專利名稱：控制功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制功率轉(zhuǎn)換器(power converter)。
背景技術(shù)：
功率轉(zhuǎn)換器用于將功率提供給負(fù)載。一些功率轉(zhuǎn)換器是從諸如電池之類的直流(DC)電源提供DC功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器。其它功率轉(zhuǎn)換器是從諸如壁裝電源插座之類的交流(AC)電源提供DC功率的AC-DC轉(zhuǎn)換器。在一些情況下，與功率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容器(例如“超級(jí)電容器”)用作備用電源。

發(fā)明內(nèi)容
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于方法，包括如下步驟響應(yīng)將功率輸送給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式操作轉(zhuǎn)換器，電路參數(shù)包括除了輸入電流之外的其它參數(shù)。
本發(fā)明的實(shí)施方案可以包括一個(gè)或多個(gè)如下特征。電路參數(shù)包括轉(zhuǎn)換器的輸出電流、輸入功率或一個(gè)部件的溫度中的至少一個(gè)。負(fù)載具有可變輸入阻抗。轉(zhuǎn)換器在第一模式下起電壓源的作用和在第二模式下起電流源的作用。轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)電源。
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于方法，包括如下步驟響應(yīng)將功率輸送給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化引起的觸發(fā)(trigger)條件，以通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式操作轉(zhuǎn)換器，觸發(fā)條件是可編程的。
本發(fā)明的實(shí)施方案可以包括一個(gè)或多個(gè)如下特征。觸發(fā)條件被編程到微處理器中。引起觸發(fā)條件的電路參數(shù)是可編程的。電路參數(shù)發(fā)生變化引起觸發(fā)條件的數(shù)量是可編程的。負(fù)載具有可變輸入阻抗。電路參數(shù)包括轉(zhuǎn)換器的輸出電流、輸入電流、輸入功率或一個(gè)部件的溫度中的至少一個(gè)。轉(zhuǎn)換器在第一模式下起電壓源的作用和在第二模式下起電流源的作用。轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)電源。
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于方法，包括如下步驟響應(yīng)將功率輸送給放大器的轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給放大器的模式操作轉(zhuǎn)換器，放大器的增益是指示放大信號(hào)電平的參數(shù)的函數(shù)。
本發(fā)明的實(shí)施方案可以包括一個(gè)或多個(gè)如下特征。放大器的增益是通過(guò)轉(zhuǎn)換器提供給放大器的電壓的函數(shù)。放大器能夠在電壓值的范圍內(nèi)不限幅(clipping)地工作。放大器包括具有與電壓成正比的閾值的壓縮器(compressor)。放大器的增益在電壓可能值的至少一部分范圍內(nèi)與電壓成正比。電路參數(shù)包括轉(zhuǎn)換器的輸出電流、輸入電流、輸入功率或一個(gè)部件的溫度中的至少一個(gè)。轉(zhuǎn)換器在第一模式下起電壓源的作用和在第二模式下起電流源的作用。轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)電源。
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于方法，包括如下步驟操作將功率輸送給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器，以便轉(zhuǎn)換器的伏安特性曲線在預(yù)定電流值上具有一個(gè)拐點(diǎn)，從而負(fù)載的輸入阻抗的下降使通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給負(fù)載的時(shí)間常數(shù)增大。
本發(fā)明的實(shí)施方案可以包括一個(gè)或多個(gè)如下特征。伏安特性曲線在電流值比預(yù)定電流值低的范圍內(nèi)具有近似平坦的電壓值，和在預(yù)定電流值之上具有較低電壓。伏安特性曲線對(duì)于比預(yù)定電流值低的電流值具有緩變(shallow)斜率，和對(duì)于比在預(yù)定電流值之上的第二預(yù)定電流值高的電流具有陡變斜率。在預(yù)定電流值之上伏安特性曲線的電流值受最大電流值限制。負(fù)載的輸入阻抗的下降使時(shí)間常數(shù)增加到1到10秒之間的值。轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)電源。
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于將功率輸送給負(fù)載的裝置。該裝置包括電容元件、和與電容元件并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便響應(yīng)轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式工作，電路參數(shù)包括除了輸入電流之外的其它參數(shù)。
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于將功率輸送給負(fù)載的裝置。該裝置包括電容元件、和與電容元件并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便響應(yīng)轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化引起的觸發(fā)條件，以通過(guò)電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式工作，其中，觸發(fā)條件是可編程的。
