專利名稱：用于受限電源的功率供應(yīng)設(shè)備以及使用功率供應(yīng)設(shè)備的音頻放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于受限電源的功率供應(yīng)設(shè)備(power supply)。 一些實(shí)施 例還涉及使用這種功率供應(yīng)設(shè)備的放大器。
背景技術(shù)：
很多電源能夠提供有限的功率水平。這種電源可以被稱為功率受限電 源或功率受限源。當(dāng)使用這種電源給峰均功耗比高的裝置供電時(shí)，如果必 須將峰值功率汲取保持在受限電源的功率供應(yīng)極限以下，那么該裝置的平 均功率輸出會(huì)受到嚴(yán)重限制。峰均功耗比高的典型裝置范例是音頻揚(yáng)聲器。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中， 在許多其它包括揚(yáng)聲器的裝置中，可能需要利用受限電源為揚(yáng)聲器供電。例如，很多計(jì)算機(jī)用戶喜歡使用揚(yáng)聲器，該揚(yáng)聲器能夠通過(guò)諸如USB 端口之類的單個(gè)連接來(lái)接收音頻信號(hào)和功率。USB端口僅能夠提供2. 5瓦的 功率，這是受限電源的范例。在一些音頻系統(tǒng)中，希望通過(guò)以太網(wǎng)電纜或其它僅能承載有限量功率 的連接向揚(yáng)聲器發(fā)送音頻信號(hào)和功率。通常，由于電流限制的原因，因此 以太網(wǎng)電纜僅能夠承載有限的功率水平。以太網(wǎng)電纜的長(zhǎng)度將會(huì)限制提供 給經(jīng)電纜耦合到電源的裝置的功率。通常，100m的以太網(wǎng)電纜(具有差的 饋電電阻)能夠向裝置提供13瓦左右的功率。電源和以太網(wǎng)電纜是無(wú)法供 應(yīng)超過(guò)受限功率量的受限電源的范例。在這種情況下，功率限制是由電源 和裝置之間的以太網(wǎng)連接造成的。希望提供一種用于功率受限源的功率供應(yīng)設(shè)備以便對(duì)由這種電源供電 的裝置的性能進(jìn)行改善。還希望提供一種包括用于受限電源的功率供應(yīng)設(shè) 備的音頻放大器。發(fā)明內(nèi)容在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，提供了一種用于受限電源的功率供應(yīng)設(shè)備。該功率供應(yīng)設(shè)備包括增壓變換器(st印-up converter),該增壓變換器從 受限電源接收等于源電壓的受限功率信號(hào)。該增壓變換器在存儲(chǔ)元件端子 處向儲(chǔ)能元件提供存儲(chǔ)功率信號(hào)。存儲(chǔ)功率信號(hào)對(duì)儲(chǔ)能元件充電，儲(chǔ)能元 件一般可以是電容器或另一種電抗器件，或包括電容器或另一種電抗器件。 選擇所述儲(chǔ)能元件并對(duì)其充電，使得其兩端的存儲(chǔ)電壓大于源電壓。將功 率輸入端子處的源電壓與存儲(chǔ)電壓和存儲(chǔ)元件端子相隔離。在一些實(shí)施例 中，增壓變換器提供這種隔離，在其它實(shí)施例中，可以使用獨(dú)立的隔離元 件。功率輸出端子耦合到存儲(chǔ)元件端子，并在功率輸出端子處提供輸出功 率信號(hào)?？梢允褂迷摴β使?yīng)設(shè)備來(lái)給峰均功率比要求較高的負(fù)載供電。當(dāng)負(fù) 載的功率需求較低時(shí)，可以由增壓變換器對(duì)負(fù)載供電。當(dāng)負(fù)載的功率需求 在高功率需求期間或在峰值功率需求期間升高時(shí)，負(fù)載從儲(chǔ)能元件汲取功率。在另一個(gè)實(shí)施例中，增壓變換器包括源功率感測(cè)電路，用于監(jiān)測(cè)從受 限電源汲取的功率。功率感測(cè)電路向功率限制器提供與功率汲取相關(guān)的一 個(gè)或多個(gè)信號(hào)。功率限制器控制所述增壓變換器的工作，以確保從受限電 源汲取的功率不超過(guò)源的功率極限。在一個(gè)實(shí)施例中，增壓變換器包括開(kāi) 關(guān)，并且功率限制器是控制開(kāi)關(guān)工作的調(diào)制電路。源功率感測(cè)電路提供從 受限電源汲取的電流的指示。響應(yīng)于該電流汲取，調(diào)制電路控制開(kāi)關(guān)的工 作。在另一個(gè)實(shí)施例中，源功率感測(cè)電路提供源電壓的指示，且調(diào)制電路 響應(yīng)于該電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)。在其它實(shí)施例中，源功率感測(cè)電路可以向調(diào)制 電路提供電流信息和電壓信息二者，可以將調(diào)制電路配置成使用這兩種類 型的信息來(lái)控制增壓變換器的工作。在其它實(shí)施例中，在存儲(chǔ)元件端子和功率輸出端子之間耦合降壓變換 器以降低提供給負(fù)載的輸出功率信號(hào)的電壓。在另一個(gè)實(shí)施例中，功率供應(yīng)設(shè)備具有帶兩個(gè)或更多功率輸出的增壓 變換器，并提供兩個(gè)或更多存儲(chǔ)功率信號(hào)。每個(gè)存儲(chǔ)功率信號(hào)都耦合到存 儲(chǔ)元件并對(duì)其各自的存儲(chǔ)元件充電?？梢詫⒁粋€(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)元件耦合到功 率輸出端子以提供不同幅值的輸出功率信號(hào)?？刂破鲗?duì)耦合到功率輸出端子的負(fù)載的功率需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將額外的存儲(chǔ)元件耦合到功率輸出端子， 以提高負(fù)載可用的功率并提高輸出功率信號(hào)的電壓。根據(jù)本發(fā)明的功率供應(yīng)設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例提供了拆開(kāi)的輸出電壓信 號(hào)。