阅读说明：本技术 音频装置和用于过热保护的方法 (Audio device and method for overheat protection ) 是由 F·霍夫麦斯特 T·施泰因 G·绍尔 P·恩格尔 J·普拉格 于 2018-04-11 设计创作，主要内容包括：在一种用于保护在音频设备(4)内的部件(6)免于超过最大内部温度(TI)的方法中,求取部件(6)的损耗功率(V)；测量在部件(6)处的测量温度(TM)；基于损耗功率(V)借助部件(6)的热模型(14)求取部件(6)的在部件处的测量温度(TM)与内部温度(TI)之间的温度差(DT)；将内部温度(TI)求取为测量温度(TM)与温度差(DT)的和；基于内部温度(TM)和部件(6)的已知的部件数据(16)求取损耗功率(V)的允许的最大值(VM)；当损耗功率(V)不超过最大值(VM)时,在正常运行(N)下运行部件(6),否则在功率降低的省电运行(S)下运行部件(6),使得将损耗功率(V)限制在最大值(VM)。一种音频装置(2),其具有音频设备(4),音频设备在内部包含部件(6),保护部件(6)免于超过最大内部温度(TI),音频装置包含保护模块(8)用以实施根据本发明的方法。(In a method for protecting a component (6) within an audio device (4) from exceeding a maximum internal Temperature (TI), a power loss (V) of the component (6) is determined; measuring a measured Temperature (TM) at the component (6); determining a temperature Difference (DT) between a measured Temperature (TM) of the component (6) at the component and an internal Temperature (TI) of the component (6) by means of a thermal model (14) of the component (6) on the basis of the power loss (V); calculating the internal Temperature (TI) as the sum of the measured Temperature (TM) and the temperature Difference (DT); determining an allowable maximum Value (VM) of the power loss (V) on the basis of the internal Temperature (TM) and known component data (16) of the component (6); when the power loss (V) does not exceed the maximum Value (VM), the component (6) is operated in normal operation (N), otherwise the component (6) is operated in reduced-power saving operation (S), so that the power loss (V) is limited to the maximum Value (VM). An audio device (2) having an audio apparatus (4) which internally contains a component (6), the component (6) being protected from exceeding a maximum internal Temperature (TI), the audio device containing a protection module (8) for implementing the method according to the invention.)

音频装置和用于过热保护的方法

技术领域

为了能够在电子设备和电路(例如在音频设备中)中保证可靠性，必须使在音频设备内的所有所使用的部件(例如半导体)在所谓的安全运行区域内(英语Safe OperatingArea，缩写SOA，安全运行区域)运行。SOA基本上描述如下损耗功率的量：该损耗功率可以对部件(例如构件)进行预期(zumuten)，而不损坏该部件。在该范围之外部件(例如半导体)发生过载，这将导致破坏该部件。

背景技术

由EP 0 135 870 A1已知一种用于用电器的过载保护的方法，在该方法中周期性地测量在用电器上起作用的冷却装置的用电器电流和温度，并且给电路装置输送在每个周期后所测量的电流和温度的值，其在该电路装置中根据热系统的算法进行处理以模拟温度，并且将所模拟的温度与预给定的极限温度进行比较，在该极限温度以上对开关进行操纵，以中断用电器电流。用电器配属有至少一个热系统，该热系统分别具有至少两个系统主体

周期性地求取热系统的系统主体的损耗。由如此所求取的损耗、冷却剂温度的周期性地分配的值以及热系统的系统主体的热容量和导热值来求取热系统的每个系统主体的温度，并且将热系统的每个要保护的系统主体的这样求取的温度与分配给该系统主体的极限温度连续地进行比较。

发明内容

在本发明的范畴内公开一种具有权利要求1所述的特征的方法。从其他权利要求、以下说明书以及附图中得出本发明的优选的或有利的实施方式以及其他发明类别。

该方法用于保护部件。该部件处在音频设备内。保护该部件免于以下情况：部件内的内部温度超过最大内部温度或最大值。在此，不能实现直接测量内部温度，因为该内部温度例如涉及作为部件的半导体内的阻断层温度(Sperrschichttemperatur)。

在该方法中，求取部件的损耗功率。此外，测量在部件处的测量温度。“在部件处”意味着再部件的在测量技术上可触及的测量位置处或在部件的周围环境中，该测量位置与内部温度热耦合，由此因此可以推断出内部温度。测量位置尤其是部件的电连接端、冷却体(部件与该冷却体热耦合)、部件的壳体区段等。