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于一種裝置，其包括電容元件、與電容元件并聯(lián)的放大器、和與電容元件和放大器并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便響應(yīng)轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)電容元件將附加功率提供給放大器的模式工作，其中，放大器的增益是指示放大信號(hào)電平的參數(shù)的函數(shù)。
一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)方面中，本發(fā)明的特征在于將功率輸送給負(fù)載的裝置。該裝置包括電容元件、和與電容元件并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便以這樣的方式工作，使轉(zhuǎn)換器的伏安特性曲線在預(yù)定電流值上具有一個(gè)拐點(diǎn)，從而負(fù)載的輸入阻抗的下降使通過(guò)電容元件將附加功率提供給負(fù)載的時(shí)間常數(shù)增大。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是如下的一個(gè)或幾個(gè)?？刂乒β兽D(zhuǎn)換器使功率通過(guò)電容器提供給負(fù)載能夠使高峰值功率提供給負(fù)載。當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器從電池提供功率時(shí)，通過(guò)檢測(cè)來(lái)自電池的轉(zhuǎn)換器輸入電流控制功率轉(zhuǎn)換器的伏安特性可以延長(zhǎng)電池壽命和提高可靠性。通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)換器輸出電流控制功率轉(zhuǎn)換器的伏安特性可以防止轉(zhuǎn)換器輸出部件過(guò)載。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)可從如下的描述中和從權(quán)利要求書中明顯看出。


圖1是與耦合于負(fù)載的電容元件并聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖2A是與耦合于音頻放大器的電容元件并聯(lián)的DC-DC功率轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖2B是與耦合于音頻放大器的電容元件并聯(lián)的AC-DC功率轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖3A是驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電壓源的電路示意圖；圖3B是有關(guān)圖3A的電路的伏安特性曲線；圖4A和4C是驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電流源的等效電路示意圖；圖4B是有關(guān)圖4A和4C的電路的伏安特性曲線；圖5A和6A是與耦合于負(fù)載的電容元件并聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖5B和6B分別是有關(guān)圖5A和6A的電路的伏安特性曲線；圖5C和5D是有關(guān)圖5A的電路的電路變量的時(shí)間曲線；圖6C是有關(guān)圖6A的電路的電路變量的時(shí)間曲線；圖6D-6F是不同類型音樂(lè)的功耗動(dòng)態(tài)特性曲線；圖7A-7D是示出不同檢測(cè)技術(shù)的電路示意圖；
圖8是實(shí)現(xiàn)圖7A的檢測(cè)技術(shù)的電路示意圖；圖9是作為時(shí)間函數(shù)的轉(zhuǎn)換器開關(guān)操作的曲線；圖10A和10B是示范性伏安特性曲線；圖10C和10D是包括增益取決于功率轉(zhuǎn)換器工況的音頻放大器的實(shí)例；圖11是對(duì)于不同類型音樂(lè)的峰值功率需要量的降低與等效時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系的曲線；和圖12-14是用于實(shí)現(xiàn)與耦合于音頻放大器的電容元件并聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了包括與電容元件102并聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器100的電路(例如具有為負(fù)電抗的阻抗的電路)。功率轉(zhuǎn)換器100和電容元件102與負(fù)載104耦合，負(fù)載104根據(jù)負(fù)載104的的輸入電阻RL要求功率量PL。對(duì)于對(duì)功率具有可變要求的負(fù)載104(“可變負(fù)載”)，輸入電阻RL(t)作為時(shí)間t的函數(shù)而改變。對(duì)于提供恒定電壓VS的功率轉(zhuǎn)換器100，提供給負(fù)載104的功率RL(t)通過(guò)PL(t)＝VS2/RL(t)確定。在穩(wěn)態(tài)條件(例如RL(t)按與電容元件102相聯(lián)系的等效時(shí)間常數(shù)而緩慢變化)下，負(fù)載104從功率轉(zhuǎn)換器100吸收近似等于IL(t)＝VS/RL(t)的電流IL(t)。
一些可變負(fù)載(例如音頻功率放大器或電動(dòng)機(jī))具有比平均功率需要量高許多倍的峰值功率需要量。在這樣的情況下，像下面詳盡描述那樣、具有受控伏安特性的功率轉(zhuǎn)換器100能夠提供負(fù)載要求的平均功率，而對(duì)高峰值功率的短暫要求由存儲(chǔ)在電容元件102中的能量來(lái)滿足。通過(guò)讓至少一些峰值功率由電容元件102提供，功率轉(zhuǎn)換器100可以維持從諸如電池或AC主干線之類的電源吸取的相對(duì)低功率量。
