通过预测可用电源能量避免音频功率传输中的削波 |
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| 申请号 | CN202080040043.6 | 申请日 | 2020-05-22 | 公开(公告)号 | CN113906672A | 公开(公告)日 | 2022-01-07 |
| 申请人 | 思睿逻辑国际半导体有限公司; | 发明人 | 托马斯·霍夫; 埃里克·J·金; | ||||
| 摘要 | 功率输出 电路 提供音频功率输出 信号 ，在需要时，其基于来自提供功率输出电路的电源的可用 能量 的估算值被调整以防止削波。功率输出电路可以是音频功率输出电路，其从存储在 缓冲器 中的音频程序的样本生成音频功率 输出信号 。处理 块 确定用于从音频程序产生音频功率输出信号的能量需求，并根据所确定的能量需求和为电源确定的可用能量调整音频功率输出信号的振幅，以便在音频功率输出信号没有发生削波的情况下再现音频功率输出信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在提供功率输出信号的功率输出电路中防止削波的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 通过预测可用电源能量避免音频功率传输中的削波技术领域背景技术[0002] 向声输出换能器(例如，微型扬声器或扬声器)输送功率的音频输出级经常是能量受限设备(例如移动电话和其他个人音频设备)中的大型能量消耗者。如果没有足够的电压以对应于输入程序材料的全线性标度电压波形提供瞬时音频功率输出信号，则结果是失真，即“削波”。已经提供了用于防止这种失真的各种技术，例如瞬时提升电源电压的方案，例如所谓的“G类”和“H类”放大器，以便在瞬时能量需求增加的同时，能够准确地再现输出波形的峰值。在一些实施方式中，当升压动作提高电源电压时，输出波形的振幅减小。 [0003] 然而，这种仅功率或仅振幅的解决方案仅考虑可用电压和电流的当前状态，而不考虑电源电压的未来状态，从而导致不准确。 [0004] 因此，在音频功率输出电路中提供改进的性能将是有利的，特别是当音频功率输出电路与其他电路共享电源时。发明内容 [0005] 音频电路和系统的改进操作可以在放大器/信号处理系统和放大器电路及其操作方法中实现。 [0006] 该方法、系统和电路从输出电路提供功率输出信号。功率输出电路从存储在缓冲器中的输入程序的样本产生功率输出信号。处理块确定用于从输入程序产生功率输出信号的能量需求，并根据确定的能量需求和为电源确定的可用能量调整功率输出信号的振幅，以便在音频功率输出信号没有发生削波的情况下再现功率输出信号。功率输出信号可以是音频信号，并且输入程序可以是音频输入程序。可替选地，功率输出信号可以是用于驱动另一个机电输出换能器(例如触觉反馈设备)的信号。 [0007] 以上概述被提供仅用于简要说明，并不限制权利要求的范围。下面的描述阐述了根据本公开的示例实施例。进一步的实施例和实施方式对本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。本领域普通技术人员将认识到，可以应用各种等效技术来代替或结合下面讨论的实施例，并且所有此类等效技术都包含在本公开中。附图说明 [0008] 图1是其中实施根据本公开的实施例的技术的系统的框图。 [0009] 图2是示出图1的信号处理块20内的处理的框图。 [0010] 图3是示出图1的电容估算器30内的处理的框图。 [0011] 图4是其中实施根据本公开的实施例的技术的系统的框图。 [0012] 图5是描述本文所示系统的操作的曲线图。 具体实施方式[0013] 本公开包括根据与电源相关联的能量测量来控制音频功率输出信号的生成的方法、系统和电路，以防止音频功率输出信号波形的削波或其他失真。该技术使用电源输出电压、电源输入电压(例如，电池端电压)的测量值、电源提供的电流限制值和电源输出电容值来计算可用能量作为电源输出电容中存储的能量和通过电源提供的能量传递的总和。基于存储在延迟音频输入程序的缓冲器中的音频程序输入的样本，将可用能量与将输出电压波形传送到一个或多个连接的音频输出换能器所需的计算能量进行比较。如果可用能量不足以满足缓冲器中样本的输出电压波形要求，则减小音频输入程序的振幅，以生成不会导致需求超过可用能量的输出电压波形，从而防止输出电压波形的削波。电源输出电容的值可以通过基于电源输入、被提供用于产生音频功率输出信号的功率和由于从输出电容中去除能量而产生的功率之间的功率守恒的计算来更新。