產(chǎn)生正輸出電壓信號(hào)和負(fù)輸出電壓信號(hào)，并在正功率輸出端子和負(fù)功 率輸出端子處提供正輸出電壓信號(hào)和負(fù)輸出電壓信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中， 可以根據(jù)耦合到功率輸出端子的負(fù)載的時(shí)變功率需求來(lái)以不同的電壓電平 提供正、負(fù)功率輸出信號(hào)中的每一個(gè)。在另一個(gè)實(shí)施例中，基于負(fù)載的功 率需求，可以由跟蹤型功率供應(yīng)設(shè)備將正輸出功率信號(hào)和負(fù)輸出功率信號(hào)產(chǎn)生為時(shí)變電壓軌(voltage rail)。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種功率供應(yīng)設(shè)備，包括功率輸入端子， 用于從受限電源接收等于源電壓的輸入功率信號(hào)；用于存儲(chǔ)能量的儲(chǔ)能元 件；增壓變換器，其耦合到所述功率輸入端子以接收輸入功率信號(hào)，并用 于向所述儲(chǔ)能元件提供等于存儲(chǔ)電壓的存儲(chǔ)功率信號(hào)，并且其中所述增壓 變換器將所述輸入端子處的所述源電壓與所述儲(chǔ)能元件處的存儲(chǔ)電壓相隔 離；功率輸出端子；并且其中所述儲(chǔ)能元件耦合到所述增壓變換器以接收 功率，并且其中所述儲(chǔ)能元件耦合到所述輸出端子以向負(fù)載提供輸出功率信號(hào)。在一些實(shí)施例中，該增壓變換器包括用于測(cè)量所述輸入功率信號(hào)的功 率水平的源功率感測(cè)電路，并且該增壓變換器包括功率限制電路，用于在 所述輸入功率信號(hào)的功率水平超過(guò)閾值時(shí)降低所述輸入功率信號(hào)的功率水 平。在一些實(shí)施例中，基于所述受限電源的功率供應(yīng)極限來(lái)選擇所述閾值。 在一些實(shí)施例中，所述閾值是所述受限電源的額定功率的一部分。 在一些實(shí)施例中，所述增壓變換器包括用于測(cè)量所述源電壓的功率感測(cè)電路，并且所述增壓變換器包括功率限制電路，用于在所述源電壓下降到閾值以下時(shí)降低所述輸入功率信號(hào)的功率水平。在一些實(shí)施例中，該功率供應(yīng)設(shè)備還包括耦合在所述儲(chǔ)能元件和所述功率輸出端子之間的減壓變換器(st印-down converter),其中所述減壓變換器從所述儲(chǔ)能元件接收等于所述存儲(chǔ)電壓的功率并在所述功率輸出端 子處提供等于供應(yīng)電壓的輸出功率信號(hào)，其中所述存儲(chǔ)電壓高于所述供應(yīng)7電壓。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種功率供應(yīng)設(shè)備，包括功率輸 入端子；第一儲(chǔ)能元件，用于存儲(chǔ)等于第一存儲(chǔ)電壓的能量；第二儲(chǔ)能元 件，用于存儲(chǔ)等于第二存儲(chǔ)電壓的能量；二輸出增壓變換器，其耦合到所 述功率輸入端子以從受限電源接收等于源電壓的輸入功率信號(hào)，并向所述 第一儲(chǔ)能元件提供等于第一存儲(chǔ)電壓的第一存儲(chǔ)功率信號(hào)，并向所述第二 儲(chǔ)能元件提供等于第二存儲(chǔ)電壓的第二存儲(chǔ)功率信號(hào)；功率輸出端子，用 于向負(fù)載提供輸出功率信號(hào)，其中所述第一儲(chǔ)能元件耦合到所述功率輸出 端子；負(fù)載輸入信號(hào)端子；以及控制器，其耦合到所述負(fù)載輸入信號(hào)端子 以接收負(fù)載功率信號(hào)，并用于響應(yīng)于所述負(fù)載功率信號(hào)將所述第二儲(chǔ)能元 件選擇性耦合到所述功率輸出端子。在一些實(shí)施例中，該功率供應(yīng)設(shè)備還包括用于耦合所述第一儲(chǔ)能元件 和第二儲(chǔ)能元件的開(kāi)關(guān)，使得當(dāng)所述開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件提供 所述輸出功率信號(hào)，而當(dāng)所述開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件和第二儲(chǔ)能 元件二者都提供所述輸出功率信號(hào)，并且其中所述控制器通過(guò)閉合所述開(kāi) 關(guān)來(lái)將所述第二儲(chǔ)能元件耦合到所述功率輸出端子。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種音頻放大電路，其包括功率供 應(yīng)設(shè)備，該功率供應(yīng)設(shè)備包括功率輸入端子；增壓變換器，其耦合到所 述功率輸入端子以從功率受限源接收等于源電壓的輸入功率信號(hào)；儲(chǔ)能模 塊，其中所述增壓變換器向所述儲(chǔ)能模塊提供存儲(chǔ)功率信號(hào)； 一個(gè)或多個(gè) 功率輸出端子；變換器；以及音頻放大級(jí)，包括 一個(gè)或多個(gè)音頻輸入端 子； 一個(gè)或多個(gè)音頻放大器，其中每個(gè)音頻放大器都耦合到所述功率輸出 端子以接收所述一個(gè)或多個(gè)輸出功率信號(hào)，并耦合到所述音頻輸入端子之 一，以接收對(duì)應(yīng)的輸入音頻信號(hào)，并且其中所述音頻放大級(jí)提供與每個(gè)輸 入音頻信號(hào)相對(duì)應(yīng)的放大音頻信號(hào)，其中所述變換器耦合到儲(chǔ)能模塊， 以從所述增壓變換器和所述儲(chǔ)能模塊汲取功率；所述音頻輸入端子，以接 收所述輸入音頻信號(hào)；以及所述功率輸出端子，以在每個(gè)所述功率輸出端 子處提供輸出功率信號(hào)，其中每個(gè)所述功率輸出端子處的所述輸出功率信 號(hào)的幅值至少部分由所述輸入音頻信號(hào)的幅值確定。在一些實(shí)施例中，所述變換器是跟蹤型功率變換器，并且其中所述功率變換器響應(yīng)于最大輸入音頻信號(hào)的幅值來(lái)產(chǎn)生所述輸出功率信號(hào)。在一些實(shí)施例中，所述功率變換器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述最大輸入音頻信號(hào)的包絡(luò)的輸出功率信號(hào)。在一些實(shí)施例中，所述功率變換器產(chǎn)生一對(duì)拆開(kāi)的軌輸出功率信號(hào)。