如圖2A和2B所示，與電容元件202A并聯(lián)的DC-DC功率轉(zhuǎn)換器200A可以用于將功率從電池206提供到音頻放大器204(圖2A)，和與電容元件202B并聯(lián)的AC-DC功率轉(zhuǎn)換器200B可以用于將功率從AC主干線208提供到音頻放大器204(圖2B)。通過(guò)例如被放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器212的音樂(lè)信號(hào)210，確定來(lái)自音頻放大器204的功率需要量的變化特性。功率轉(zhuǎn)換器和電容元件可以用于將功率提供給其它類型的器件，或功率需要量可以改變的器件(例如用于蜂窩式電話的帶電叉簧(cradle)和許多其它實(shí)例，其中，叉簧也起供電式擴(kuò)音器的作用)的組合。
電容元件202A可以利用“超級(jí)電容器”(例如利用氣凝膠技術(shù))實(shí)現(xiàn)，以獲得范圍大約在1-30法拉(F)內(nèi)的電容和大約2.5V的最大耐壓。在另一種實(shí)施方案中，電容元件202B包括兩個(gè)串聯(lián)的10F/2.5V電容器，每個(gè)電容器帶有5.1kΩ分流電阻(例如在各電容器中間保證均等的穩(wěn)態(tài)電荷存儲(chǔ))。電容元件202B的總電容是5F，和電容元件202B的最大耐壓是5V。在其它實(shí)施方案中，電容元件可以包括三個(gè)或更多個(gè)串聯(lián)的電容。包括202A、202B或其它的電容元件的各種各樣實(shí)施方案的任何一種可以用在包括DC-DC功率轉(zhuǎn)換器、AC-DC功率轉(zhuǎn)換器或其它的各種各樣功率轉(zhuǎn)換器配置的任何一種中。
圖3A示出了含有電壓源300和負(fù)載電阻310的電路。電壓源300(例如Li離子或NiMHd電池)通過(guò)代表電壓源300的輸出電阻的電阻304與理想電壓源302(恒定電壓V0)串聯(lián)而模型化。這個(gè)電壓源300的伏安特性曲線306與負(fù)載310的“負(fù)載線”(即，負(fù)載電阻310的伏安特性曲線)一起顯示在圖3B中。電阻304所代表的小輸出電阻RV使電壓源300的作為輸出電流IV的函數(shù)的輸出電壓VV產(chǎn)生下跌(sag)308。下跌308的大小隨負(fù)載電阻RL(即，負(fù)載線的斜率)減小而增大。
圖4A示出了含有電流源400和負(fù)載電阻310的電路。電流源400通過(guò)代表電流源400的輸出電阻的電阻404與理想電流源402(恒定電流I0)并聯(lián)而模型化。這個(gè)電流源400的伏安特性曲線406與負(fù)載電阻310的“負(fù)載線”一起顯示在圖4B中。在這種情況下，電阻404所代表的大輸出電阻RI使電流源400的作為輸出電壓VI的函數(shù)的輸出電流II產(chǎn)生下跌408。下跌408的大小隨負(fù)載電阻R增大而增大。這個(gè)電流源400可以通過(guò)理想電壓源412與電阻404串聯(lián)等效地模型化，其中，等效理想電壓源412的電壓VEQ是VEQ＝I0RI(圖4C)。
圖5A示出了與電容器502并聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器500的實(shí)例。功率轉(zhuǎn)換器和電容器協(xié)同地將功率提供給可變負(fù)載504。在本例中，功率轉(zhuǎn)換器500具有如圖5B所示的伏安特性曲線506。功率轉(zhuǎn)換器500對(duì)于從0到IA的輸出電流IS值，具有電壓源300的特性(例如具有低的等效輸出電阻RV)，和對(duì)于高于IA的輸出電流IS，具有電流源400的特性(例如具有高的等效輸出電阻RI)，限制了可以從功率轉(zhuǎn)換器500提供的電流。如圖5C的曲線所示，在一個(gè)實(shí)例中，通過(guò)使輸入電阻RL(t)從R0的值(與“額定”負(fù)載線510相對(duì)應(yīng))下降到R0/3的值(與“峰值”負(fù)載線512相對(duì)應(yīng))，可變負(fù)載504在時(shí)間段T＝tA-tB內(nèi)短暫要求更多的功率，此后電阻返回到值R0。
額定負(fù)載線510在電流I1和電壓V1上與伏安特性曲線506相交。峰值負(fù)載線512在比I1大的電流I2和比V1稍小一點(diǎn)的電壓V2上與伏安特性曲線506相交。由于電容器502的老化(decay)，負(fù)載線與伏安特性曲線506的這些交點(diǎn)給出了瞬態(tài)之后電流和電壓的漸近(asymptotic)“DC解”。電容器502保證了電容器電壓(等于VS(t))隨時(shí)間連續(xù)變化。圖5D示出了作為時(shí)間函數(shù)的功率轉(zhuǎn)換器500、電容器502、和可變負(fù)載504兩端的電壓VS(t)。在負(fù)載電阻在時(shí)刻tA下降之后，從tA到tB電壓VS(t)按照下式指數(shù)下降VS(t)＝V2+(V1-V2)exp(-(t-tA)/τA)，其中，τA是與電容器502(具有電容C)相聯(lián)系的等效時(shí)間常數(shù)，在本例中，由于功率轉(zhuǎn)換器500的輸出電阻RV遠(yuǎn)小于可變負(fù)載504的輸入電阻R0/3，因此τA＝[1/CRV+3/CR0]-1≈CRV。在時(shí)刻tB之后，電壓VS(t)以具有相同時(shí)間常數(shù)τA指數(shù)上升回到V1。在時(shí)刻tA和tB之間其它電路變量的值，譬如電容器電流IC(t)和負(fù)載電流IL(t)可以像下面那樣從VS(t)確定IC(t)＝C(dVS(t)/dt)和IL(t)＝3VS(t)/R0。
在本例中，當(dāng)可變負(fù)載504要求更多的功率時(shí)，由于電容器不陡變放電，電容器502提供的功率(IC(t)VS(t)＝C(dVS(t)/dt)VS(t))受到限制。電壓VS(t)的變化只持續(xù)時(shí)間段T的幾分之一，產(chǎn)生dVS(t)/dt，因此，電容器502提供的功率IC(t)VS(t)受到限制。為了使電容器陡變放電(例如達(dá)大約20％以上，和在一些實(shí)例中，達(dá)大約50％以上)將更多的功率提供給可變負(fù)載504，可以將電流極限降低到與可變負(fù)載504的期望峰值要求相對(duì)應(yīng)，以便功率轉(zhuǎn)換器500像在下一個(gè)實(shí)例(圖6A-6D)中所述的那樣，提供雙模式能力。
