzeiten zur Berechnung des Spannungsbedarfes nach Abgriff des Audiosignals am Messort werden gegebenenfalls vernachlässigt. Ansonsten wird die Änderung der Spannung ab den Zeitpunkt begonnen, zu dem der (noch immer zukünftige) Spannungsbedarf ermittelt wurde.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird für jede Größe der Spannung eine eigene bzw. separate oder individuelle Festspannung dieser Größe dauerhaft vorgehalten. Die tatsächliche Spannung wird dann über eine jeweils

kontinuierliche Umschaltung zwischen den Festspannungen erzeugt.

"Kontinuierlich" bedeutet, dass die Umschaltung eben nicht sprunghaft, sondern kontrolliert mit einer endlichen Flankensteilheit, insbesondere gemäß oben, erfolgt. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Festspannungen orientiert sich also an der Anzahl der gemäß Verfahren vorgehaltenen unterschiedlichen Größen der Spannung.

Insbesondere werden gemäß Verfahren (bipolare) Spannungen zweier unterschiedlicher Größen, zum Beispiel +/- 165 Volt und +/- 20 Volt zur

Verfügung gestellt. Somit werden auch zwei Festspannungen vorgehalten, nämlich 230 Volt und 40 Volt, um die jeweils bipolaren Spannungen der festen Größen zu erzeugen.

Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Verstärker der Klasse D gemäß Patentanspruch 5 offenbart. Der Verstärker dient zur Verstärkung eines Audiosignals. Der Verstärker enthält einen Signalpfad für die Durchleitung und Verstärkung des Audiosignals. Im Signalpfad enthält der Verstärker eine

Endstufe und eine stromaufwärts der Endstufe angeordnete digitale

Signalverarbeitungseinheit. Der Verstärker enthält eine Spannungsquelle zur Leistungsversorgung der Endstufe mit einer Spannung, wobei diese Spannung - wie oben erläutert - mindestens zwei verschiedene Größen aufweisen kann. Der Verstärker enthält einen im Signalpfad stromaufwärts der

Signalverarbeitungseinheit angeordneten Messort.

Der Verstärker enthält eine Steuer- und Auswerteeinheit. Diese dient zur oben erläuterten prädiktiven Ermittlung eines Spannungsbedarfs aus dem Audiosignal am Messort, wobei der Spannungsbedarf der später in der Endstufe benötigten Spannungsbedarf für die spätere ordnungsgemäße Verstärkung des

Audiosignals in der Endstufe ist.

Die Steuer- und Auswerteeinheit ist außerdem dazu eingerichtet, dem prädiktiv ermittelten Spannungsbedarf folgend eine jeweilige Größe der Spannung zu wählen, die für den Spannungsbedarf minimal ausreichend ist und diese vor dem Zeitpunkt der Verstärkung des Audiosignals in der Endstufe an diese anzulegen. Der Verstärker und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Signalverarbeitungseinheit einen Digital- Analog- Konverter (digital-analog-converter, DAC). Insbesondere ist die Signalverarbeitungseinheit der Digital- Analog- Konverter. Ein entsprechender DAC weist in der Regel eine Laufzeit bzw. Latenzzeit von mehreren hundert Mikrosekunden auf. Die entsprechende Zeitverzögerung reicht bereits aus, um gemäß dem oben genannten Verfahren stromaufwärts des DAC das Audiosignal am Messort auf seinen Leistungsbedarf im Verstärker hin zu analysieren und die

Spannung am Verstärker entsprechend rechtzeitig anzupassen. Außerdem lässt sich an einem Messort direkt vor dem DAC eine hochqualitative Prädiktion des Leistungsbedarfs in der Endstufe durchführen, da das Signal als solches

(lediglich in digitaler statt analoger Form) bereits feststeht. Der DAC bietet im Verstärker daher einen geeigneten Bereich bzw. Ort für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält die

Signalverarbeitungseinheit einen stromaufwärts des DAC angeordneten Level-

Controller. Insbesondere ist die Signalverarbeitungseinheit die Kombination aus Level-Controller und nachgeschaltetem DAC. Auch ein entsprechender Level- Controller enthält nochmals eine gewisse Verzögerungszeit. Dies schafft noch mehr zeitlichen Spielraum, um eine noch langsamere Spannungsanpassung an der Endstufe durchzuführen. Dennoch lässt sich auch an einem Messort vor dem

Level-Controller eine hochqualitative Prädiktion des Leistungsbedarfs durchführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Spannungsquelle einen Ausgang für die Spannung auf. Für jede Größe der Spannung weist die

Spannungsquelle außerdem einen Festspannungseingang auf. Die

Spannungsquelle enthält mindestens ein kontinuierlich schaltbares

Schaltelement, um wahlweise verschiedene, d.h. mindestens einen,

insbesondere einen einzigen der Festspannungseingänge auf den Ausgang zu schalten. Das Schaltelement kann ein einziges Bauteil, jedoch auch eine

Schaltungsanordnung sein, z.B. ein Schaltelement und eine Diode.

