CN101299548B - 功率控制设备、扬声器设备和功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种扬声器设备，采用以下方式来布置根据本发明的扬声器设备：当音频信号Sin幅度暂时增大，因而功耗增大时，DC-DC变换器使得输出电压Vout减小，从而增大了输出电流Iout，并且进一步使得电容器放电，从而增大了提供给放大器的电流。因此，可以把从USB连接终端提供的2.5W或更大的功率暂时提供给放大器。而且，由于可以使得电容器两端的电压差的变化很大，所以可以使得从电容器所放电的电荷量很大，因而可以减小电容量的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及提高所提供功率的电压值并且输出提高了的功率的技术。
背景技术
符合USB(通用串行总线)标准的终端已广泛用于个人计算机等。各种类型的外围设备可以通过USB终端连接。由于这种USB终端包括信号线和电源线，所以连接到USB终端的外围设备可以被提供来自电源线的功率。由于USB终端的标准，电源线被限制在5V或更小的可允许电压，并被限制在500mA或更小的可允许电流，所以可用功率最大为2.5W。
然而，在一些要被连接到USB终端的外围设备中，功耗瞬时峰值超过2.5W。因此，如JP-T-2004-503199所揭示的，提出了一种设备，其中在输入部分提供了电容器用于从USB终端的电源线接收功率，并且通过利用在电容器中积累的功率来补偿连接到USB终端的外围设备的峰值时的功率。
然而，由于JP-T-2004-503199中揭示的设备被配置仅利用电容器，这引起了能被积累的功率很小的问题。而且，由于为了增加积累功率需要显著增大电容器的电容量，所以电容器的体积变得相当大。因此，在将USB放大器用于驱动扬声器的情况下，由于需要大电容量的电容器，所以不能使得放大器小型化。
发明内容
本发明是根据上述情况而完成的，本发明的目的是提供一种功率控制设备、扬声器设备和功率控制方法，其中即使采用了具有较小的电源最大值的电源，通过补偿峰值时的功率也可以实现功率控制设备和扬声器设备的小型化，并且可以以高输出功率来驱动。
为了解决上述问题，本发明提供了一种功率控制设备，包括：
电压变换器，其把从外部电源提供的功率的电压值变换成预定电压值，并且输出所述预定电压；
电压发生器，其根据从电压变换器输出的功率的电压值来产生反馈电压，该反馈电压的电压值低于从外部电源提供的功率的电压值，其中，电压变换器控制预定电压，从而使得反馈电压变成预先设置的基准电压；
电流检测器，其检测提供给电压变换器的功率的电流值；以及
电压校正单元，当由电流检测器所检测的电流值变成预定电流值或更大时，该电压校正单元使得反馈电压增大。
在另一优选的方面，电压发生器包括第一电阻和第二电阻，并且通过利用所述第一电阻和第二电阻来对从电压变换器输出的功率的电压值进行分压，从而产生反馈电压。
在另一优选的方面，电压校正单元包括晶体管，当由电流检测器检测到的电流值变成预定电流值或更大时该晶体管导通，从而使得反馈电压通过从外部电源提供的功率而增大。
在另一优选的方面，还提供有电容器，其对电荷进行充电和放电，其中，当电压变换器控制减小预定电压时，电容器根据预定电压的减小值来对电荷进行放电。
本发明提供一种扬声器设备，包括：
上面的功率控制设备；
放大器，其利用从电压变换器提供的功率来对输入音频信号进行放大；以及
扬声器，其输出由放大器放大的音频信号，
其中，当功率控制设备的电容器放电时，放大器通过进一步利用由放电所产生的功率来对输入音频信号进行放大。
本发明提供了一种功率控制方法，包括步骤：
把从外部电源提供的功率的电压值变换成预定电压值，并且输出所述预定电压；
根据从电压变换器输出的功率的电压值来产生反馈电压，该反馈电压的电压值小于从外部电源提供的功率的电压值；
检测提供给电压变换器的功率的电流值；
当由电流检测器所检测的电流值变成预定电流值或更大时，增大反馈电压；以及
控制预定电压，从而使得反馈电压变成预先设置的基准电压。