圖6A示出了與協(xié)同地將功率提供給可變負(fù)載504的電容器502并聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器500′的實(shí)例。在本例中，功率轉(zhuǎn)換器500′具有如圖6B所示的伏安特性曲線606。功率轉(zhuǎn)換器500′對(duì)于從0到IB的輸出電流IS值，具有電壓源300的特性(例如具有低的等效輸出電阻)，和對(duì)于高于IB的輸出電流IS，具有電流源400的特性(例如具有高的等效輸出電阻)。并且，如圖5C的曲線所示，在一個(gè)實(shí)例中，通過(guò)使輸入電阻RL(t)從R0的值(與“額定”負(fù)載線610相對(duì)應(yīng))下降到R0/3的值(與負(fù)載線612相對(duì)應(yīng))，可變負(fù)載504在時(shí)間段T內(nèi)短暫要求更多的功率，此后電阻返回到值R0。
與前面的實(shí)例(圖5B)一樣，額定負(fù)載線610在電流I1和電壓V1上與伏安特性曲線606相交。但是，在本例(圖6B)中，峰值負(fù)載線612在比I1大但比I2小的電流I3和比V1和V2小相當(dāng)多的電壓V3上與伏安特性曲線606相交。負(fù)載線與伏安特性曲線606的這些交點(diǎn)也給出了電流和電壓的漸近DC解。圖6C示出了作為時(shí)間函數(shù)的功率轉(zhuǎn)換器500′、電容器502、和可變負(fù)載504兩端的電壓VS(t)。在負(fù)載電阻在時(shí)刻tA下降之后，從tA到tC電壓VS(t)按照下式指數(shù)下降VS(t)＝V2+(V1-V2)exp(-(t-tA)/τA)，在本例中，在tC上，功率轉(zhuǎn)換器500′從“電壓源”(例如低輸出電阻)模式轉(zhuǎn)移到“電流源”(例如高輸出電阻)模式。于是，從tC到tB電壓VS(t)按照下式指數(shù)下降VS(t)＝V3+(VS(tC)-V3)exp(-(t-tC)/τB)，其中，τB是當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器500′處在電流源模式下時(shí)，與電容器502相聯(lián)系的等效時(shí)間常數(shù)，由于功率轉(zhuǎn)換器500′處在電流源模式下的輸出電阻RI遠(yuǎn)大于可變負(fù)載504的輸入電阻R0/3，所以τB＝[1/CR1+3/CR0]-1≈CR0/3。由于V3比V1低相當(dāng)多，電容器502能夠陡變放電(例如在本例中，達(dá)大約50％)。在時(shí)刻tB之后，電壓VS(t)指數(shù)上升回到電壓VS(tC)，在電壓VS(tC)上功率轉(zhuǎn)換器500′轉(zhuǎn)換到時(shí)間常數(shù)τC＝[1/CRI+1/CR0]-1≈CR0的模式。在時(shí)刻tD，功率轉(zhuǎn)換器500′切換回到電壓源模式。與前面的實(shí)例一樣，在時(shí)刻tA和tB之間其它電路變量的值，譬如電容器電流IC(t)和負(fù)載電流IL(t)可以像下面那樣從VS(t)中確定IC(t)＝C(dVS(t)/dt)和IL(t)＝3VS(t)/R0。
在本例中，當(dāng)可變負(fù)載504要求更多的功率時(shí)，由于電容器的確陡變放電，電容器502提供的功率(IC(t)VS(t)＝C(dVS(t)/dt)VS(t))較大。電壓VS(t)的變化持續(xù)整個(gè)時(shí)間段T，產(chǎn)生dVS(t)/dt以及因此電容器502提供的功率IC(t)VS(t)大到足以提供在可變負(fù)載對(duì)更多功率的短暫要求中的大部分附加功率。
雖然在這些實(shí)例中對(duì)更多功率的要求被模型化成輸入電阻RL(t)在時(shí)間段T內(nèi)的瞬間降低，但諸如音頻功率放大器之類的可變負(fù)載可以呈現(xiàn)具有更復(fù)雜時(shí)間相關(guān)性的輸入電阻RL(t)的連續(xù)變化，這種復(fù)雜時(shí)間相關(guān)性具有遵從出現(xiàn)在代表對(duì)高峰值功率的短暫要求的音樂(lè)信號(hào)(例如數(shù)量級(jí)為毫秒或高達(dá)數(shù)十秒)中的時(shí)標(biāo)的變化。不同類型音樂(lè)的功耗動(dòng)態(tài)特性的實(shí)例顯示在圖6D-6F中。如圖6D-6F所示的曲線基于播放不同音樂(lè)類型的示范性音樂(lè)片段(passage)、包括像這里所述那樣的功率轉(zhuǎn)換器控制的模擬型音頻系統(tǒng)。
圖6D示出了對(duì)于在峰值功率需要量期間電容元件的等效時(shí)間常數(shù)τ的不同值(例如τ＝RLpC，其中，C是電容元件102的等效電容，和RLp是在峰值功率需要量上放大器的電阻)，(在功率轉(zhuǎn)換器使一部分功率由電容元件提供之后)從電源中吸收剩余功率的曲線620-627，以播放作為時(shí)間函數(shù)的未壓縮流行音樂(lè)的示范性片段。在每個(gè)曲線圖中，垂直軸給出用瓦特表示的從電源吸收的瞬時(shí)剩余功率，和水平軸給出用秒表示的時(shí)間。曲線620-627的每一條對(duì)應(yīng)于標(biāo)成“RC”的不同時(shí)間常數(shù)。每條曲線的峰值剩余功率被顯示成虛線。在本例中，當(dāng)RC從0.01秒(曲線621)增加到10秒(曲線627)時(shí)，峰值剩余功率逐漸從大約40W(曲線621)下降到大約7W(曲線627)。為了便于比較，曲線620示出了沒(méi)有電容元件(或RC＝0)的功率。
圖6E示出了壓縮流行音樂(lè)的示范性片段的類似曲線630-637。在本例中，當(dāng)RC從0.01秒(曲線631)增加到10秒(曲線637)時(shí)，峰值剩余功率從大約70W(曲線631)下降到大約20W(曲線637)。
圖6F示出了古典音樂(lè)的示范性片段的類似曲線640-647。在本例中，當(dāng)RC從0.01秒(曲線641)增加到10秒(曲線647)時(shí)，峰值剩余功率從大約67W(曲線641)下降到大約20W(曲線647)。