本文描述的技术可以应用于其他功率输出电路，例如驱动机电设备(例如触觉反馈设备)的电路。 [0014] 图1示出了示例放大器系统和电路10的框图，其中实施了根据本公开的实施例的技术。功率转换器14将工作电压VSUPPLY传送到放大器16，放大器16生成输出电压波形18，其最终被传送到音频输出换能器，例如微型扬声器或扬声器SPKR。可替选地，音频输出换能器可以是触觉反馈设备，例如线性谐振致动器(LRA)或偏心旋转质量(ERM)。功率转换器14的输出端是输出电容CO，其表示功率转换器14输出端处的总并联输出电容，包括功率转换器14中任何转换电路的有效输出电容和任何外部连接的滤波器电容等。功率转换器14的输入端显示为连接到电池12，但是本文中的技术可以应用于适合向功率转换器14提供输入电压/电流的任何电源。串联电阻RS表示电池12的串联内阻和相关的外部电路电阻，这会导致电池端电压VBATT降低，从而导致从电池12传送到电源14的能量/功率降低。在图示的系统中，如果电池12的端电压VBATT通过功率转换器14提供的有效电流限制而降低，则包括功率转换器14的电池供电电路可能消耗的电流减少，这可能导致功率转换器14的输出电压VSUPPLY(这是输出电容CO上的电压)的最终降低。当放大器16传送的输出功率大于提供给功率转换器14的输入功率时，可能发生上述情况。如果电压VSUPPLY低于在扬声器SPKR处再现输出电压波形所需的电源电压，其通常是输出电压波形18的振幅加上由于产生放大器16的输出的晶体管的输出电阻而产生的电压降，然后输出电压波形18将在最大振幅处被削波，直到输入信号的振幅下降，使得输出电压波形18可以再次以全峰值电压被生成。 [0015] 为了防止输出电压波形的削波，信号处理器20提供一种处理子系统，其控制提供给放大器16的输入的信号VOUT的振幅，使得当信号处理器20确定输入信号VIN的完全再现所需的能量大于可用能量的测量值时，信号处理器20减小信号VOUT的振幅，从而不会发生输出电压波形18的削波。为了清楚起见，信号处理器20的细节被省略，但将参考其他附图在下面被进一步详细描述。该减小减小了应用于输入信号VIN的增益或增大了衰减，即，信号处理器相对于信号VOUT的两个极性均匀地压缩信号VOUT的振幅，从而防止削波和不对称失真。信号处理器20从功率转换器14接收电池端电压VBATT的值。应当理解，上述技术还可以防止来自放大器16的非线性失真，当电源16的输出电压VSUPPLY接近输出电压波形18通过在所需能量中包括偏移以适应放大器16的电源输入端所需的任何附加电压而在信号处理器20不降低增益的情况下将呈现的电压时，非线性失真可能发生而不是削波。信号处理器20需要输出电容CO的值，以便确定存储在输出电容CO中的可用能量的部分，其可以是预定值，但在本公开的一些实施例中包括电容估算器30，其根据图1的电路内的测量确定输出电容CO的值，并且将在下面参考图3被进一步详细描述。电容估算器30还接收提供给信号处理器20的输入信号，这将在下面进一步详细公开，并且为了清楚起见已经从图1中省略。 [0016] 虽然以下描述是参考框图提供的，但是应当理解，其中包括的描述和计算适用于如下面进一步详细描述的可由执行根据本公开实施例的计算机程序产品的数字信号处理器实现的过程。此外，所公开的实施例是离散时间实施例，其基于电压测量和输入样本的顺序值来计算能量值和功率值作为序列。本文所使用的“连续”包括离散时间采样过程，其通常以预定采样率周期性地更新作为值序列的值。 [0017] 图2是描述由图1电路中的信号处理器20应用于信号VOUT的增益控制过程的框图。功率转换器14接收电源输入电流Iamp并生成提供给放大器16的功率转换器输出电压VSUPPLY。 可用能量EAVAIL的计算通过求和运算23执行，求和运算23将由ESTORE计算块22A确定的存储能量ESTORE的计算值与由EIN计算块22B计算的可用于功率转换器EIN的最大能量输入的计算值相加。由EOUT计算块22C计算在缓冲器25中存储的音频输入VIN的样本x[n]上以全量程生成输出电压波形18所需的所需能量EOUT，并且通过将可用能量EAVAIL除以能量需求EOUT来计算能量比Genrgy。由于输出电压波形18随时间的能量与输出电压波形18的电压的平方成正比，因此对能量比Genrgy执行平方根计算26以获得电压比Gvoltage，这是输出电压波形18的期望振幅的比率，以避免削波到基于音频输入VIN的输出电压波形的全量程振幅。为了避免将输出电压波形18扩展到单位增益之外，执行上限计算27以获取电压比Gvoltage和单位的最小值：MIN(1，GVOLTAGE)，使得输出gain永远不会大于单位。