基于损耗功率来求取部件的温度差。该温度差存在于在部件处的测量温度和部件内的内部温度之间。借助部件的热模型来求取温度差。然后将内部温度求取为测量温度与温度差的和。

基于内部温度并且基于部件的已知的部件数据来求取损耗功率的允许的最大值。众所周知(即根据已知的部件数据或部件特性)，在该损耗功率的最大值的情况下达到最大允许的或期望的内部温度(内部温度达到其最大值)，在该最大允许的或期望的内部温度的情况下仍然尤其允许运行部件而没有破坏风险。

根据该方法，尤其如此降低输出功率，使得从不超过损耗功率的(温度相关的)最大值。

如果损耗功率不超过最大值，则尤其在正常运行中运行部件。替代地，即当损耗功率将要超过最大值时，在功率降低的省电运行中运行该部件。如此功率降低地实现省电运行，使得将损耗功率限制在最大值。

尤其在半导体的情况下，最大允许的损耗功率取决于内部的阻断层温度。因此，可以在任何时刻借助所求取的阻断层温度来求取要保护的部件的最大允许的损耗功率。在要保护的部件即将发生过载的情况下，借助在此提出的方法如此降低音频信号、尤其音频设备的输出信号并且因此降低输出功率，使得不超过部件的最大允许的损耗功率。

在所求取的最大损耗功率的情况下，刚刚恰好达到部件内的最大内部温度，而不超过该最大内部温度。根据该方法，仅在损耗功率超过允许的最大值的情况下限制该损耗功率，这将会导致内部温度上升超过内部温度的最大允许值。因此，相比于常规的正常运行，尤其在省电运行中部件的功率降低，由此该部件的损耗功率也降低。如果不超过最大值，则不受限制地运行部件。

尤其由例如部件的数据表(Datenblatt)已知部件数据。损耗功率的“最大值”可以是物理上允许的值，在超过该值时构件即将发生破坏。然而，如果不应该完全充分利用在部件内的物理上的最大允许的内部温度，而是应该例如仅是该温度的80％、90％或95％，或者应该保持例如比该温度低10度、15度或20度，则最大值也可以是所期望的较低的最大值。因此剩余一定的安全余量，用以保护部件免受破坏。

因此，根据该方法，当继续进行部件的以及音频设备的受限的(省电)运行时，即使当内部温度在常规的正常运行下达到或接近内部温度的最大值时，仅对部件中的损耗功率进行功率限制，并且因此例如也对部件的或音频设备的输出功率进行功率限制。但是音频设备继续保持运行，而不需要完全关断。

根据本发明，以放大器形式的音频设备例如提供例如持续4分钟的满的输出功率(正常运行)，然后限制最大输出功率(省电运行)。在此，可以察觉到降低3dB，但不是非常清楚，其中，这意味着输出功率减半，由此明显地减轻功率电子部件(Leistungselektronik)的负载。因此，与关断相反，将维持基本功能。

在一种优选的实施方式中，通过以下方式求取损耗功率：求取部件的输出功率，并且基于输出功率和已知的部件数据来求取损耗功率。输出功率通常可以比损耗功率更简单地确定，例如基于部件的输出电压和/或输出电流。为此所考虑的部件数据例如是构件特性或在部件处的运行电压。因此，可以间接地、但是基于与部件数据的关联来求取损耗功率。替代地，也可以求取输入功率或其他参量，由此根据已知的部件数据能够推断出部件的(内部)损耗功率。

在一种优选的实施方式中，还基于内部温度和/或测量温度来求取损耗功率。两个温度都可以具有对部件中的损耗功率的影响。因此，考虑相应的温度导致更准确地求取出损耗功率，并且因此导致使正常运行和省电运行与对于损耗功率的基于最大值预给定的功率限制更准确地相协调。

在一种优选的实施方式中，在热模型中使用至少一个热时间常数。该时间常数描述热段(thermische Strecke)的动态热特性。热段处在内部温度的位置(该内部温度发生或存在在该位置)与测量温度的测量位置(在该测量位置处对测量温度进行测量)之间。通过这种热模型能够特别安全地且可靠地由测量温度推断出内部温度。

在一种优选的实施方式中，由允许的损耗功率的最大值求取出部件的允许的输出功率的最大值。这相应于以上基于部件数据来进行。在功率降低的省电运行中如此运行部件，使得将输出功率限制在对应的最大值(对于输出功率)。相比于损耗功率，通常可以更好地或直接地或立即地对部件的输出功率进行控制。例如通过在部件处的电流和/或电压可以确定在部件处的输出功率。例如可以以简单的方式影响或控制该电流和该电压。因此可以特别简单地执行该方法。