現(xiàn)在將參考附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的若干示例性實(shí)施例，在附圖中 圖1和圖2是根據(jù)本發(fā)明的功率供應(yīng)設(shè)備的若干實(shí)施例的示意圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的功率供應(yīng)設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例的方框圖； 圖4到圖7是根據(jù)本發(fā)明的功率供應(yīng)設(shè)備的其它實(shí)施例的示意圖； 圖8是圖7的實(shí)施例的控制器的示意圖；圖9是示出了圖7的功率供應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行的時(shí)序圖；以及圖io示出了根據(jù)本發(fā)明的多通道音頻放大電路。
具體實(shí)施方式
首先參考圖1，圖1示出了用于功率受限源102的功率供應(yīng)設(shè)備100的 第一實(shí)施例。功率供應(yīng)設(shè)備100在功率輸入端子104處耦合到電源102并 在功率輸出端子112處耦合到負(fù)載114。功率供應(yīng)設(shè)備100包括變換器模塊 106和儲(chǔ)能模塊108。電源102提供功率受限的直流功率信號(hào)。電源102可以是任何類型的 直流電源。例如，電源102可以是電池、AC-DC變換器或適配器(其從諸如 標(biāo)準(zhǔn)的公共電源之類的交流電源接收功率)、USB端口、以太網(wǎng)在線供電的 功率供應(yīng)設(shè)備或任何其它類型的直流電源。變換器模塊106是增壓變換器，其提供升壓的直流存儲(chǔ)功率信號(hào)，該 升壓的直流存儲(chǔ)功率信號(hào)比功率受限直流功率信號(hào)的電壓高。在其它實(shí)施 例中，變換器模塊106可以是升壓變換器、降壓-升壓變換器、配置成增壓 變換器的逆向變換器、正向變換器或任何其它的增壓變換器，只要該增壓 變換器被配置為提供電壓比從電源102接收的輸入功率信號(hào)高的升壓的直 流存儲(chǔ)功率信號(hào)。在本實(shí)施例中，儲(chǔ)能模塊108是電容器116，由升壓的直流儲(chǔ)存功率信號(hào)對(duì)電容器116充電。功率供應(yīng)設(shè)備100在功率輸出端子112處提供功率 輸出信號(hào)。負(fù)載114耦合到功率輸出端子112并從儲(chǔ)能元件108汲取升壓 直流功率信號(hào)的更高電壓的功率。負(fù)載114具有隨時(shí)間變化的功率需求。例如，負(fù)載對(duì)功率供應(yīng)設(shè)備100 的峰值功率需求可以是對(duì)功率供應(yīng)設(shè)備100的平均功率需求的兩倍或更多 倍。不同類型負(fù)載的峰均功率比可以不同。在該范例中，負(fù)載114包括開(kāi)關(guān)音頻放大器120和揚(yáng)聲器122。開(kāi)關(guān)音 頻放大器120在音頻輸入端子124處接收音頻輸入信號(hào)，并將放大的音頻 信號(hào)施加到揚(yáng)聲器122，揚(yáng)聲器122再現(xiàn)出放大的音頻信號(hào)。音頻信號(hào)通常 具有大約8:1或更高的峰均功率比。開(kāi)關(guān)音頻放大器120利用來(lái)自電容器 116的充足功率來(lái)提供放大的音頻信號(hào)。當(dāng)產(chǎn)生放大音頻信號(hào)所需的功率 (相對(duì)于所需的峰值功率)較低時(shí)，從電容器116汲取較少的功率，并且 可以從增壓變換器106直接汲取所需功率。在放大器需要額外功率來(lái)產(chǎn)生 更響的聲音時(shí)，可以從電容器116汲取額外的功率。結(jié)果，放大的音頻信 號(hào)可以具有比功率受限電源102可供應(yīng)的平均功率高得多的峰值功率水平。例如，電源102可以是計(jì)算機(jī)上的USB端口。 USB端口能夠供應(yīng)2.5瓦 的功率(500mA， 5V)。如果圖1中的所有部件都是理想的，那么可以在電 容器116中存儲(chǔ)所有這些功率，且放大的音頻信號(hào)可以具有20瓦的峰值功 率(假設(shè)峰均功率比是8:1)。USB端口和其它一些連接能夠?yàn)檠b置提供功率受限直流功率信號(hào)和數(shù) 據(jù)或控制信號(hào)，例如輸入音頻信號(hào)。在諸如計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器之類的裝置的實(shí) 際實(shí)施例中，可以將變換器106、儲(chǔ)能模塊108、音頻放大器120和揚(yáng)聲器 122構(gòu)造成單個(gè)裝置，該裝置通過(guò)USB或其它連接接收功率和數(shù)據(jù)。在功率供應(yīng)設(shè)備100中，將增壓變換器106配置成從受限電源102汲 取不超過(guò)電源能夠供應(yīng)的功率。這可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)將增壓變換器 構(gòu)造成逆向變換器，并基于受限電源的電壓選擇變換器初級(jí)線圈的電感、 變換器調(diào)制器的頻率和最大的占空比或脈沖密度，從而有效地限制可以從 電源汲取的最大功率。任選地，在啟動(dòng)功率供應(yīng)設(shè)備期間可以使用軟啟動(dòng) 以(隨后)緩慢地對(duì)電容器116充電，確保不超過(guò)受限電源102的極限。