增益控制块由乘法器28提供，乘法器28通过上限计算27的输出gain缩放音频输入VIN的样本x[n]，以便在可用能量EAVAIL小于能量需求EOUT时减小输出电压波形18的振幅。 [0018] 能量计算块22A‑22C执行的能量计算基于测量值和提供的值。ESTORE不是存储在输出电容CO中的总能量，而是当功率转换器输出电压VSUPPLY的值等于在不进行削波的情况下产生输出电压波形18的瞬时值所需的值时，存储在输出电容CO中的总能量与存储在输出电容CO中的能量之差。因此，ESTORE计算块22A将存储能量计算为： [0019] [0020] EIN计算块22B根据预定义的电流限制值ILIMIT和向功率转换器24提供能量的电池或其他电源的实际端电压VBATT，计算功率转换器24可从输入电源提取的最大可用输入能量。EOUT计算块22C通过在连续的基础上对对应于单个样本的功率进行积分，从音频输入VIN的样本x[n]计算所需能量EOUT，即， [0021] [0022] 其中RO是连接到放大器16的输出的负载的负载阻抗，并且k是样本x[n]和放大器输出波形18之间的任何增益或衰减因子。给定由能量计算块22A‑22C计算的上述值，计算可用能量EAVAIL与所需输出能量EOUT的比率，并如上所述设置增益/衰减因子gain。 [0023] 图3示出了图1的示例放大器系统和电路10内的电容估算器30内的计算细节。在功率守恒准确的时间段期间，根据图1中示例放大器系统和电路10内的功率守恒，使用功率计算来估算输出电容CO的值，在所公开的实施例中，这是在如下所述的功率转换器14处于限流的时间段期间。在上述时间段期间和跨上述时间段期间，估算输出电容CO的值被连续更新，以便跟踪估算输出电容CO随着时间和温度的变化。从输出电容CO提供的功率PCAP由PCAP计算块32A计算，并且提供给功率转换器24的功率PIN[n]由PIN计算块32B计算，并且其由下式给出： [0024] PIN[n]＝VBATT[n]ILIMIT[n]。 [0025] 由放大器16提供的输出功率POUT[n]由POUT计算块32C计算，其可计算为： [0026] POUT[n]＝VOUT2/RL， [0027] 其中，RL是放大器16输出端处的负载阻抗，并且 [0028] POUT[n]＝VOUT2/RL＝(gain x[n])2/RL。 [0029] 减法运算33B通过从输出功率POUT[n]减去功率转换器14输入功率PIN[n]来计算从输出电容CO中去除的功率，并且减法运算33A通过从输出电容CO减去提供的计算功率PCAP来计算由于输出电容CO的估算中的误差而导致的功率误差PERROR。累加器34累加计算的功率误差PERROR以产生能量误差EERROR。如下文更详细地描述的，因为功率转换器输入功率PIN[n]是根据电源电流限制值ILIMIT确定的，所以通过控制信号calculate_enable启用累加器24以进行更新，这确保电容估算器仅在功率转换器24的输入受电流限制时被更新。能量误差EERROR通过缩放操作35被缩放，并且加法器36通过因子(k+1)缩放计算的误差。误差因子通过乘法器32乘以标称估算起始电容值c_nominal，从而产生校正后的电容值Ccorreted，其可在图2的ESTORE计算块22A的进一步计算中使用。 [0030] 由功率计算块32A‑32C执行的功率计算基于测量值和提供的值。如上所述，实际输出功率序列POUT由POUT计算块32C根据输入样本x[n]和放大器16的输出端处的负载电阻来计算。如上所述，通过将电流限制值ILIMIT乘以电池或其他输入电源的端电压VBATT来计算输入功率序列。从输出电容CO消耗能量所提供的功率计算如下： [0031] [0032] 其可以通过电源输出电压VSUPPLY的采样值与输出电容CO：C[n]的瞬时估算值之间的有限差来计算。 [0033] 现在参考图4，示出了数字信号处理系统，其可以用于实现本公开的技术。数字信号处理器(DSP)42(或合适的通用处理器)执行存储在非易失性存储器44中的并且形成根据本公开的计算机程序产品的程序指令。DSP 42在输入端INPUT处从程序源(例如CODEC)接收音频输入信号VIN的样本。DSP 42还从用作电压测量电路的ADC 41B接收功率转换器24的输出电压VSUPPLY的样本，以及从功率转换器14接收电池12的电流限制ILIMIT和电池端电压VBATT的值。