在一种优选的实施方式中，在省电运行中借助音频限制器将损耗功率限制在最大值。在此，音频限制器在音频路径中布置在部件的上游。在音频路径上引导音频信号，并且(音频信号的至少一个部分信号)输送给部件作为输入信号。通过如下方式实现限制：相对于音频信号在正常运行中的变化过程对作为输入信号的音频信号进行限制。音频限制器尤其可以简单地实现或在市场上可得到。通过使用该音频限制器能够特别简单地执行该方法。通过限制音频信号尤其使该音频信号的“音量”或幅度降低，然后部件(例如输出级放大器)需要较少的功率用于部件的处理，并且因此部件产生较少的损耗功率。

在本发明的范畴中还公开根据权利要求7所述的音频装置。该音频装置包含音频设备。在音频设备内包含部件。如上所述的那样，可以保护部件免于超过该部件内的最大内部温度。音频装置包含保护模块。该保护模块用于实施根据本发明的方法或设置用于实施根据本发明的方法。结合根据本发明的方法已经根据含义地阐述该音频装置和该音频装置的实施方式的至少一部分以及相应的优点。因此，给音频设备分配保护模块，以便根据上面所阐述的方法来保护部件。换句话说，音频装置是关于保护模块而改进的音频设备。保护模块设置用于实施以下方法：

-求取部件的损耗功率；

-测量在部件处的测量温度；

-借助部件的热模型基于所求取的损耗功率和所测量的测量温度来求取内部温度；

-基于内部温度和部件的已知的部件数据来求取损耗功率的允许的最大值；

-对音频信号如此进行限制，使得损耗功率不超过最大值和/或不超过最大内部温度。

在一种优选的实施方式中，音频设备和/或音频装置是用于放大上述音频信号的音频放大器。音频放大器尤其是输出级。由于内部的过热温度，音频放大器通常特别容易破坏所包含的部件。通过本方法或保护模块特别有效地保护这些部件。

在一种优选的实施方式中，部件包含要保护的半导体构件或者该部件是要保护的半导体构件。内部温度则是半导体构件中的阻断层温度。半导体构件尤其在该半导体构件的阻断层方面特别地温度敏感。通过当前的方法或保护模块特别有效地保护这些半导体构件免受破坏。

替代地，然而部件也可以包含以下或者是以下：电容、电感、继电器、电阻、电动机。但是该部件也可以是由多个单构件构成的构件组。然后单构件又例如是所提及的半导体、电容、电感等。这些部件也可以是特别损耗功率敏感的或特别温度敏感的，并且通过当前的方法或保护模块特别有效地保护这些部件。

在一种优选的实施方式中，保护模块包括如上所述的音频限制器。音频限制器在音频路径中布置在音频设备的上游。在音频路径上引导音频信号，并且将该音频信号作为输入信号输送给音频设备并且因此输送给部件。音频限制器设置用于在省电运行中对音频设备中的音频输入信号进行限制。因此，在音频路径中音频限制器也布置在部件的上游，由此得出上面所提及的优点。

本发明依据以下认识、观察或考虑并且还具有后续的实施方式。在此，这些实施方式也部分地简称为“本发明”。在此，这些实施方式也可以包含或相应于上面所提及的实施方式的部分或组合，和/或必要时也可以包含目前未提及的实施方式。

本发明基于以下考虑：可以以不同的方式实现在SOA内确保部件的运行：例如在设备中在所使用的半导体(作为部件)的一部分的情况下，通过设计本身确保在SOA内的运行，并且使用者对半导体的荷载(Beanspruchung)具有很小的影响或几乎没有影响。恰好在功率电子部件中通常存在这种情况：根据运行类型，各个半导体的负载强烈地变化。如果使用者对这些单个部件的荷载具有大的影响，则必须采取特殊的预防措施，以保护这些部件。在最坏的可能的情况下部件的设计(例如由于使用者而造成短路)在此通常等同于用于正常运行的完全超尺寸。虽然在大多数情况下应急切断设备可以保护部件，但是从使用者角度看这通常不是优选的。

因此，本发明的基本思想是：识别出即将发生的过载并且做出降低输出功率(或损耗功率)的反应，以便因此限制温度升高。一种构想是通过对部件的输出电压和输出电流进行测量和/或借助温度传感器来实现识别出即将发生的过载，将该温度传感器放置在要保护的部件的或要保护的构件的附近的测量位置处，例如在同一个冷却体上。因此，不测量部件(半导体)本身的温度，而是测量与部件温度(半导体温度)尽可能好地热耦合的温度。在静态负载的情况下，在此温度差大多很低。然而，如果突然出现强烈的负载(或潜在的过载)，则过去一段时间，直到测量位置(例如冷却体)升温。在这段时间中，所测量的温度与实际的部件温度(半导体温度)之间的温度差可能非常高。因此为了能够仅基于所测量的温度安全地保护部件(半导体)免受破坏，需要规划相当大的余量(Reserve)，以便能够对这些动态负载采取防护措施(absichern)。也就是说，另一方面静态最大功率明显地低于可能的输出功率。