圖6D-6F中的這些曲線表明了各自類型音樂(lè)的功率動(dòng)態(tài)特性的差異未壓縮流行音樂(lè)片段具有持續(xù)時(shí)間相對(duì)短(例如大約1-100ms)的許多強(qiáng)尖峰，壓縮流行音樂(lè)片段具有平均大約12dB的低峰均(PTA)功率比(或“波峰因數(shù)”)，而古典音樂(lè)片段則呈現(xiàn)可以持續(xù)例如許多秒或數(shù)十秒的非常大聲片段的時(shí)間段。
如圖7A-7C所示，DC-DC功率轉(zhuǎn)換器200A(圖2A)可以使用任何各種各樣參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)如上所述的雙模式能力。例如圖7A中的電路包括檢測(cè)開關(guān)電源704的輸出電流的電阻702。電阻702兩端的電壓被反饋到開關(guān)電源704，和用于根據(jù)所需伏安特性控制輸出電壓。在另一個(gè)實(shí)例中，圖7B中的電路包括為了實(shí)現(xiàn)所需伏安特性檢測(cè)開關(guān)電源704的輸入電流的電阻706。在另一個(gè)實(shí)例中，圖7C中的電路包括檢測(cè)開關(guān)電源704的輸入功率的電路系統(tǒng)708。電路系統(tǒng)708生成量值710，量值710是輸入電壓和與輸入電流成正比的電壓的乘積，因此，與輸入功率成正比。當(dāng)輸入功率低于閾值功率電平時(shí)，電源704根據(jù)第一模式的伏安特性工作，和當(dāng)輸入功率高于閾值功率電平時(shí)，電源704根據(jù)第二模式的伏安特性工作。其它參數(shù)也可以用于控制開關(guān)電源704的伏安特性。電源704包括根據(jù)檢測(cè)的參數(shù)切換模式的控制模塊705。下面更詳細(xì)地描述這樣控制模塊的一種可能實(shí)現(xiàn)(例如圖8中的控制模塊814)。
為了取得高的系統(tǒng)效率，功率轉(zhuǎn)換器200A中的損耗應(yīng)該忽略不計(jì)。開關(guān)電源704可以使用各種各樣低損耗轉(zhuǎn)換技術(shù)(例如升壓型轉(zhuǎn)換器、降壓型(buck)轉(zhuǎn)換器、回掃型轉(zhuǎn)換器或單端初級(jí)線圈感應(yīng)型轉(zhuǎn)換器)的任何一種。
類似地，AC-DC功率轉(zhuǎn)換器200B(圖2B)可以使用各種各樣參數(shù)的任何一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)如上所述的雙模式能力。AC-DC功率轉(zhuǎn)換器200B可以使用與如上所述的那些相似的技術(shù)?？商娲?，如圖7D所示，AC-DC轉(zhuǎn)換器712包括檢測(cè)AC變壓器鐵芯716的溫度的電路系統(tǒng)714。AC-DC轉(zhuǎn)換器712根據(jù)檢測(cè)溫度與閾值溫度的比較，在不同伏安特性(即，不同模式)之間切換。在一些實(shí)施方案中，溫度可選地可以與其它控制參數(shù)(例如輸出電流、輸入功率、輸入電流等)結(jié)合使用。在一些實(shí)施方案中，溫度改變伏安特性(例如使IB成為溫度的函數(shù))。其它參數(shù)也可以用于控制切換轉(zhuǎn)換器712的伏安特性。轉(zhuǎn)換器712還包括根據(jù)檢測(cè)的參數(shù)切換模式的控制模塊705。
在一些實(shí)施方案中，使控制模塊705切換模式的觸發(fā)條件是可編程的(例如將觸發(fā)條件編程到微處理器中)。例如轉(zhuǎn)換器712檢測(cè)各種各樣的電路參數(shù)(例如輸入功率、輸出電流、溫度等)和控制模塊705用來(lái)切換模式的電路參數(shù)是可編程的?？商娲兀|發(fā)模式改變的電路參數(shù)的值也是可編程的。
圖8示出了實(shí)現(xiàn)圖7A的檢測(cè)技術(shù)的升壓型功率轉(zhuǎn)換器電路800。電路800的輸入端與具有電壓VB的電池802連接，和電路800的輸出端與該與可變負(fù)載806并聯(lián)的電容器804耦合。電路800包括電感器808、二極管810、和開關(guān)812，控制模塊814根據(jù)檢測(cè)電阻816中的輸出電流Iout(t)控制開關(guān)812。電路800還包括電容器818，電容器818的電容相對(duì)較小，以便濾出大部分開關(guān)頻率和降低輸出電壓上的脈動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，控制模塊814包括微處理器，用于控制作為檢測(cè)輸出電流的函數(shù)的開關(guān)操作。檢測(cè)電阻816的電阻RS與負(fù)載電阻RL(t)相比較小。
由于電路800是升壓型的，輸出電壓Vout(t)高于恒定輸入電壓VB。輸出電壓由開關(guān)812的打開和閉合的占空比D決定。如圖9所示，開關(guān)812在時(shí)間Ton內(nèi)閉合和在時(shí)間Toff內(nèi)打開，因此，占空比是D＝Ton/(Ton+Toff)。穩(wěn)態(tài)條件(電感器808和二極管810中的損耗忽略不計(jì))下的輸出電壓Vout(t)是Vout(t)＝VB/(1-D)。
(1)當(dāng)控制模塊814檢測(cè)到輸出電流Iout(t)小于閾值電流Ith時(shí)，控制模塊814將電路800設(shè)置成電壓源模式。在電壓源模式下，目標(biāo)輸出電壓接近常數(shù)Vout(t)＝V0。為了生成這個(gè)電壓，控制模塊814將占空比D設(shè)置成D＝D0＝1-VB/V0′。
(2)當(dāng)控制模塊814檢測(cè)到輸出電流Iout(t)大于閾值電流Ith時(shí)，控制模塊814將電路800設(shè)置成電流源模式。在電流源模式下，目標(biāo)輸出電壓根據(jù)目標(biāo)伏安特性隨輸出電流而改變Vout(t)＝V0-(Iout(t)-Ith)Rout， (3)其中，Rout是受控制模塊814控制的電路800的模擬輸出電阻參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高輸出阻抗源，控制模塊814選擇大值的Rout(例如Rout＞＞RL(t))。Rout的值可以是常數(shù)，或者，可替代地，Rout的值可以隨檢測(cè)的輸出電流Iout(t)而改變。方程(1)-(3)生成如下占空比值D，以便控制模塊814用于在電流源模式下響應(yīng)檢測(cè)的輸出電流Iout(t)控制開關(guān)812D=D0+1-D01-VB/[(Iout(t)-Ith)Rout(1-D0)]---(4)]]>