接下來(lái)參考圖2，圖2示出了第二功率供應(yīng)設(shè)備200。功率供應(yīng)設(shè)備200包括增壓變換器206，增壓變換器206可以用作功率供應(yīng)設(shè)備(包括功率供 應(yīng)設(shè)備100)中的變換器模塊。在本實(shí)施例中，增壓變換器206是升壓變換 器。升壓變換器206是單端升壓變換器，包括電感器230、開(kāi)關(guān)232、功率 感測(cè)電路234、開(kāi)關(guān)控制器236。升壓變換器206在功率輸入端子204處以 源電壓從受限電源202接收功率，并在存儲(chǔ)元件端子238處提供存儲(chǔ)功率 信號(hào)。在本實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)232是晶體管。開(kāi)關(guān)控制器236是打開(kāi)和閉合開(kāi) 關(guān)232的脈沖寬度調(diào)制器。在閉合開(kāi)關(guān)232時(shí)，電感器230存儲(chǔ)來(lái)自受限 電源102的能量。在打開(kāi)開(kāi)關(guān)232時(shí)，將電感器230中存儲(chǔ)的能量經(jīng)二極 管231傳輸?shù)诫娙萜?16，為電容器充電。負(fù)載214從電容器216接收功率。將開(kāi)關(guān)控制器236配置成確保從受限電源202汲取的功率不超過(guò)電源 202的功率供應(yīng)極限。功率感測(cè)電路234包括電流感測(cè)電阻器242。對(duì)于以 固定頻率進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的控制器236而言，如果汲取的電流超過(guò)功率 供應(yīng)閾值(如感測(cè)電阻器兩端所感測(cè)到的)，那么開(kāi)關(guān)控制器236減小開(kāi)關(guān) 232的占空比，由此減少?gòu)氖芟揠娫?02汲取的功率。功率供應(yīng)閾值通?；?于功率供應(yīng)設(shè)備在其額定電壓下的電流供應(yīng)極限，并且功率供應(yīng)閾值一般 是電流供應(yīng)極限的一部分，以解釋受限電源202之間的傳輸損耗或其它標(biāo) 準(zhǔn)，例如容限或裕量的誤差。變換器206工作在功率受限配置下，從而在不超過(guò)受限電源202的功 率供應(yīng)極限的情況下將能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能元件208中?？梢詫⑹芟揠娫?02 的功率供應(yīng)極限定義為額定源電壓下的最大電流。在圖2的范例中，將開(kāi) 關(guān)控制器236配置成基于從受限電源汲取的電流來(lái)控制開(kāi)關(guān)232。如果能夠 不超過(guò)受限電源的極限而保持儲(chǔ)能元件208完全充電，那么開(kāi)關(guān)控制器236 操作變換器206這么做。在其它實(shí)施例中，可以將開(kāi)關(guān)控制器236配置成基于受限電源202的 任何工作特性來(lái)操作變換器206。例如， 一些電源具有有效輸出源阻抗，使 得在來(lái)自電源的輸出電流增大到超過(guò)某個(gè)極限時(shí)，輸出電壓會(huì)下降。在用 于這種電源時(shí)，功率感測(cè)電路234可以在功率輸入端子204處測(cè)量源電壓。 可以將開(kāi)關(guān)控制器配置成響應(yīng)于電壓電平來(lái)控制變換器206的工作。如果 電源的輸出電壓下降到功率供應(yīng)閾值以下，則開(kāi)關(guān)控制器可以減小開(kāi)關(guān)232的占空比以減少?gòu)碾娫?02汲取的功率。例如，開(kāi)關(guān)控制器236可以是脈 碼調(diào)制器，并可以被配置成控制開(kāi)關(guān)232的調(diào)制，使得最大占空比D^XV+b， 其中m是一常數(shù)，該常數(shù)定義了功率輸入端子處的電壓V和占空比之間的 斜率，b是一常數(shù)，其定義了偏移量。在任何特定時(shí)刻，開(kāi)關(guān)232的實(shí)際占 空比d必需要小于最大占空比D。在其它實(shí)施例中，功率感測(cè)電路234可以檢測(cè)從功率受限源汲取的源 電壓和電流，并且開(kāi)關(guān)控制器可以組合該信息來(lái)確定開(kāi)關(guān)232的最大占空 比。例如，可以將最大占空比計(jì)算為Dw-aV-bi，其中a、 b和c是常數(shù)。在圖2中，變換器是升壓變換器。二極管231將功率輸入端子204與 存儲(chǔ)元件端子238隔離開(kāi)。在其它實(shí)施例中，可以使用其它類型的變換器。 例如，可以使用逆向變換器，該逆向變換器將功率輸入端子處的源電壓與 存儲(chǔ)元件端子238處的存儲(chǔ)電壓電隔離。在一些實(shí)施例中，希望在儲(chǔ)能元件208中存儲(chǔ)較大量的能量。通常， 如果負(fù)載具有較高的峰均功率比要求，那么就希望存儲(chǔ)較大量的能量，以 在峰值功率需求期間供應(yīng)瞬時(shí)較大的功率需量。為了存儲(chǔ)較大量的能量， 可以增大電容器216的尺寸，或者可以提高存儲(chǔ)電壓，或者兩種措施都采 取。在功率供應(yīng)設(shè)備200中，功率輸出端子212耦合到存儲(chǔ)元件端子238。 隨著功率輸出端子處的電壓升高，負(fù)載114的空閑功耗和低功耗可能會(huì)增 大。為了減少這些低效率事件，在一些實(shí)施例中，可以優(yōu)選降低功率輸出 端子212處的輸出功率信號(hào)的電壓。圖3示出了功率供應(yīng)設(shè)備300。該功率供應(yīng)設(shè)備類似于功率供應(yīng)設(shè)備 100和200，并且使用類似的附圖標(biāo)記來(lái)表示對(duì)應(yīng)的部件。功率供應(yīng)設(shè)備300 包括減壓變換器348，其解除存儲(chǔ)元件端子338處的存儲(chǔ)元件電壓與功率輸 出端子312處的輸出功率信號(hào)電壓的耦合。