本发明基于以下认识：通过部件的内部特性以及通过外部运行条件(例如在部件处的电压和电流)来确定部件(例如构件)的损耗功率。部件特性或构件特性是已知的。在数据表中应该完全说明部件特性或构件特性。如果部件的外部运行条件也是已知的，则能够计算部件(例如半导体)的瞬时损耗功率。运行电压例如可以是已知并且恒定的，并且电流是可变的、但被测量。如果要保护的部件或构件的损耗功率是已知的，则可以借助热模型来计算部件(例如半导体)中的当前温度。如果借助热模型——例如福斯特模型(Foster-Modell)——来模拟部件内部或半导体内部与温度测量的测量位置(例如温度传感器)之间的段，则可以将所计算出的升温与所测量的温度相加。以这种方式得到部件的内部温度，例如要保护的部件或构件的阻断层温度。现在可以基于在部件或半导体内的内部温度或阻断层温度的相对准确的认识来降低输出功率。附加地，在损耗功率求取时可以将内部温度的或阻断层温度的信息一同考虑在内，只要这些信息是相关的(例如MOSFET中的导通电阻)。因此，借助相同的部件能够在完全的运行安全的情况下实现更高的输出功率。反之，借助这种方法对于相同的输出功率能够使用更便宜的部件。

因此，该方法尤其基本上包含5个特征点：

1.求取要保护的部件的或构件的损耗功率；

2.借助所计算的损耗功率和热模型求取温度升高；

3.温度测量；

4.求取最大允许的损耗功率或输出功率；

5.(必要时)降低损耗或输出功率。

因为借助所提及的方法可以由破坏机制(即在部件内部或半导体内部的过热)直接推导出最大允许的损耗功率或输出功率，因此相对于传统方法或上面引用的方法可以明显地降低不确定余量。从顾客角度来看，该设备因此具有更大的输出功率。

本发明可以应用于所有类型的电子构件。因此，可以保护电容、电感、继电器、电阻、电动机或必要时整个组件免于发生过载，其中，同时可以为应用提供最大功率。

附图说明

由本发明的优选实施例的以下描述以及附图得出本发明的其他特征、效果和优点。在此示出示意性的原理图：

图1示出根据本发明的音频装置；

图2示出用于阐述根据本发明的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出音频装置2。该音频装置包含音频设备4。音频设备4在内部(即在该音频设备的内部)包含部件6。部件6在内部(即在该部件的内部)具有不能实现直接测量的内部温度TI。保护该部件6免于超过最大内部温度，即内部温度TI不应该超过最大值。此外，音频装置2还包括保护模块8。该保护模块设置用于实施保护方法。下面将进一步阐述该保护方法。

音频设备4是音频放大器。因此，音频装置2是放大器装置。音频设备4是输出级。部件6是要保护的半导体构件。内部温度TI是半导体器件中的阻断层温度。保护模块8包含音频限制器10。音频限制器10在音频路径12中布置在音频设备4的上游。音频限制器10设置用于在省电运行S(这通过指向下方的箭头来说明)中对音频信号A进行限制，沿着音频路径12给音频设备4输送该音频信号A作为输入信号。因此，在音频路径12上引导音频信号A。保护模块8执行以下保护方法：

该方法用于保护音频设备4内的部件6免于超过最大内部温度TI。在该方法中求取部件6的损耗功率V，该损耗功率在图1中通过圆圈象征性地示出。此外，在部件6处或在部件6之外在测量位置13处、在此在与部件6热耦合的、未示出的冷却体处对测量温度TM进行测量。基于损耗功率V借助部件6的热模型14求取对于部件6的温度差DT，该热模型存储在保护模块8中。温度差DT描述内部温度TI减去测量温度TM的差。现在，内部温度TI作为测量温度TM与温度差DT的和而求取成TI＝TM+DT。基于内部温度TI和部件6的已知的部件数据16(该部件数据同样存储在保护模块8中)，可以求取损耗功率V的允许的最大值VM。在损耗功率V等于最大值VM的情况下，将会达到最大允许的或期望的内部温度TI_最大。在这种情况下即将发生过载，因此相比于正常运行N降低音频信号4以及最大输出功率LA，由此内部温度TI虽然达到其最大值TI_最大，但不会超过该最大值。