利用其它控制參數(shù)的控制模塊可以以相同的方式實(shí)現(xiàn)。例如當(dāng)輸入功率穿過(guò)閾值時(shí)，升壓型或其它類型開關(guān)式功率轉(zhuǎn)換器的占空比可以是輸入功率的函數(shù)。
圖10A和10B示出了可以用于使電容元件陡變放電將更多功率提供給可變負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換器的示范性伏安特性曲線。在圖10A中，特性曲線1002具有其特征在于電壓隨電流變化的曲線緩變斜率的第一模式1004、和對(duì)于低于轉(zhuǎn)變電壓VT的電壓VS，電流IS受最大電流Ith限制的第二模式1006。例如在圖8的實(shí)施方案中，對(duì)于小于Ith的IS值，通過(guò)將方程(4)中的Rout設(shè)置成小值可以實(shí)現(xiàn)第一模式1004，和對(duì)于大于等于Ith的IS值，通過(guò)將方程(4)中的Rout設(shè)置成大值可以實(shí)現(xiàn)第二模式1006。
在圖10B中，特性曲線1008具有其特征在于電壓隨電流變化的曲線緩變斜率的第一模式1010、和其特征在于電壓隨電流變化的曲線陡變斜率的第二模式1012。在第一模式和第二模式之間，特性曲線1008具有在電壓隨電流變化的曲線中存在“拐點(diǎn)”的“轉(zhuǎn)變區(qū)”1014。例如在圖8的實(shí)施方案中，對(duì)于小于Ith的IS值，通過(guò)將方程(4)中的Rout設(shè)置成小值可以實(shí)現(xiàn)第一模式1010。對(duì)于大于等于Ith的IS值，通過(guò)將方程(4)中的Rout設(shè)置成作為IS的函數(shù)的增加值可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變區(qū)1014和第二模式1012。在一種實(shí)施方案中，可以利用可編程裝置(例如微處理器)控制方程(4)中D的值。在這種實(shí)施方案中，可以利用例如查詢表或多項(xiàng)式曲線擬合以軟件控制方程(4)中Rout的值(作為IS的函數(shù))。
在各種各樣的實(shí)施方案中可以控制伏安特性曲線的其它特征。例如可以選擇模式之間的轉(zhuǎn)變和電壓隨電流變化的曲線的斜率，以保證對(duì)于給定峰值要求(例如最小負(fù)載電阻)保持最小工作電壓(例如對(duì)于音頻放大器)?？蛇x地，模式之間的轉(zhuǎn)變是可調(diào)的。
對(duì)于將功率提供給音頻放大器的功率轉(zhuǎn)換器(例如功率轉(zhuǎn)換器200A或200B)，音頻放大器的特征可以取決于功率轉(zhuǎn)換器的工況。例如當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器提供的電壓下降(例如在切換到電流源模式之后)時(shí)，可以降低音頻放大器的增益，以免音樂(lè)信號(hào)210在放大器或揚(yáng)聲器上失真(例如由于信號(hào)限幅)。在一種實(shí)施方案中，如圖10C所示，音頻放大器1100包括閾值隨功率轉(zhuǎn)換器100和電容元件102提供的電壓標(biāo)定的壓縮器1102。這個(gè)閾值可變壓縮器1102降低了在揚(yáng)聲器1106上播放的音樂(lè)的失真。在另一種實(shí)施方案中，如圖10D所示，音頻放大器1108包括根據(jù)預(yù)定函數(shù)，隨著功率轉(zhuǎn)換器100和電容元件102提供的電壓VS(t)下降而降低增益的增益可變電路1110。這些或其它技術(shù)(例如含有任何類型的寬帶或多帶幅度壓縮器的系統(tǒng))可以用于降低在高于給定最小工作電壓的任何功率轉(zhuǎn)換器電壓上信號(hào)限幅的可能性。壓縮器可以根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器和電容器提供的電壓，或根據(jù)其它參數(shù)，譬如功率變壓器溫度、擴(kuò)音器溫度、擴(kuò)音器位移、或指示放大信號(hào)電平的任何其它參數(shù)工作。
通過(guò)使一些功率增加要求由電容元件提供，可以降低電源要求的剩余峰值功率。剩余峰值功率需要量的降低量取決于等效時(shí)間常數(shù)τ和被放大的音樂(lè)的類型。影響剩余峰值功率需要量降低的音樂(lè)的一個(gè)特性是PTA功率比。PTA功率比高的音樂(lè)(例如未壓縮流行音樂(lè))比PTA功率比低的音樂(lè)(例如廣播AM(調(diào)幅)音樂(lè))受大時(shí)間常數(shù)的綜合效應(yīng)影響更大。
圖11示出了對(duì)于三種不同類型音樂(lè)未壓縮流行音樂(lè)(曲線1102)、壓縮流行音樂(lè)(曲線1104)、和古典音樂(lè)(曲線1106)，由電容元件引起的峰值功率需要量的降低R(單位dB)與等效時(shí)間常數(shù)τ(單位秒)之間的關(guān)系的半對(duì)數(shù)曲線。峰值功率需要量的降低R被量化成時(shí)間常數(shù)為0的功率轉(zhuǎn)換器的峰值功率與具有給定等效時(shí)間常數(shù)τ的功率轉(zhuǎn)換器的峰值功率之比，即，R＝Ppeak(τ＝0)/Ppeak(τ)。這些實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出曲線表明，用在本例中的未壓縮流行音樂(lè)由于其高的PTA功率比和幅度尖峰的相對(duì)短持續(xù)時(shí)間，受功率轉(zhuǎn)換器的等效時(shí)間常數(shù)τ的影響最嚴(yán)重。例如對(duì)于τ～5.5秒(圖11，曲線1102)，剩余峰值功率需要量的降低是10dB(或10倍)。
另一方面，壓縮流行音樂(lè)(例如FM(調(diào)頻)或AM(調(diào)幅)廣播類型)具有低得多的PTA功率比(為了平均起來(lái)發(fā)聲更響亮一點(diǎn))，因此，等效時(shí)間常數(shù)τ的影響較不明顯。例如對(duì)于相同時(shí)間常數(shù)τ～5.5秒(圖11，曲線1104)，剩余峰值功率需要量的降低是8.7dB(或7.5倍)。