In einer derartigen Spannungsquelle lassen sich die verschiedenen

Spannungsgrößen besonders einfach bereitstellen und auch kann besonders einfach zwischen diesen kontinuierlich umgeschaltet werden, ohne

Spannungssprünge zu produzieren. Durch das kontinuierlich schaltbare

Schaltelement können beliebig schnelle oder langsame Rampenvorgänge - wie oben erläutert - zur Umschaltung zwischen den Spannungen verschiedener Größen erfolgen. Das Schaltelement ist insbesondere ein Feldeffekt-Transistor (FET, field-effect-transistor). Es erfolgt also eine kontinuierliche Umschaltung nach Art einer Spannungsrampe.

In einer bevorzugten Variant dieser Ausführungsform ist die Spannungsquelle eine bipolare Spannungsquelle, das heißt Sie stellt jeweils zwei Potentiale von +/-X Volt zur Verfügung. Der Ausgang und jeder Festspannungseingang weist daher jeweils zwei Pole auf. Die Spannungsquelle enthält für jeden Pol des Ausgangs mindestens ein Schaltelement. So lassen sich auch für bipolare Spannungsquellen die oben genannten Vorteile einer einfachen Bereitstellung und sprunglosen Umschaltung zwischen den Spannungen verschiedener Größen realisieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Spannungsquelle

Pufferkondensatoren für die Spannung U lediglich auf den dem Ausgang abgewandten Seiten der Festspannungseingänge. Da die Festspannungen stets dauerhaft vorgehalten werden, sind diese Pufferkondensatoren dauerhaft geladen und werden jedenfalls nicht durch von den Schaltelementen verursachte Schaltvorgänge umgeladen. Jeder der Pufferkondensatoren ist hierbei einer jeweiligen Festspannung zugeordnet. Mit anderen Worten ist die

Spannungsquelle zum Ausgang hin ohne Pufferkondensatoren ausgeführt. Bei einer Umschaltung der Spannung zwischen verschiedenen Größen müssen so keinerlei Pufferkondensatoren umgeladen werden, was zu einem besonders gleichmäßigen netzseitigen bzw. eingangsseitigen Leistungsverhalten des Verstärkers führt. Bei einer Umschaltung zwischen verschiedenen Spannungen sind somit eingangsseitig, z.B. netzseitig keine Lastsprünge am Eingang des Verstärkers zu erwarten.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verstärkers durchgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verstärkers ist dieser zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw.

Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch "die Erfindung" genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen. Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zu Grunde:

Bei einer professionellen Audioanlage, z.B. der Größenordnung für ein mittleres Fußballstadion, werden überschlägig bei einem üblichen Nutzungsprofil (5 Std. pro Woche Vollbetrieb, 7 x 5 Std./Woche Teilbetrieb zu 10%) über 90% der Energiekosten vom Teilbetrieb und dem Leerlaufbetrieb verursacht. Alleine der Leerlaufbetrieb der Endstufen verursacht demnach über 66% der Stromkosten. Um die Betriebskosten der Verstärker zu reduzieren, muss also insbesondere die Leistungsaufnahme im Leicht- und Leerlauffall reduziert werden. Diese

Erkenntnis ist prinzipiell nicht neu. Auf dem Markt sind verschiedene Lösungen verfügbar, die den Energiebedarf in diesen Betriebsarten reduzieren. Allerdings ziehen diese Lösungen in den meisten Fällen Einschränkungen nach sich, die im Folgenden kurz aufgezeigt werden.

Das Streben nach einem möglichst hohen Wirkungsgrad eines Audioverstärkers ist so alt wie die Entwicklung von elektronischen Audioverstärkern. In den letzten Jahrzenten hat insbesondere das Aufkommen von Klasse- D Verstärkern den Wirkungsgrad von Audioverstärkern deutlich verbessert. Aber auch bei dieser Art von Verstärkern gibt es eine Vielzahl von Spielarten mit unterschiedlichen Wirkungsgraden. Diverse Kombinationen von Klasse-D mit Klasse-A/B

Verstärkern werden sind mehr oder weniger erfolgversprechend. Eine gute Übersicht über den Stand der Technik bietet die Doktorarbeit„'HIGH

EFFICI ENCY AUDIO POWER AMPLI FI ERS design and practical use', Ronan van der Zee, Universität Twente, 21.05.1999".