根据本发明，可以提供一种功率控制设备、扬声器设备和功率控制方法，其中即使采用了具有较小的电源最大值的电源，通过补偿峰值时的功率也可以实现功率控制设备和扬声器设备的小型化，并且可以以高输出功率来驱动。
附图说明
图1是示出根据实施例的扬声器设备的结构的电路图。
图2是DC-DC变换器的电路图。
图3是晶体管Q1的改进示例。
图4是限幅器的电路图。
图5是输出特性获取装置的示例。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例进行说明。
<实施例>
在本实施例中，将对扬声器设备1进行说明，该扬声器设备1连接到USB终端并且能以高输出功率来驱动。首先，将参考图1来说明扬声器设备1的结构。图1是示出根据本发明的实施例的扬声器设备1的结构的电路图。
把USB连接终端10配置成在被连接到提供在作为外部电源的个人计算机的USB连接终端时来接收电力。外部电源是恒压源。提供给USB连接终端10的电压Vusb为5V，而提供的电流最大为500mA。DC-DC变换器11是DC电压变换器，其把输入电压Vin变换成输出电压Vout，并且把输出电压Vout输出。以下面方式来调整输出电压Vout：单独输入到变换器的反馈电压Vfb变成预先设置的基准电压。当后面描述的晶体管Q1处于截止状态时，反馈电压Vfb为通过采用电阻R1和R2对输出电压Vout进行分压而获得的电压值。
在本实施例中，以下面方式来布置DC电压变换器：当把基准电压设置成1V并且控制输出电压Vout从而把反馈电压Vfb设置为1V时，输出电压Vout变成10V。例如，在反馈电压Vfb变得大于10V的情况下，DC-DC变换器11识别出输出电压Vout增大，因此控制输出电压Vout来使其值减小。另一方面，当反馈电压Vfb变成小于1V时，DC-DC变换器11识别出输出电压Vout减小，因此控制输出电压Vout来使其值增加。基准电压被设置为小于从USB连接终端10输入的电压Vusb的电压。
以下面的方式来设置电阻R1和R2的值：当输出电压Vout为10V时反馈电压Vfb变成1V，从而电阻R1和R2之间电阻值的比值被设置为9∶1(在本实施例中，电阻R1为9kΩ，电阻R2为1kΩ)。由于相比较后面描述的放大器12的内阻值来说这些电阻值被设置的很大，所以流经电阻R1和R2的电流被认为很小。因此，在下面的描述中，由于可以忽略这些很小的电流，所以描述的是来自DC-DC变换器11的全部输出电流Iout流入了放大器12和电容器C1等。
假设DC-DC变换器11具有80％的变换效率。即，变换器的输入功率的80％是从变换器输出的。例如，当输入功率为2.5W(5V，500mA)时，输出功率变为2.0W(10V，200mA)。
放大器12是放大电路，其被提供了来自DC-DC变换器11的电力，并且对输入到其中的音频信号Sin进行放大，从而从扬声器13输出声音。在本实施例中，扬声器13具有8Ω的阻抗Zsp。
图2是DC-DC变换器的示例。把从电阻Rin提供的电压Vin通过基准电压发生器Vref输入到比较器AMP的一端。把反馈电压Vfb提供给比较器AMP的另一端。把从基准电压发生器Vref输出的基准电压与反馈电压Vfb进行比较，并将结果提供给PWM控制器。响应于比较器的输出值，PWM控制器输出PWM(脉冲宽度调制)信号。从PWM控制器输出的PWM控制信号驱动并使得晶体管TR导通，随后晶体管TR通过二极管把驱动信号输出到后级。电容器C连接到二极管的输出端和地之间，从而对二极管的输出进行平滑。图1所示的电容器C1能起到图2所示电容器C1的作用。
电阻Rin被提供在USB连接终端10和DC-DC变换器11之间，并且把已由电阻Rin产生下降的电压提供给晶体管Q1的基极。在本实施例中把电阻Rin的电阻值设为1Ω，从而当输入电流Iusb到达上限500mA时向晶体管Q1的基极施加4.5V电压。
晶体管Q1为PNP晶体管，当发射极和集电极之间的电压差VBE超过0.5V时(在输入电流Iusb为500mA的情况下)，晶体管从没有电流流过的截止状态变化为发射极和集电极之间导通的导通状态。发射极连接到USB连接终端10并且提供有5V电压。