在通过音频限制器10限制音频信号A的情况下，在正常运行N与省电运行S之间没有“硬的(hart)”区别，因为总是限制最大输出功率LA。始终基于当前的内部的构件温度TI仅重新求取最大输出功率LA的值MA，并且因此始终给音频限制器10输送限制值。

周期性地执行上述方法步骤。因此，如上所述地周期性地求取内部的阻断层温度TI。借助部件数据16周期性地求取部件6的最大允许损耗功率VM，并由此求取最大允许的(值MA)输出功率LA。由该值MA对音频限制器10预给定限制值。因此，如果在限制器10前通过音频信号A产生的预期的损耗功率V低于最大允许的损耗功率VM，则争取不发生降低。然后，再次在正常运行N中运行部件6(在图1中以虚线表示)。在该示例中，然后将输送音频信号A在音频路径12上不受限制地输送给音频设备4并且因此输送给部件6。

在该方法中通过如下方式来求取损耗功率V：求取部件6的输出功率LA，并且基于该输出功率LA和已知的部件数据16来求取损耗功率V。在该示例中，输出功率LA是由部件6放大的音频信号A的功率。

在此，在求取损耗功率V中，也将当前所求取的内部温度TI(在第一次求取该内部温度之后或在例如第一次估算该内部温度时，例如等于测量温度TM)考虑在内。

基于部件数据16由允许的损耗功率V的最大值VM来求取部件6的允许的输出功率LA的最大值MA。在功率降低的省电运行S中如此运行部件6，使得输出功率LA被限制在最大值MA或者将输出功率LA限制在最大值MA。

因此，通过借助音频限制器10来限制音频信号A而实现在省电运行S中限制损耗功率V或输出功率LA。通过限制输出功率LA也限制损耗功率V，该损耗功率通过部件6的内部结构或特性而与该输出功率有关联。在正常运行N中不通过音频限制器10进行限制。因此，音频信号A可以不被改变地通过该音频限制器，使得音频设备正常地、即在不受限制地运行。

图2在以根据图1的音频功率放大器的形式的音频设备4中的半导体保护(保护以半导体形式的部件6)的示例中具体地阐述本发明：

1.求取损耗功率

(用虚线框说明)

在部件6处对输出电压U_输出和输出电流I_输出进行测量。结合静态参数(例如构件特性)和以部件数据16的形式的内部运行电压，根据输出电流I_输出和输出电压U_输出来求取损耗功率V。在此，借助未详细阐述的函数f(U)和f(I)来改进输出电压U_输出和输出电流I_输出，并且将结果与静止损耗功率R相加。此外，在此还将以内部温度TI形式的所求取的(如上所述例如在第一次时所估算的)构件温度考虑在内，因为在通过输出电流I_输出产生的损耗功率V中一同考虑该构件温度。在此，将内部温度TI与输出电流I_输出的未详细阐述的函数f(I)进行相乘并且同样地进行相加。因此，所求取的阻断层温度(内部温度TI)引回到损耗功率求取。

2.热模型

基于损耗功率V借助热模型14来计算以温度差DT形式的升温。在该示例中，使用三个时间常数pt1-3(具有连接在下游的未详细阐述的热电阻R1-3)，以便描述热段18——即从在部件6中的阻断层(内部温度TI的位置)到未示出的温度传感器(测量测量温度TM的测量位置13)的段——的动态热特性。在这种情况下，借助三个时间常数pt1-3可以足够精确地描述段18。其他情况下，也可以使用多于或少于三个时间常数pt，以描述段18的动态热特性。

因此，在热模型14中使用3个热时间常数pt1-3和3个热电阻R1-3，其描述热段18的动态热特性，该热段在内部温度TI的位置与测量温度TM的位置(测量位置13)之间延伸。

3.温度测量

升温(温度差DT)与“周围环境温度”(测量温度TM)共同计算出绝对的阻断层温度(内部温度TI)。

4.求取最大允许的输出功率

(通过虚线框说明)

由部件6的数据表(部件数据16)得出，在多大的内部温度TI下能够预期构件(部件6)多大的损耗功率(最大值VM)。因为(由部件数据16)已知对输出参量(输出电流I_输出和输出电压U_输出)的影响如何对构件(部件6)中的损耗功率V产生影响，因此还可以由构件的允许的损耗功率VM计算出最大允许的输出参量(U_输出和I_输出的最大值)。

5.降低输出功率

(通过虚线框说明)

借助音频限制器10如此限制放大器(音频设备4)的输出功率LA，使得不超过半导体(部件6)中的最大允许的损耗功率VM。为此，将未详细阐述的阈值传递给音频限制器10。