古典音樂(lè)通常具有在壓縮和未壓縮流行音樂(lè)之間的PTA功率比，但幅度尖峰的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)得多。因此，用在本例中的古典音樂(lè)受電源的等效時(shí)間常數(shù)影響最小。例如對(duì)于相同時(shí)間常數(shù)τ～5.5秒(圖11，曲線1106)，剩余峰值功率需要量的降低只是6dB(或4倍)。
觀看圖11的另一種方式是含有供電容量有限的電源的系統(tǒng)通過(guò)將電容元件用于保證一些峰值功率需要量，能夠播放得更響亮一點(diǎn)。從上面有關(guān)τ～5.5秒的未壓縮流行音樂(lè)的實(shí)例來(lái)看，可用播放音樂(lè)的峰值功率將是來(lái)自使峰值功率由電容元件提供的系統(tǒng)比來(lái)自沒(méi)有這樣做的系統(tǒng)高的10dB。
在如圖12所示的一種實(shí)施方案中，AC主干線供電的電源1202(惠普(Hewlett Packard)公司型號(hào)6253A的DC電源)與電容元件1204并聯(lián)，電容元件1204由串聯(lián)的6個(gè)33F/2.5V氣凝膠超級(jí)電容器組成，每個(gè)電容器含有5.1kΩ分流電阻，總共提供5.5F的電容和15V的最大耐壓。電源1202和電容元件1204向驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器1208的切換音頻放大器1206(Bose公司的Bose 100W切換音頻放大器)供電。音樂(lè)信號(hào)1210輸入放大器1206中。當(dāng)電源1202具有設(shè)置成大約3.2A的輸出電流極限和設(shè)置成15V的額定輸出電壓(即，沒(méi)有負(fù)載)(對(duì)于48W的最大輸出功率)時(shí)，電源1202和電容元件1204一起將98.7W的峰值功率提供給對(duì)于所有測(cè)試的音樂(lè)輸出電壓維持在9V以上的放大器1206。
在如圖13所示的另一種實(shí)施方案中，6個(gè)1.2V電池(總共提供7.2V輸入電壓)供電的電源1302(基于線性技術(shù)(Linear Technology)公司型號(hào)LTC1624開關(guān)式調(diào)節(jié)器控制器的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器)與電容元件1304并聯(lián)，電容元件1304由串聯(lián)的6個(gè)10F/2.5V氣凝膠超級(jí)電容器組成，每個(gè)電容器含有5.1kΩ分流電阻，總共提供1.67F的電容和15V的最大耐壓。電源1302和電容元件1304向分別驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器1308A和1308B的一對(duì)音頻放大器1306A和1306B供電。音樂(lè)信號(hào)1310A和1310B分別輸入放大器1306A和1306B中。當(dāng)電源1302具有設(shè)置成大約0.6A的輸出電流極限和設(shè)置成14V的額定輸出電壓(對(duì)于8.4W的最大輸出功率)時(shí)，電源1302和電容元件1304一起將25.2W的峰值功率提供給對(duì)于所有測(cè)試的音樂(lè)輸出電壓維持在9.5V以上的放大器1306A和1306B。
在如圖14所示的另一種實(shí)施方案中，AC主干線通過(guò)AC-DC轉(zhuǎn)換器1403(蘋果計(jì)算機(jī)(Apple Computer)公司的12V/l A wall pack)供電的電源1402(基于線性技術(shù)(Linear Technology)公司型號(hào)LTC1624開關(guān)式調(diào)節(jié)器控制器的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器)與電容元件1404并聯(lián)，電容元件1404由串聯(lián)的5個(gè)4F/2.5V氣凝膠超級(jí)電容器組成，每個(gè)電容器含有20kΩ分流電阻，總共提供0.8F的電容和12.5V的最大耐壓。電源1402和電容元件1404向分別驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器1408A和1408B的一對(duì)音頻放大器1406A和1406B供電。音樂(lè)信號(hào)1410A和1410B分別輸入放大器1406A和1406B中。當(dāng)電源1402具有設(shè)置成大約0.8A的輸入電流極限和設(shè)置成12V的額定輸出電壓(對(duì)于9.6W的最大輸入功率)時(shí)，電源1402和電容元件1404一起將25W的峰值功率提供給對(duì)于所有測(cè)試的音樂(lè)輸出電壓維持在最小工作電壓以上的放大器1406A和1406B。
其它實(shí)施例都在所附權(quán)利要求書內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括如下步驟響應(yīng)將功率輸送給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式操作轉(zhuǎn)換器，電路參數(shù)包括除了輸入電流之外的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，電路參數(shù)包括轉(zhuǎn)換器的輸出電流、輸入功率或一個(gè)部件的溫度中的至少一個(gè)。
3.一種方法，包括如下步驟響應(yīng)將功率輸送給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化引起的觸發(fā)條件，以通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式操作轉(zhuǎn)換器，觸發(fā)條件是可編程的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，觸發(fā)條件被編程到微處理器中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，引起觸發(fā)條件的電路參數(shù)是可編程的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，電路參數(shù)發(fā)生變化引起觸發(fā)條件的數(shù)量是可編程的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其中，負(fù)載具有可變輸入阻抗。