电阻R3的电阻值和晶体管Q1导通状态下发射极和集电极之间的电阻值的和被设置为与电阻R1的电阻值相同，即9Ω。由于以这种方式设置电阻值，所以当晶体管Q1变成导通状态时，由于USB连接终端10的电压Vusb的影响使反馈电压Vfb增加。然而，由于DC-DC变换器11控制并把输出电压Vout减小到6V，所以反馈电压Vfb可以被减小到1V的基准电压。即使在晶体管Q1的电压差值VBE到达0.5V之前(在输入电流Iusb到达500mA之前)，由于晶体管Q1的发射极和集电极之间的电阻值开始减小，反馈电压Vfb开始增加，从而DC-DC变换器11控制来减小输出电压Vout。
在此方式下，当输入电流Iusb接近500mA时，DC-DC变换器11的输出电压Vout减小。由于输出电压Vout减小，所以只要输出功率保持不变，就可以增大输出电流Iout。例如，即使在输出电压Vout为10V时输出电流Iout的上限为200mA，当输出电压Vout变成6V时，输出电流Iout的上限也可以被增大到333mA。
相比较电阻Rin的电阻值和DC-DC变换器11等的内阻值来说，电阻R3的电阻值与晶体管Q1导通状态下发射极和集电极之间的电阻值的和被设置成相当大。因此，在从USB连接终端10输入的电流Iusb中，流入晶体管Q1的电流被认为很小。因此，在下面描述中，说明的是很小的电流被忽略并且输入到DC-DC变换器11的输入电流Iin与从USB连接终端10输入的电流Iusb相同。
电容器C1被提供在DC-DC变换器11和放大器12之间，并具有10000μF的电容量。该电容器根据来自DC-DC变换器11的输出电压Vout积累电荷。当输出电压Vout减小时，电容器对积累的电荷进行放电，从而增加提供给放大器12的电流。例如，当输出电压Vout从10V减小到6V时，电容器可以放掉10000μF·(10V-6V)＝40mC的积累电荷。因此，例如，如果电荷放电持续0.1秒，则电容器C1可以把根据电荷的放电时间周期所产生的电流(即400mA)提供给放大器。
接下来，将对连接到个人计算机的扬声器设备1进行描述。音频信号Sin被输入到放大器12。假设音频信号Sin是代表音乐的信号。通常，代表诸如音乐之类的音频信号的峰值输出和平均输出之间存在很大差值。尽管这种差值取决于音乐的类型和种类，但是一般来说平均输出差不多是峰值输出的1/8到1/10。因此，如果对峰值时间的功率进行临时补偿，则在除了峰值时间周期以外的时间周期内以峰值输出的1/8到1/10来驱动放大器12。
首先，将对音频信号Sin的幅度处于除了峰值以外的其他状态的情况进行描述。由于扬声器13的阻抗Zsp为8Ω，当DC-DC变换器11输出150mA的输出电流Iout时，扬声器根据音频信号Sin提供0.18W的输出。在此情况下，电容器C1积累100mC的电荷。在音频信号Sin幅度很低并且电流Iusb没有到达500mA期间保持这种状态。
接下来，将对音频信号Sin幅度增加并改变到峰值的情况进行描述。当音频信号Sin幅度增加并且输出电流Iout也增加到大约180mA，因此扬声器输出变为大约0.26W时，电流Iusb变为差不多500mA。尽管电流Iusb到达500mA而在10V的输出电压Vout处输出电流Iout仅增加到大约180mA的原因在于：在电阻Rin处由于电压下降大约0.5V而消耗大约0.25W功率，因此从DC-DC变换器11输出的最大功率变成(2.5W-0.25W)·80％＝1.8W。
当电流Iusb到达500mA时，由于反馈电压Vfb增加，DC-DC变换器11控制来减小输出电压Vout。因此，如上所述，输出电压Vout最大减小4V，因此变成6V。在此情况下，来自DC-DC变换器11的输出电流Iout的最大值变成300mA，因此可以获得最大为0.72W的输出功率。另一方面，由于输出电压Vout减小4V，所以电容器C1放掉40mC的电荷。因此，如上所述，例如，在0.1秒内还可以进一步为放大器12提供400mA的电流。在此方式下，由于在电容器C1放电的0.1秒的时间周期内可以为放大器12提供大约700mA的电流，所以可以获得大约3.92W的输出功率。结果，可以暂时输出等于或者大于从USB连接终端10所提供功率的功率，即，2.5W或更大的功率。