減壓變換器348降低輸出功率 信號(hào)的電壓。取決于負(fù)載314的屬性，這可以減少負(fù)載中的損耗。減壓變換器348可以是任何類型的減壓電路。優(yōu)選地，減壓變換器348 是高效變換器，以便減少變換器中的功率損耗。例如，可以將減壓變換器 實(shí)現(xiàn)為降壓變換器或逆向變換器。接下來(lái)參考圖4，圖4示出了功率供應(yīng)設(shè)備400。功率供應(yīng)設(shè)備400包 括功率輸入端子404、 二輸入增壓變換器406、儲(chǔ)能模塊408和功率輸出端子412。增壓變換器406從受限電源402接收輸入功率信號(hào)。增壓變換器406 提供兩個(gè)存儲(chǔ)功率信號(hào)V,和V2。儲(chǔ)能模塊包括兩個(gè)電容器416,和416h。增 壓變換器406在受限電源402和儲(chǔ)能模塊408之間提供流電隔離或變壓器 隔離。電容器416,—端耦合到地，另一端耦合到輸出功率開(kāi)關(guān)452。電容器 416,的該另一端還通過(guò)二極管454耦合到存儲(chǔ)元件端子438。電容器416h 耦合在輸出功率開(kāi)關(guān)452和存儲(chǔ)元件端子438之間。儲(chǔ)能模塊408還包括 輸出功率信號(hào)電壓控制器450。存儲(chǔ)功率信號(hào)V2耦合在電容器416h的兩端，存儲(chǔ)功率信號(hào)W耦合在電 容器416,的兩端。每個(gè)存儲(chǔ)功率信號(hào)都用于對(duì)其各自的電容器充電。兩個(gè) 存儲(chǔ)功率信號(hào)可以具有相同或不同的電壓。在功率供應(yīng)設(shè)備400的穩(wěn)態(tài)工 作期間，電容器416，的兩端將具有電壓V,，電容器416h的兩端將具有電壓 V2?？刂破?50在負(fù)載功率端子456處接收負(fù)載功率信號(hào)。負(fù)載功率信號(hào) 是時(shí)變的信號(hào)，表示負(fù)載所需的功率?？刂破?50響應(yīng)于負(fù)載功率信號(hào)來(lái) 操作開(kāi)關(guān)452，在負(fù)載功率信號(hào)表示負(fù)載需要低于負(fù)載功率閾值的功率水平 時(shí)，保持開(kāi)關(guān)452為打開(kāi)狀態(tài)，在負(fù)載功率信號(hào)表示負(fù)載需要高于負(fù)載功 率閾值的功率水平時(shí)，保持開(kāi)關(guān)452為閉合狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)452打開(kāi)時(shí)，電 容器416,在功率輸出端子412處提供幅值為V,的輸出功率信號(hào)。當(dāng)開(kāi)關(guān)452 閉合時(shí)，電容器416h和416,串聯(lián)耦合，兩個(gè)電容器共同提供幅值為V,+V2 的輸出功率信號(hào)。二極管D,防止任何電流從功率輸出端子438回流到電容 器416"基于在開(kāi)關(guān)452打開(kāi)且僅由電容器41^供應(yīng)輸出功率信號(hào)時(shí)為了滿足 負(fù)載而能夠提供的最大功率水平來(lái)選擇負(fù)載功率閾值。控制器450響應(yīng)于 負(fù)載功率信號(hào)以確保輸出功率信號(hào)能夠供應(yīng)負(fù)載所需的功率(直到功率供 應(yīng)設(shè)備400能夠供應(yīng)的最大功率或可以從電源402汲取的最大功率)。在負(fù)載的功率需求低于負(fù)載功率閾值時(shí)，通過(guò)降低輸出功率信號(hào)的電 壓，可以減少負(fù)載中的損耗。功率供應(yīng)設(shè)備400用于為噴墨打印機(jī)供電，其空閑功耗遠(yuǎn)小于打印機(jī)的工 作功耗。例如，Canon IP4000在空閑時(shí)需要大約0.5W的功率，但在打印時(shí) 需要大約16W的功率?？梢赃x擇電容器416和416h以及存儲(chǔ)功率信號(hào)，使 得V,遠(yuǎn)小于V2。在打印機(jī)空閑時(shí)可以保持開(kāi)關(guān)452打開(kāi)，在打印機(jī)打印時(shí) 可以閉合開(kāi)關(guān)452。當(dāng)開(kāi)關(guān)452打開(kāi)時(shí)，電容器416h保持以較高電壓V2充 電，但不耦合到負(fù)載，減小了負(fù)載中的損耗。在負(fù)載需要這個(gè)時(shí)(例如在 峰值功率需求期間)，電容器416h可以迅速耦合到負(fù)載以提供更高的功率。接下來(lái)參考圖5，圖5示出了耦合到音頻放大器520的功率供應(yīng)設(shè)備 400。音頻放大器520是單端放大器，并且該音頻放大器520從功率輸出端 子412接收輸出功率信號(hào)。例如，放大器520可以具有橋式結(jié)構(gòu)，或可以 是電容性耦合的，以避免將直流分量引入到它的揚(yáng)聲器522中。放大器520 在音頻輸入端子524處接收輸入音頻信號(hào)。放大器520放大音頻信號(hào)并在 揚(yáng)聲器522重現(xiàn)音頻信號(hào)。音頻輸入端子524耦合到負(fù)載功率端子456，輸 入音頻信號(hào)充當(dāng)著負(fù)載功率信號(hào)?？刂破?50監(jiān)測(cè)輸入音頻信號(hào)。當(dāng)所述輸入音頻信號(hào)的幅值表明放大 器將需要比電容器416,所能提供的功率更大的功率時(shí)，控制器450閉合開(kāi) 關(guān)452。否則，開(kāi)關(guān)452保持打開(kāi)。很多音頻信號(hào)的峰均功率比是8:1?？?以配置功率供應(yīng)設(shè)備400，使得電容器416i能夠在大部分情況下為放大器 520供電(例如，放大器最大功率輸出的20%。(在峰均功率比是8: l時(shí)， 當(dāng)將放大器設(shè)置在其最響音量時(shí)，平均功率水平將是最大功率輸出的大約 12.5%。))。如果所需的功率超過(guò)20%閾值，那么可以閉合開(kāi)關(guān)452以提供足夠的功率，從而產(chǎn)生更高的功率信號(hào)，例如峰值信號(hào)。