Wie oben erwähnt, ist in vielen Fällen gar nicht der Wirkungsgrad eines

Verstärkers während des Nennbetriebs für die Energiekosten maßgeblich entscheidend, sondern vielmehr die Verlustleistung im Leerlauf- oder

Leichtlaufbetrieb. Unabhängig von der Betriebsart ist allen Audioverstärkern gemein, dass die Verlustleistung im Leerlauf/Leichtlauffall von der internen Betriebsspannung abhängt. Je höher die Betriebsspannung, desto höher die Verlustleistung. Der Zusammenhang variiert je nach Verstärkertyp zwischen linear bis quadratisch. Aus diesem Grund ist es nach erfindungsgemäßen Überlegungen

wünschenswert, die Betriebsspannung im Leerlauf- und Leichtlastfall

abzusenken. Eine weitverbreitete Topologie ist im Bereich der Linearverstärker die Klasse-H Endstufe, die zwischen zwei oder mehreren gestaffelten

Betriebsspannungen umschaltet. Im Leichtlastfall läuft der Verstärker auf der niedrigsten Betriebsspannung und reduziert dadurch die Leistungsaufnahme. Dieses Grundprinzip der Betriebsspannungsmodulation kann prinzipiell auf moderne Schaltverstärker (Klasse-D) übertragen. Allerdings treten hier einige prinzipbedingte Schwierigkeiten mit dadurch verbundenen Nachteilen auf:

- Im Gegensatz zu Linearverstärkern hat ein Schaltverstärker keine intrinsische Betriebsspannungsunterdrückung. Jede Veränderung der Betriebsspannung, muss durch die Gegenkopplung kompensiert werden, damit die

Betriebsspannungsänderung nicht als Störung auf den Verstärkerausgang durchschlägt. Ein hartes Umschalten der Betriebsspannung führt durch die endliche Wirksamkeit der Gegenkopplung zu mehr oder weniger hörbaren Störungen im Umschaltmoment am Verstärkerausgang. Gleichzeitig führt häufig ein hartes Umschalten der Betriebsspannung aufgrund des Umladens von Puffer- Kondensatoren zu Stromstößen auf der Netzversorgung der Verstärker, was insbesondere beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Geräte zum Auslösen der Netzsicherung führen kann.

- Eine Lösung für dieses Problem bei Schaltverstärkern wäre ein vergleichsweise langsames Hochfahren der internen Betriebsspannung. Eine mögliche

Realisierung ist ein geregeltes Netzteil. Im Leerlauffall oder Leichtlauffall stellt das Netzteil der Verstärkerstufe eine niedrige Versorgungsspannung zur

Verfügung. Sobald die Ausgangsspannung ansteigt, erhöht das Netzteil die interne Betriebsspannung. In der Praxis kommt es hier zu einem nicht

überwindbaren Kompromiss: Wenn das Hochfahren der Versorgungsspannung sehr langsam erfolgt, kann zwar die Gegenkopplung des Verstärkers Störungen am Ausgang auf ein akzeptables Niveau begrenzen. Gleichzeitig kann die kurzfristig erhöhte Stromaufnahme auf der Netzversorgung auf ein erträgliches Maß begrenzt werden. Der große Nachteil dieser Methode ist allerdings, dass bei plötzlicher Vollaussteuerung des Verstärkers die Versorgungsspannung nicht schnell genug hochgefahren werden kann. Die Verstärkerausgangsspannung wird dadurch für einige Zeit nicht der Verstärkereingangsspannung folgen, es kommt zwangsläufig zu nichtlinearen Verzerrungen am Verstärkerausgang, welche hörbar störend sein können. Dem kann man entgegenwirken, indem das Netzteil die Betriebsspannung schneller hochfährt, was wiederum die oben geschilderten Probleme durch die rasche Änderung der Höhe der

Betriebsspannung provoziert.

Wie oben erwähnt, sind die Verluste im Niedriglast- und Leerlaufbetrieb eines Audioverstärkers im Wesentlichen von der Betriebsspannung des Leistungsteils abhängig. Die Idee der Erfindung besteht darin, die Betriebsspannung der Verstärkerblöcke abhängig vom momentanen Betriebspunkt zu wählen.

- Liegt nur ein geringer Ausgangspegel an (Hintergrundmusik, Pilotton, ...) schaltet der Verstärker auf eine niedrige Versorgungsspannung (z.B. als„Low Rail" bezeichnet).