数模转换器(DAC)43接收对应于处理后的放大器输出信号VOUT的输出值，其代表已根据参考图2和图3描述的过程处理过的音频输入样本，以防止由于来自功率转换器14和输出电容CO的可用能量不足而导致的削波或其他失真。DAC 43向生成输出电压波形18的放大器46提供输出信号VOUT。可替选地，DSP 42可以向脉宽调制器(PWM)(D类)型放大器提供样本，或者生成直接提供给转换电路的PWM信号，该转换电路被提供有由功率转换器14和输出电容CO提供的电源电压VSUPPLY。 [0034] 参考图5，曲线图显示了上文参考图1‑4描述的放大器的示例操作。可用能量EAVAIL被显示为偶尔下降到所需能量EOUT以下，并且通过对这些区间进行上述处理的动作降低了值gain，从而不会发生输出电压波形18的削波。 [0035] 如上所述，所公开过程的部分或全部可以通过执行形成存储在非易失性存储器上的计算机程序产品的程序指令集合来实施，但是其也以形成计算机可读存储介质的有形存储形式存在于非易失性存储器之外。计算机可读存储介质可以是，例如，但不限于，电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备，或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的具体示例包括以下：硬盘、半导体易失性和非易失性存储设备、便携式光盘只读存储器(CD‑ROM)或数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘或未具体列举的其他合适的存储设备。本文使用的计算机可读存储介质不应被解释为瞬态信号，例如传输线或无线电波或通过电线传送的电信号。应当理解，上述框图的块可以通过计算机可读程序指令来实施。这些计算机可读程序指令还可以在如上所述的其他存储形式中存储，并且可以下载到非易失性存储器中以从中执行。然而，存储在除上述系统非易失性存储器之外的介质上的指令的集合也构成了计算机程序产品，其是一种包括实施一个或多个框图块中指定的功能/动作的方面的指令的制造品。 [0036] 总之，本公开公开了一种提供功率输出信号的功率输出电路，该功率输出信号在需要时基于来自提供放大器的电源的可用能量的估算进行调整以防止削波。功率输出电路从存储在缓冲器中的程序样本生成功率输出信号。处理块确定用于从程序产生功率输出信号的能量需求，并根据确定的能量需求和为电源确定的可用能量调整功率输出信号的振幅，以便在功率输出信号没有发生削波的情况下再现功率输出信号。该系统基于程序向输出换能器提供功率输出信号，并且包括电源、用于存储程序样本的缓冲器、从程序样本生成功率输出信号的功率输出电路，以及处理子系统，其确定用于从程序产生功率输出信号的能量需求，并根据所确定的能量需求和为电源确定的可用能量来调整功率输出信号的振幅，以便在功率输出信号没有发生削波的情况下再现功率输出信号。程序可以是音频程序，并且功率输出信号可以是音频功率输出信号。可替选地，功率输出信号可以是用于驱动另一个机电输出换能器(例如触觉反馈设备)的信号。 [0037] 处理子系统可以通过确定电源的输出存储电容中的存储能量、确定电源的输入端的可用输入能量以及组合电源电路的输入端的可用输入能量和输出存储电容中的存储能量来确定功率输出电路的可用能量，确定来自电源电路的可用能量。处理子系统根据所确定的功率输出电路的可用能量来调整功率输出信号的振幅。处理子系统可基于存储在缓冲器中的输入信号的样本计算能量需求，并将能量需求与功率输出电路的可用能量进行比较，以确定应用于功率输出信号的增益或衰减值。处理子系统还可以估算输出存储电容的电容值，并使用估算的电容值确定输出存储电容中存储的能量。处理子系统可以根据从输出存储电容提供的功率、提供给电源的输入端的功率和提供给功率输出电路的功率的守恒来计算电容值。该系统还可以包括电压测量电路，以用于测量输出存储电容上的电压，并根据计算出的电容值和测量电压的变化确定从输出存储电容提供的功率。当电源的输入端处于限流状态时，处理子系统可以根据电源的电流限制值和电源输入端上的电压计算提供给电源输入端的功率，并且只有在电源处于限流状态时可以计算电容值。根据估算的电容，处理子系统还可以通过从代表传送到功率输出电路的功率的功率值中减去提供给电源输入端的功率和从电容器提供的功率，来确定估算的电容值中的误差。然后，处理系统可以累加减法的结果以产生能量误差值，并根据能量误差值更新估算的电容值。处理子系统可以更新估算的电容值，使得在确定来自电源的可用能量时，对输出存储电容的电容随时间的变化进行建模和补偿。 |
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