任選地，可以將控制器450配置成在不同閾值處打開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)452。 例如，可以將控制器450配置成如果負(fù)載功率信號(hào)表示負(fù)載需要電容器 416,所能提供的功率的9(m，則閉合開(kāi)關(guān)452，但在負(fù)載功率信號(hào)表示負(fù)載 需要電容器416i所能提供的功率的8(m時(shí)，可以僅打開(kāi)開(kāi)關(guān)452。當(dāng)所需功 率在80%和90%之間時(shí)，開(kāi)關(guān)保持在其先前狀態(tài)下。這種滯后減少了在負(fù)載 工作在接近負(fù)載功率閾值的范圍中時(shí)迅速閉合和打開(kāi)開(kāi)關(guān)的次數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制器450可以實(shí)施基于時(shí)間的滯后，以在負(fù)載 功率信號(hào)表示可以打開(kāi)開(kāi)關(guān)之后將開(kāi)關(guān)452保持閉合最少時(shí)間。例如，最少的時(shí)間可以是10ms。當(dāng)響應(yīng)于負(fù)載功率信號(hào)超過(guò)負(fù)載功率閾值來(lái)閉合開(kāi) 關(guān)452時(shí)，它保持閉合，直到在負(fù)載功率信號(hào)下降到負(fù)載功率閾值以下之 后又過(guò)了至少10ms。如果在10ms之后負(fù)載功率信號(hào)再次超過(guò)負(fù)載功率閾值， 則開(kāi)關(guān)452保持閉合。功率供應(yīng)設(shè)備400提供輸出功率信號(hào)，該輸出功率信號(hào)具有由輸出功 率信號(hào)電壓控制器450控制的兩個(gè)電壓電平。圖6示出了能夠產(chǎn)生具有三 個(gè)電壓電平的輸出功率信號(hào)的功率供應(yīng)設(shè)備600。功率供應(yīng)設(shè)備600包括三 個(gè)輸出增壓變換器606，其產(chǎn)生三個(gè)存儲(chǔ)功率信號(hào)V,、 V2和V3。每個(gè)存儲(chǔ)功 率信號(hào)對(duì)相應(yīng)的電容器616a、 616h、 616。充電?？刂破?50檢測(cè)負(fù)載在負(fù)載 功率端子656處提供的負(fù)載功率信號(hào)。將控制器650配置成根據(jù)負(fù)載功率 信號(hào)在三種配置之一下操作功率供應(yīng)設(shè)備600。如果負(fù)載功率信號(hào)低于第一 負(fù)載功率閾值，保持開(kāi)關(guān)6528和652b打開(kāi)，電容器616a在功率輸出端子612 處提供輸出功率信號(hào)。如果負(fù)載功率信號(hào)在第一負(fù)載功率閾值和第二功率 閾值之間，那么閉合開(kāi)關(guān)652a，打開(kāi)開(kāi)關(guān)652b，電容器61&和616b共同提 供輸出功率信號(hào)。如果負(fù)載功率信號(hào)超過(guò)第二功率閾值，那么閉合開(kāi)關(guān)652a 和652h，電容器616a、 616b和616。共同提供輸出功率信號(hào)。取決于負(fù)載功 率信號(hào)，輸出功率信號(hào)的電壓可以等于三個(gè)電平中的任一個(gè)?？梢詫⒃撛?理擴(kuò)展到更多電平，以提供具有四個(gè)或更多電壓電平的輸出功率信號(hào)?？?以通過(guò)選擇存儲(chǔ)功率信號(hào)V,、 VJ卩V3以及儲(chǔ)能電容器616a、 616b和616。的 大小來(lái)配置電壓電平。接下來(lái)參考圖7，圖7示出了功率供應(yīng)設(shè)備700。功率供應(yīng)設(shè)備700具 有拆開(kāi)的軌結(jié)構(gòu)。功率供應(yīng)設(shè)備706具有四輸出增壓變換器，其提供四個(gè) 存儲(chǔ)功率信號(hào)Vh+、V,+、V卜和Vh-。存儲(chǔ)功率信號(hào)分別對(duì)儲(chǔ)能電容器716h+、7161+、 716]-和716卜充電。開(kāi)關(guān)752+和752-工作以控制功率輸出端子738+處的正輸 出功率信號(hào)的電壓和負(fù)功率輸出端子738-處的負(fù)輸出功率信號(hào)的電壓。控 制器750以類似于圖5中的控制器450的方式工作，以控制開(kāi)關(guān)752+和752-的工作。參考圖7、圖8和圖9。圖8更詳細(xì)地示出了控制器750。圖9示出了 控制器750和功率供應(yīng)設(shè)備700的工作?？刂破?50包括相位超前模塊760、絕對(duì)值模塊762、峰值檢測(cè)器764和開(kāi)關(guān)控制模塊766。相位超前模塊760耦合到音頻輸入端子724以接收音 頻輸入信號(hào)770并提供音頻輸入信號(hào)的相位提前形式。絕對(duì)值模塊762和 峰值檢測(cè)器764用于提供對(duì)應(yīng)于相位提前音頻輸入信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)772。當(dāng) 信號(hào)的包絡(luò)低于負(fù)載功率閾值Vt時(shí)，開(kāi)關(guān)752+和752—打開(kāi)，并且輸出電壓 信號(hào)V。+和V(,-具有V,+和V,-的幅值。當(dāng)信號(hào)的包絡(luò)超過(guò)Vt時(shí)，開(kāi)關(guān)752+和752— 閉合，并且輸出電壓信號(hào)V。+和V『具有Vh+和Vh—的幅值。(Vh+等于電容器716,+ 和716h+兩端的電壓)。在圖9中，以和音頻輸入信號(hào)及包絡(luò)信號(hào)不同的比例 繪制輸出電壓信號(hào)，以例示功率供應(yīng)設(shè)備700的工作。在實(shí)踐中，輸出電 壓信號(hào)V。+和V?！