- Steigt nun der Ausgangspegel über eine gewisse Schwelle, wird ein „RAIL_UP"-Signal gesetzt und der Verstärker als Folge mit der vollen

Versorgungsspannung („High Rail") versorgt.

Je nach Anwendung und elektrischem Design kann der Umschaltvorgang der Betriebsspannung häufig oder selten erfolgen.

Eine weitere Idee der Erfindung sind folgende Punkte: a. Beim Hochschalten der Versorgungsspannung werden keine

Pufferkondensatoren umgeladen, dadurch entsteht auch kein Stromstoß auf der Netzversorgung. Das Hochschalten erfolgt dabei ausreichend langsam, so dass keine hörbaren Artefakte im Hochschaltmoment am Endstufenausgang auftreten b. Zeitgewinn für das Hochschalten durch Vorhersage der Ausgangsspannung: Damit Punkt a funktioniert, ist es notwendig, dass das Signal zum Hochschalten ausreichend früh erzeugt werden kann. Klassischerweise wird ein derartiges Signal durch Vergleich der Endstufenausgangsspannung mit einem Grenzwert erzeugt. Dann besteht aber genau das Problem, dass die internen Betriebsspannungen praktisch sofort hochgeschaltet werden müssen, was zu den oben erläuterten Problemen führt.

Die Erfindung geht jetzt den Weg, dass als Vergleichssignal die vorhergesagte Ausgansspannung verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung offenbart ein neuartiges Verfahren, das den

Energiebedarf von Leistungsverstärkern im Leichtlast- und Leerlauffall massiv reduziert. Dabei kommt es durch dieses Verfahren zu keinerlei Einschränkungen für die Anwendung und den Kunden im Betrieb. Da die Erfindung alleine in der

Endstufe realisiert werden kann, sind auch auf Systemebene keine Vorleistungen zu treffen.

Die vorliegende Erfindung ist eine Realisierung für einen Energiesparbetrieb von Audioverstärkern im Leerlauf- und Leichtlauffall ohne Nachteile mit sich zu bringen:

- Im Leicht- und Leerlauffall werden die Verstärkerstufen auf einer niedrigeren Betriebsspannung betrieben. So wird z.B. die reguläre Betriebsspannung von +/- 165V auf +/ ^_ 20V im Leicht- und Leerlauffall reduziert. In diesem Beispiel reduziert sich die Verlustleistung eines Verstärkerkanals um 80%. Die Verlustleistung eines gesamten Leistungsverstärkers kann im Leerlauffall durch Einsatz der vorliegenden Erfindung mehr als halbiert werden.

- Es wird eine Lösung aufgezeigt, die beim Hochschalten der internen

Versorgungsspannung keine Erhöhung der Netzstromversorgung im

Hochschaltmoment verursacht.

- Es wird eine Lösung aufgezeigt, die zu keinen hörbaren Artefakten am

Verstärkerausgang im Hochschaltmoment führt.

- Die Lösung arbeitet autark. Das heißt, die Energiesparfunktion wird

vollautomatisch durch den Verstärker ausgeführt, weder der Kunde noch das System muss irgendwelche Vorleistungen oder Einstellungen etc. vornehmen. - Der Verstärker ist während des Energiesparbetriebs uneingeschränkt funktionsfähig.

Die beschriebene Erfindung lässt sich in folgenden Punkten verallgemeinern:

- Das Hochfahren der Betriebsspannung kann im Falle von Mehrkanalverstärkern entweder kanalweise, für eine Gruppe von Kanälen oder für alle Kanäle gleichzeitig erfolgen.

- Die Erfindung ist am Beispiel eines Klasse- D Verstärkers mit bipolarer

Versorgungsspannung beschrieben. Die Erfindung lässt sich aber auch problemlos auf Verstärkerkonzepte mit unipolaren Versorgungsspannungen übertragen.

- Die Erfindung ist aus Gründen der Anschaulichkeit am Beispiel einer Klasse-D Halbbrücke beschrieben. Die Erfindung kann auch auf Vollbrücken-Topologien übertragen werden.

- Ebenfalls aus Gründen der Anschaulichkeit wird die Erfindung am Beispiel einer geerdeten Versorgungsspannung beschrieben. Die Erfindung ist allerdings auch auf ungeerdete (floatende) Netzteilkonzepte übertragbar. Damit ist auch ein Einsatz in geerdeten Vollbrücken (Grounded Bridge) oder erdfreien Verstärkern möglich.

- Die Erfindung ist an Hand eines Verstärkers mit analogem Audioeingang gezeigt. Für die Erfindung ist es allerdings irrelevant, ob das Audiosignal analog, digital oder auf anderem Weg dem Verstärker zugeführt wird.