8.一種方法，包括如下步驟響應(yīng)將功率輸送給放大器的轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給放大器的模式操作轉(zhuǎn)換器，放大器的增益是指示放大信號(hào)電平的參數(shù)的函數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，放大器的增益是通過(guò)轉(zhuǎn)換器提供給放大器的電壓的函數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，放大器能夠在電壓值的范圍內(nèi)不限幅地工作。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，放大器包括具有作為電壓的函數(shù)的閾值的壓縮器。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，放大器的增益在電壓可能值的至少一部分范圍內(nèi)與電壓成正比。
13.根據(jù)權(quán)利要求3或8所述的方法，其中，電路參數(shù)包括轉(zhuǎn)換器的輸出電流、輸入電流、輸入功率或一個(gè)部件的溫度中的至少一個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、3或8所述的方法，其中，轉(zhuǎn)換器在第一模式下起電壓源的作用和在第二模式下起電流源的作用。
15.一種方法，包括如下步驟操作將功率輸送給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器，以便轉(zhuǎn)換器的伏安特性曲線在預(yù)定電流值上具有一個(gè)拐點(diǎn)，從而負(fù)載的輸入阻抗的下降使通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給負(fù)載的時(shí)間常數(shù)增大。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，伏安特性曲線在電流值比預(yù)定電流值低的范圍內(nèi)具有近似平坦的電壓值，和在預(yù)定電流值之上具有較低電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，伏安特性曲線對(duì)于比預(yù)定電流值低的電流值具有緩變斜率，和對(duì)于比在預(yù)定電流值之上的第二預(yù)定電流值高的電流具有陡變斜率。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，在預(yù)定電流值之上伏安特性曲線的電流值受最大電流值限制。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，負(fù)載的輸入阻抗的下降使時(shí)間常數(shù)增加到1到10秒之間的值。
20.根據(jù)權(quán)利要求1、3、8或15所述的方法，其中，轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)電源。
21.一種將功率輸送給負(fù)載的裝置，該裝置包括電容元件；和與電容元件并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便響應(yīng)轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式工作，電路參數(shù)包括除了輸入電流之外的參數(shù)。
22.一種將功率輸送給負(fù)載的裝置，該裝置包括電容元件；和與電容元件并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便響應(yīng)轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化引起的觸發(fā)條件，以通過(guò)電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式工作，其中，觸發(fā)條件是可編程的。
23.一種裝置，包括如下部件電容元件；與電容元件并聯(lián)的放大器；和與電容元件和放大器并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便響應(yīng)轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)電容元件將附加功率提供給放大器的模式工作，其中，放大器的增益是由轉(zhuǎn)換器提供給放大器的電壓的函數(shù)。
24.一種將功率輸送給負(fù)載的裝置，該裝置包括電容元件；和與電容元件并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，以便以這樣的方式工作，使轉(zhuǎn)換器的伏安特性曲線在預(yù)定電流值上具有一個(gè)拐點(diǎn)，從而負(fù)載的輸入阻抗的下降使通過(guò)電容元件將附加功率提供給負(fù)載的時(shí)間常數(shù)增大。
全文摘要
響應(yīng)將功率輸送給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)的變化，以通過(guò)與轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的電容元件將附加功率提供給負(fù)載的模式操作轉(zhuǎn)換器，電路參數(shù)包括除了輸入電流之外的參數(shù)。
文檔編號(hào)H02M3/06GK1722587SQ20051007839
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2005年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者羅曼·利托夫斯基, 威廉·R·肖特 申請(qǐng)人:伯斯有限公司