姆当容斎胍纛l信號(hào)的包絡(luò)至少大放大器720提供的放大 因子倍。接下來(lái)參考圖10，圖10示出了包括功率供應(yīng)設(shè)備1000和音頻放大模 塊1014的雙通道音頻放大電路。功率供應(yīng)設(shè)備1000耦合到受限電源1002 以在功率輸入端子1004處接收輸入功率信號(hào)。增壓變換器1006提供用于 對(duì)儲(chǔ)能模塊1008中的一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電的存儲(chǔ)功率信號(hào)。在音頻輸入端子1024,和1024r處接收兩個(gè)音頻輸入信號(hào)。將每個(gè)音頻 信號(hào)經(jīng)自動(dòng)增益控制(AGC)模塊1076耦合到相應(yīng)的放大器1020。每個(gè)AGC 模塊1076產(chǎn)生調(diào)節(jié)后的音頻輸入信號(hào)，在下文中將對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。 每個(gè)放大器對(duì)其各自的調(diào)節(jié)后的輸入音頻信號(hào)進(jìn)行放大并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的放大 音頻信號(hào)。對(duì)應(yīng)的揚(yáng)聲器1022再現(xiàn)放大的音頻信號(hào)。每個(gè)放大器都由拆開(kāi) 模式的供電軌(power rail) V+和V-供電，其中所述供電軌V+和V-由跟蹤型 功率供應(yīng)設(shè)備1078在功率輸出端子1012+和1012-處產(chǎn)生。跟蹤型功率供應(yīng) 設(shè)備1078接收調(diào)節(jié)后的輸入音頻信號(hào)并產(chǎn)生足夠大的正負(fù)供電軌以為放大 器供電。跟蹤型功率供應(yīng)設(shè)備1078可以如下方式工作產(chǎn)生與具有最大幅值的調(diào)節(jié)后的輸入音頻信號(hào)相對(duì)應(yīng)的包絡(luò)信號(hào)，然后產(chǎn)生幅值比將由放大 器1020產(chǎn)生的最大放大音頻信號(hào)大的正負(fù)供電軌V+和V-。這樣，使用單一的儲(chǔ)能模塊1008來(lái)為再現(xiàn)兩個(gè)輸入音頻信號(hào)的兩個(gè)放大器供電。 一般地， 兩個(gè)輸入音頻信號(hào)對(duì)應(yīng)于左音頻信號(hào)和右音頻信號(hào)，雖然未必一定是這樣。 儲(chǔ)能模塊中的儲(chǔ)能元件一般是電容器1016。在運(yùn)行中，在負(fù)載1014從 電容器1016汲取功率時(shí)，電容器1016兩端的電壓(即存儲(chǔ)元件端子1038 處的電壓)可能會(huì)迅速下降。如果從電容器汲取出過(guò)多的功率，它們兩端的電壓會(huì)消失，結(jié)果，跟蹤型功率供應(yīng)設(shè)備1078 (或結(jié)合功率供應(yīng)設(shè)備300 (圖3)描述的減壓變換器)無(wú)法將正負(fù)供電軌V+和V-維持在期望電平。這 種情況最可能在放大的音頻信號(hào)的幅值處于峰值期間發(fā)生，這可能會(huì)導(dǎo)致 來(lái)自揚(yáng)聲器的再現(xiàn)聲音被削減。AGC模塊1076可以降低這種可能性。每個(gè) AGC模塊對(duì)其各自的音頻輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每個(gè)AGC模塊還監(jiān)測(cè)存 儲(chǔ)元件端子1038處的電壓。如果該電壓下降到閾值以下，那么AGC可以減 小調(diào)節(jié)后的音頻信號(hào)的幅值，由此減小供電軌V+和V—的電壓電平。當(dāng)存儲(chǔ) 元件端子1038處的電壓回到閾值以上時(shí)，AGC將停止減小調(diào)節(jié)后的輸入信 號(hào)的幅值。優(yōu)選將AGC配置成足夠迅速地動(dòng)作，以便避免電容器2016上的 電壓消失；以及足夠慢地動(dòng)作，以便避免所得到的音頻出現(xiàn)過(guò)大的音量變 化。放大電路1001中所示的自動(dòng)增益控制器可以用于放大器100—700。類 似地，放大電路IOOI中所示的跟蹤型功率供應(yīng)設(shè)備也可以耦合在其它功率 供應(yīng)設(shè)備中的存儲(chǔ)元件端子和功率輸出端子之間，以提供跟蹤負(fù)載功率需 求的輸出功率信號(hào)。在此僅以舉例的方式描述了本發(fā)明?？梢栽诓幻撾x本發(fā)明的精神和范 圍的前提下對(duì)這些示例性實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變化，本發(fā)明的范圍僅由 所附權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1、一種功率供應(yīng)設(shè)備，包括-功率輸入端子，用于從受限電源接收等于源電壓的輸入功率信號(hào)；-用于存儲(chǔ)能量的儲(chǔ)能元件；-增壓變換器，其耦合到所述功率輸入端子以接收所述輸入功率信號(hào)，并用于向所述儲(chǔ)能元件提供等于存儲(chǔ)電壓的存儲(chǔ)功率信號(hào)，并且其中所述增壓變換器將所述輸入端子處的所述源電壓與所述儲(chǔ)能元件處的所述存儲(chǔ)電壓隔離開(kāi)；-功率輸出端子；以及-其中所述儲(chǔ)能元件耦合到所述增壓變換器以接收功率，并且其中所述儲(chǔ)能元件耦合到所述輸出端子以向負(fù)載提供輸出功率信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率供應(yīng)設(shè)備，其中所述增壓變換器包括用 于測(cè)量所述輸入功率信號(hào)的功率水平的源功率感測(cè)電路，并且所述增壓變 換器包括功率限制電路，用于在所述輸入功率信號(hào)的所述功率水平超過(guò)閾 值時(shí)降低所述輸入功率信號(hào)的功率水平。