- Der Vergleich der errechneten Ausgangspannung (Funktionsblock "Rail-Up- Generation") kann entweder mit einer festen Schwelle erfolgen, oder die

Schwelle kann dynamisch während des Betriebs verändert werden. Eine vorteilhafte Variante ist, dass die Schwelle in Abhängigkeit der tatsächlichen Spannung der niedrigen Versorgungsspannung +/" LOW RAIL nachgeführt wird. Dadurch wird erreicht, dass in der Praxis weder zu früh (erzeugt unnötige hohe Verlustleistung) noch zu spät (führt zu Verzerrungen) hochgeschaltet wird. - Bei Verstärkern mit bipolarer Versorgungsspannung ist es auch möglich, dass immer nur die jeweils benötigte Betriebsspannungsseite hochgeschaltet wird. Es ist also möglich, zwei (positiver Zweig und negativer Zweig) Schalter nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt zu schalten.

- Die Erfindung lässt sich entweder auf eine der oben genannten Alternativen anwenden, oder auf eine beliebige Kombination der oben genannten Alternativen (z.B. geerdete Vollbrücke mit unipolarer Versorgungsspannung).

Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:

Figur 1 einen Verstärker gemäß der Erfindung,

Figur 2 die Endstufe und die Spannungsquelle aus Fig. 1 im Detail,

Figur 3 einen Zeitverlauf von Signalen für vergleichsweise seltenes

Umschalten der Spannungsgröße,

Figur 4 einen vergleichbaren Zeitverlauf für vergleichsweise häufiges

Umschalten.

Figur 1 zeigt einen Verstärker 2 der Klasse D, also einen Klasse- D- Verstärker, zur (digitalen Verarbeitung und) Verstärkung eines Audiosignals 4. Der

Verstärker 2 enthält einen Signalpfad 6, auf dem das Audiosignal 4 vom unverarbeiteten unverstärkten Zustand bis zum verstärkten bearbeiteten Zustand den Verstärker 2 durchläuft, bevor es an einem Lautsprecher 8 ausgegeben wird. Im Signalpfad 6 enthält der Verstärker 2 eine Endstufe 10, die zur eigentlichen Leistungsverstärkung des Audiosignals 4 dient. Stromaufwärts der Endstufe ist im Signalpfad 6 eine digitale Signalverarbeitungseinheit 12 angeordnet, hier ein Digital- Analog- Konverter (DAC, digital-analog-converter). Im Verstärker 2 wird eine Spannung U zur Leistungsversorgung der Endstufe 10 bereitgestellt. Die Spannung U kann hierbei zwei verschiedene Größen Ul, U2 annehmen. Die Spannung U ist hierbei eine bipolare Spannung, die Größe Ul ist +/- 20 Volt und die Größe U2 ist +/- 165 Volt. Die Spannung U wird von einer Spannungsquelle 16 zur Verfügung gestellt. Die Spannungsquelle 16 dient also zur

Leistungsversorgung der Endstufe 10 mit der Spannung U. Im Signalpfad 6 befindet sich ein Messort 14 stromaufwärts der digitalen

Signalverarbeitungseinheit 12.

Der Verstärker 2 enthält eine Steuer- und Auswerteeinheit 18. Diese dient zur prädiktiven Ermittlung eines Spannungsbedarfs B aus dem Audiosignal 4 am Messort 14, d.h. zu demjenigen Signalabschnitt des Audiosignals, das zum Zeitpunkt tl am Messort 14 vorhanden ist. Die Ermittlung des Spannungsbedarfs

B erfolgt prädiktiv, das heißt der Spannungsbedarf B ist der später zu einem Zeitpunkt t2 in der Endstufe 10 benötigte Spannungsbedarf, das heißt die nötige Größe der Spannung U für die spätere ordnungsgemäße Verstärkung des betreffenden Signalabschnittes des Audiosignals 4 in der Endstufe 10.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 18 ist außerdem dazu eingerichtet, dem prädiktiv ermittelten Spannungsbedarf B folgend eine jeweilige Größe Ul oder U2 der Spannung U zu wählen, die für den Spannungsbedarf B minimal ausreichend ist und diese Spannung U der entsprechenden Größe Ul, 2 vor dem Zeitpunkt der Verstärkung des Audiosignals 4 an der Endstufe 10 anzulegen.

Gemäß Figur 1 wird also folgendes Verfahren durchgeführt:

Das Audiosignal 4 wird im Verstärker 2 verstärkt. Die Spannung U mit den beiden Größen, Ul, U2 wird bereitgestellt. Aus dem Audiosignal 4 wird am Messort 14 (zum Zeitpunkt tl) ein für dessen spätere Verstärkung (zum Zeitpunkt t2) in der Endstufe 10 benötigter Spannungsbedarf B prädiktiv ermittelt. Diesem Spannungsbedarf B folgend wird eine jeweilige Größe Ul oder U2 der Spannung U gewählt, die für den Spannungsbedarf B minimal ausreichend ist und diese Spannung U bzw. Größe Ul oder U2 vor dem Zeitpunkt der Verstärkung (t2) des Audiosignals 4 an die Endstufe 10 angelegt.

Konkret trifft also zu einem Zeitpunkt tl ein bestimmter Abschnitt oder eine bestimmte Stelle des Audiosignals 4 am Messort 14 ein und wird dort

ausgewertet. Anhand der Auswertung wird bestimmt, welchen Spannungsbedarf die Endstufe 10 zu einem Zeitpunkt t2 benötigen wird, wenn dieser Abschnitt des Audiosignals 4 an der Endstufe 10 eintrifft, um dort verstärkt zu werden. Insofern erfolgt die Ermittlung prädiktiv, da bereits zum Zeitpunkt tl vorausgesagt wird, welcher Spannungsbedarf B die Endstufe 10 zum Zeitpunkt t2 haben wird. Es verbleibt somit die Zeitdifferenz t2-tl (abzüglich einer eventuellen Rechenzeit zur Ermittlung des Spannungsbedarfes B), um die Spannung U auf die

entsprechende Größe Ul oder U2 zu bringen.

Es gilt Ul < U2. Die Größe Ul wird daher gewählt, wenn der Spannungsbedarf B kleiner gleich der Größe Ul ist. Die Größe U2 wird gewählt, wenn der

Spannungsbedarf B größer der Größe Ul ist. Der Übergang zwischen den Spannungen Ul und U2 erfolgt hierbei mit einer maximalen Flankensteilheit von einem Volt pro Mikrosekunde. Da die Zeitdifferenz t2-tl der Verarbeitungszeit des Audiosignals 4 in der digitalen Zeitverarbeitungseinheit 12 entspricht und hier mehrere 100 Mikrosekunden beträgt, verbleibt ausreichend Zeit, um mit der gegebenen Flankensteilheit zwischen den Größen Ul, 2 bei Bedarf hin und her zu wechseln bzw. umzuschalten, wobei die Umschaltung hier eben nicht sprunghaft, sondern mit der gegebenen maximalen Flankensteilheit erfolgt.

Insbesondere wird die Flankensteilheit so gewählt, dass die Zeitdifferenz t2-tl gerade ausreicht um in der verfügbaren Zeit t2 - tl zwischen den Größen Ul und U2 zu wechseln.

Innerhalb der Spannungsquelle 16 werden für jede der Größen Ul und U2 der Spannung U eine eigene Festspannung U F1, 2 der jeweiligen Größe Ul,2 dauerhaft vorgehalten und die Spannung U über eine kontinuierliche

Umschaltung zwischen den Festspannungen U F1,2 erzeugt.

Der Signalpfad 6 enthält außerdem in der Reihenfolge stromabwärts die nicht näher erläuterten Einheiten: Analog- Digital- Konverter ADC,

Eingangsverarbeitung (Input-Processing) 34, Array-Steuerung (Array-Control) 36 und Lautsprecherverarbeitung ("Speaker-processing) 38. Die letzten drei genannten Komponenten zusammen mit der Steuer- und Auswerteeinheit 18, hier auch "Rail-Up-Generation" genannt, sind in einem digitalen Signalprozessor DSP 20 vereint. Die Lautsprecherverarbeitung 38 wird auch„Level-Controller" genannt bzw. kann einen solchen enthalten. Figur 2 zeigt die Endstufe 10 sowie die Spannungsquelle 16 aus Figur 1 jeweils im Detail. Die Spannungsquelle 8 enthält einen Ausgang 22, der, da die

Spannungsquelle hier bipolar ausgeführt ist, in zwei Teilausgänge 22a, b für das jeweils obere (+) und untere (-) Potential aufgeteilt ist. Die Spannungsquelle 16 ist also eine bipolare Spannungsquelle. Für jede Größe Ul, U2 der Spannung weist die Spannungsquelle 18 einen Festspannungseingang Fl und F2 auf, welche hier ebenfalls aufgrund der Bipolarität als jeweils zwei Teileingänge Fla, b und F2a, b ausgeführt sind. Der Festspannungseingang Fla wird als "+ low rail" bezeichnet, Flb als "- low rail", F2a als "+ high rail" und F2b als "-high rail".