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率供應(yīng)設(shè)備，其中基于所述受限電源的功 率供應(yīng)極限來(lái)選擇所述閾值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率供應(yīng)設(shè)備，其中所述閾值是所述受限電 源的額定功率的一部分。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率供應(yīng)設(shè)備，其中所述增壓變換器包括用 于測(cè)量所述源電壓的功率感測(cè)電路，并且所述增壓變換器包括功率限制電 路，用于在所述源電壓下降到閾值以下時(shí)降低所述輸入功率信號(hào)的功率水 平。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率供應(yīng)設(shè)備，還包括耦合在所述儲(chǔ)能元件和所述功率輸出端子之間的減壓變換器，其中所述減壓變換器從所述儲(chǔ)能 元件接收等于所述存儲(chǔ)電壓的功率并在所述功率輸出端子處提供等于供應(yīng) 電壓的輸出功率信號(hào)，其中所述存儲(chǔ)電壓高于所述供應(yīng)電壓。
7、 一種功率供應(yīng)設(shè)備，包括 -功率輸入端子；-第一儲(chǔ)能元件，用于存儲(chǔ)等于第一存儲(chǔ)電壓的能量； -第二儲(chǔ)能元件，用于存儲(chǔ)等于第二存儲(chǔ)電壓的能量； -二輸出增壓變換器，其耦合到所述功率輸入端子以從受限電源接收等于源電壓的輸入功率信號(hào)，并向所述第一儲(chǔ)能元件提供等于所述第一存儲(chǔ)電壓的第一存儲(chǔ)功率信號(hào)，并向所述第二儲(chǔ)能元件提供等于第二存儲(chǔ)電壓的第二存儲(chǔ)功率信號(hào)；-功率輸出端子，用于向負(fù)載提供輸出功率信號(hào)，其中所述第一儲(chǔ)能元件耦合到所述功率輸出端子； -負(fù)載輸入信號(hào)端子；以及-控制器，其耦合到所述負(fù)載輸入信號(hào)端子以接收負(fù)載功率信號(hào)，并用 于響應(yīng)于所述負(fù)載功率信號(hào)來(lái)將所述第二儲(chǔ)能元件選擇性耦合到所述功率 輸出端子。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率供應(yīng)設(shè)備，還包括用于耦合所述第一儲(chǔ) 能元件和第二儲(chǔ)能元件的開(kāi)關(guān)，使得當(dāng)所述開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元 件提供所述輸出功率信號(hào)，當(dāng)所述開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件和第二 儲(chǔ)能元件二者提供所述輸出功率信號(hào)，并且其中所述控制器通過(guò)閉合所述 開(kāi)關(guān)來(lái)將所述第二儲(chǔ)能元件耦合到所述功率輸出端子。
9、 一種音頻放大電路，包括 -功率供應(yīng)設(shè)備，包括-功率輸入端子；-增壓變換器，其耦合到所述功率輸入端子以從功率受限源接收等 于源電壓的輸入功率信號(hào)；-儲(chǔ)能模塊，其中所述增壓變換器向所述儲(chǔ)能模塊提供存儲(chǔ)功率信號(hào)；-一個(gè)或多個(gè)功率輸出端子； -變換器；以及 -音頻放大級(jí)，包括-一個(gè)或多個(gè)音頻輸入端子；-一個(gè)或多個(gè)音頻放大器，其中每個(gè)音頻放大器耦合到所述功率輸 出端子以接收所述一個(gè)或多個(gè)輸出功率信號(hào)，并耦合到所述音頻輸入端子 之一，以接收對(duì)應(yīng)的輸入音頻信號(hào)，并且其中所述音頻放大級(jí)提供對(duì)應(yīng)于 每個(gè)輸入音頻信號(hào)的放大音頻信號(hào)， 其中所述變換器耦合到-所述儲(chǔ)能模塊，以從所述增壓變換器和所述儲(chǔ)能模塊汲取功率；-所述音頻輸入端子，以接收所述輸入音頻信號(hào)；以及-所述功率輸出端子，以在每個(gè)所述功率輸出端子處提供輸出功率信號(hào)，其中每個(gè)所述功率輸出端子處的所述輸出功率信號(hào)的幅值至少部分由所述輸入音頻信號(hào)的幅值來(lái)確定。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的音頻放大電路，其中所述變換器是跟蹤型 功率變換器，并且其中所述功率變換器響應(yīng)于最大的輸入音頻信號(hào)的幅值 來(lái)產(chǎn)生所述輸出功率信號(hào)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的音頻放大電路，其中所述功率變換器產(chǎn)生 對(duì)應(yīng)于所述最大輸入音頻信號(hào)的包絡(luò)的所述輸出功率信號(hào)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的音頻放大電路，其中所述功率變換器產(chǎn)生 一對(duì)拆開(kāi)的軌輸出功率信號(hào)。
全文摘要
一種用于受限電源的功率供應(yīng)設(shè)備和使用該功率供應(yīng)設(shè)備的音頻放大器，它包括用于提供輸出功率信號(hào)的電源，該輸出功率信號(hào)可以由峰均功率需求比高的負(fù)載使用。當(dāng)使用這種電源給峰均功耗比高的裝置供電時(shí)，如果要將峰值功率保持在受限電源的功率供應(yīng)極限以下，那么該裝置的平均功率輸出會(huì)受到嚴(yán)重限制。
文檔編號(hào)H02J15/00GK101405924SQ200780010062
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月23日
發(fā)明者A·J·梅森, J·B·弗倫奇 申請(qǐng)人:奧德拉國(guó)際銷售公司