Die Spannungsquelle 16 enthält zwei kontinuierlich schaltbare Schaltelemente 24a, b welche durch ein von der Steuer- und Auswerteeinheit 18 erzeugtes Rail- Up-Signal 26 schaltbar sind.

So können wahlweise je nach Ansteuerung durch das Rail-Up-Signal 26 verschiedene Festspannungseingänge Fl, 2 auf den Ausgang 22 geschaltet werden. Im Falle der Aktivierung des "High-Rail" wird dank einer Diode der Schaltelemente 26 die Spannung "Low- Rail" deaktiviert bzw. geschützt. Der Ausgang 22 und Festspannungseingänge Fl, 2 weisen also jeweils die zwei genannten Pole (Schnittstelle, Anschlüsse) auf. Für jeden Pol des Ausgangs 22a, b ist ein Schaltelement 24a, b enthalten.

Der Verstärker 2 enthält hier nur symbolisch angedeutete Pufferkondensatoren 28 für die Spannung U bzw. die Festspannungen der Größen Ul,2 lediglich auf den dem Ausgang 22 abgewandten Seiten der Festspannungseingänge Fl, 2. Da die Festspannungen stets dauerhaft vorgehalten werden, sind diese

Pufferkondensatoren dauerhaft geladen und werden jedenfalls nicht durch von den Schaltelementen 24a, b verursachte Schaltvorgänge umgeladen.

Die Endstufe 10 enthält in nicht näher erläuterter und üblicher Weise einen Niederfrequenzeingang N FI und erzeugt aus diesem ein PWM-Signal PWM, welches verstärkt und über ein Tiefpassfilter 30 auf einen

Niederfrequenzausgang N FO geführt wird. Figur 2 zeigt also eine mögliche schematische Realisierungsform eines Klasse- D-Verstärkers mit schaltbaren Betriebsspannungen. Gezeigt wird hierbei eine mit einer bipolaren Versorgungsspannung (Spannung U) gespeiste Klasse-D Halbbrücke (Endstufe 10). Die Funktion des Hochschaltens der

Versorgungsspannung (Spannung U von Größe Ul auf Größe U2) ohne

Umladen von Pufferkondensatoren ist wie folgt:

Ein nicht dargestelltes Netzteil stellt permanent die bipolare niedrigere ("kleine") Versorgungsspannung +LOW RAIL (Fla) und - LOW RAIL (Flb) sowie die bipolare hohe (größere) Versorgungsspannung +HIGH RAIL (F2a) und -HIGH RAIL (F2b) zur Verfügung.

Im Leicht- und Leerlauffall der Endstufe 10 wird die Klasse-D Halbbrücke (bestehend aus den dargestellten, nicht näher bezeichneten

Feldeffekttransistoren und dem Rekonstruktionsfilter (Tiefpassfilter 30)) über die dargestellten Dioden mit der niedrigen Versorgungsspannung U der Größe Ul versorgt.

Wenn die Endstufe 10 eine höhere Ausgangsspannung abgeben muss, d.h. der eintreffende Teil des Audiosignals 4 zu dessen ordnungsgemäßer Verstärkung einen Spannungsbedarf B der Spannung U größer der Größe Ul benötigt, werden über das Signal RAIL_UP 26 die Schaltelemente 24a,b (enthalten ebenfalls eigentlich zu schaltende Feldeffekttransistoren) durchgeschaltet. Damit wird die Klasse-D Halbbrücke mit der höheren Versorgungsspannung (Spannung U der Größe U2: + HIGH RAIL und - HIGH RAIL) versorgt.

Die Klasse-D Halbbrücke verfügt über keine lokalen Pufferkondensatoren 28, die einen nennenswerten Beitrag zur Energiespeicherung leisten. Von daher fließt im Moment des Hochschaltens der Versorgungsspannung U kein erhöhter

Ladestrom. Als Folge kommt es zu keinen Stromimpulsen auf der

Netzversorgung (insbesondere eingangsseitig im Netzteil) durch das

Hochschalten.

Wie bereits oben ausgeführt, muss bei Klasse-D Verstärkern ein Hochfahren der Versorgungsspannung (Größe Ul auf Größe U2) vergleichsweise langsam erfolgen, damit im Hochschaltmoment es nicht zu hörbaren Artefakten am Endstufenausgang (NFO bzw. Lautsprecher 8) kommt. Diese Technik kommt hier zum Einsatz: Die Treiberstufen (FETs der Schaltelemente 24a, b) bzw.

Schaltsignale (Rail-Up-Signal 26) für die Schaltelemente 24a, b sorgen für einen ausreichend langsamen Anstieg der Betriebsspannung der

Versorgungsspannungen von Größe Ul auf U2, indem die Feldeffekttransistoren (in den Schaltelementen 24a, b) definiert langsam durchgeschaltet werden.

Um jetzt nicht wie oben geschildert das Problem von nichtlinearen Verzerrungen zu haben, wird folgendermaßen vorgegangen: Wie weiter unten ausgeführt werden wird, wird das RAIL-UP-Signal 26 vorausschauend bzw. prädiktiv erzeugt. Das langsame Hochfahren der Betriebsspannung (Spannung U) von der Größe Ul auf die Größe U2 wird dadurch bereits gestartet, bevor die Endstufe 10 die hohe Betriebsspannung (U2) benötigt. Durch diese Technik steht der Endstufe 10 zum richtigen Zeitpunkt t2 die hohe Spannung (U2) bereit, ohne dass es zu hörbaren Umschalt- Artefakten am Endstufenausgang (NFO) kommt.

Figur 1 zeigt die wesentlichen Funktionsblöcke des Signalflusses innerhalb eines modernen Audio-Leistungsverstärkers 2 mit digitaler Signalprocessing Funktion (DSP 20). Figur 1 zeigt damit ein Signalflussdiagramm eines

Audioleistungsverstärkers mit digitaler Prozessingfunktion. Das Eingangssignal (Audiosignal 4, unverarbeitet, unverstärkt) wird dem Verstärker über den Eingang (INPUT) 32 zugeführt. Das Signal wird mittels des Analog- Digital- Konverters ADC in ein digitales Signal gewandelt. Im Funktionsblock DSP 20 erfolgen dann diverse Signalverarbeitungsvorgänge. Der Ausgang des Funktionsblocks (bzw. Ausgang der Lautsprecherverarbeitung 38 - SPEAKER PROCESSING) wird am Messort 14 abgegriffen. Der Funktionsblock RAIL_UP GEN ERATION (Steuer- und Auswerteinheit 18) verwendet dieses Signal und errechnet unter

Berücksichtigung der Verstärkung der Endstufe 10 (CLASS-D AMP) das zu erwartende Ausgangssignal. Überschreitet das berechnete Ausgangssignal (potentielles verstärktes und bearbeitetes Audiosignal 4 am

Niederfrequenzausgang NFO) eine definierte Schwelle, wird das Signal RAIL_UP 26 generiert, das wie oben beschrieben das vergleichsweise langsame

Hochfahren der internen Versorgungsspannung einleitet. Damit liegt das Signal RAIL_UP 26 bereits zu einem Zeitpunkt tl (um Rechenzeit verzögert, s.o.) vor, bevor das Audiosignal 4 nach dem Durchlaufen des Digital- Analog- Konverters (DAC, Signalverarbeitungseinheit 12) zum Zeitpunkt t2 den eigentlichen Verstärker (Endstufe 10) erreicht. Marktübliche Digital-Analog- Konverter für Audioanwendungen haben üblicherweise Latenzzeiten von mehreren ΙΟΟμε. Während das Audiosignal 4 den Digital- Analog- Konverter DAC durchläuft, wird bei Bedarf bereits parallel die Betriebsspannung von Größe Ul nach U2 hochgefahren. Die höhere Betriebsspannung der Größe U2 steht damit zum richtigen Zeitpunkt t2 (Eintreffen des am Messort 14 ausgewerteten

Audiosignals 4 bzw. Signalabschnittes) dem Klasse-D Verstärker (Endstufe 10) zur Verfügung, ohne dass es zu unerwünschten Nebenwirkungen kommt.

Figur 3 zeigt das Audiosignal 4 sowie den jeweilig ermittelten Spannungsbedarf B für jeden Zeitpunkt des Signals über der Zeit T Millisekunden sowie den Verlauf der Spannung U bzw. der Potentiale an den Ausgängen 22a, b bei einer vergleichsweise langsamen Schaltweise. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung für die Realisierung seltenen Schaltens. Aufgetragen sind lediglich zur qualitativen Erläuterung Potentiale ([U]) der Ausgänge 22a, b über der Zeit t.

Figur 4 zeigt entsprechende Vorgänge für eine schnelle Schaltweise, wobei dem entsprechenden Bedarf B jeweils sehr schnell gefolgt wird. Insgesamt ergibt sich gemäß Figur 4 eine größere Energieeinsparung als gemäß Figur 3. Figur 4 zeigt also die schematische Darstellung für die Realisierung häufigen Schaltens. Die Darstellung entspricht Figur 3