此后，当音频信号Sin的幅度减小，电流Iusb减小时，晶体管Q1截止，从而使得反馈电压Vfb减小来控制DC-DC变换器11的输出电压Vout增加，因此输出电压Vout恢复到10V。因此，电容器C1再次充入100mC的电荷。
依此方式，在根据本发明的扬声器设备1中，当音频信号Sin的幅度很小而且功耗也很小时，电容器C1被充入由DC-DC变换器11所提高的输出电压Vout。当音频信号Sin的幅度临时增加而且功耗也增加时，DC-DC变换器11减小输出电压Vout来增加输出电流Iout，并且对电容器C1进行放电来增加提供到放大器12的电流。因此，可以临时把等于或大于从USB连接终端10所提供功率的功率，即2.5W或更大的功率提供给放大器12。此外，由于DC-DC变换器11根据功耗而改变输出电压Vout，所以相比较输出电压没有改变的情况，可以使得电容器C1两端的电压差的改变量很大，从而可以使得电容器C1的电荷放电量很大。因此，由于电容器C1的电容量值可以很小，所以电容器C1的尺寸可以做成很小，因此可以使得扬声器设备1小型化。
尽管描述了本发明的实施例，但是本发明还可以以下面描述的各种方式来实现。
<第一改进示例>
尽管在该实施例中，晶体管Q1为PNP晶体管，但是晶体管还可以是图3所示的P沟道FET(场效应晶体管)Q1’。在此情况下，连接到PNP晶体管的基极的导线可以连接到P沟道FET Q1’的栅极，而连接到PNP晶体管的发射极/集电极的导线可以连接到P沟道FETQ1’的源极/漏极。在此情况下，可以获得与该实施例相似的效果。
<第二改进示例>
尽管在该实施例中，电阻R3的电阻值与晶体管Q1导通状态下发射极和集电极之间的电阻值的和被设置为预定电阻值，但是还可以不需要采用电阻R3。在此情况下，通过调整晶体管Q1的尺寸，可以把晶体管Q1导通状态下发射极和集电极之间的电阻值设置为预定电阻值。根据这种改进，在不使用电阻R3的情况下也可以获得与该实施例相似的效果。
<第三改进示例>
在本实施例中，电阻R3的电阻值与晶体管Q1导通状态下发射极和集电极之间的电阻值的和被设置为电阻R1的电阻值。因此，当晶体管Q1保持导通状态时，即，当电流Iusb保持为大约500mA的值时，DC-DC变换器11的输出电压Vout减小到6V，从而使得反馈电压Vfb变成1V的基准电压。就这点而言，电阻R3的电阻值与晶体管Q1导通状态下发射极和集电极之间的电阻值的和可以根据输出电压Vout减小到的电压来加以调整。换句话说，可以调整电阻值的和，使得当输出电压Vout变成下限电压时，反馈电压Vfb变成1V。
<第四改进示例>
可以在本实施例的USB连接终端10和DC-DC变换器11之间设置限幅器，从而不让500mA或更大的电流流过。图4示出了限幅器的示例。在该示例中，通过电阻Rin来检测电流，当被测电流超过500mA时，晶体管Q1开始切换操作来减小DC-DC变换器11的电压。根据这种结构，500mA或更大的电流不再流入连接到USB连接终端10的为个人计算机的USB连接终端供电的电源，因此可以减小电源的负荷。
<第五改进示例>
在本实施例中，尽管在晶体管Q1处于截止状态时DC-DC变换器11的输出电压Vout被设置为10V，但是该电压并不仅限制于10V。在此情况下，可以设置操作部分，其可以根据用户操作来设置输出电压。可替换的是，可以把电阻R1和R2的至少一个设置为可变电阻，其电阻值可以以下面方式由用户来改变：通过调整电阻R1和R2之间的电阻值比值可以改变输出电压Vout。例如，当电阻R1和R2之间的电阻值比值被设置为7∶1时，为了把反馈电压Vfb设为1V，输出电压Vout变成8V。
就这点而言，当输出电压Vout被设成大于10V时，尽管在输出电压为10V或更大的正常状态下可输出的功率变小，在峰值功率时间可以从电容器C1放电的电荷Qc变大。因此，可以增加在峰值可以输出的功率。相反，当输出电压Vout被设置成大于10V时，尽管在峰值功率时能被输出的功率变小，但正常状态下可以输出的功率变大。因此，可以根据要输入的音频信号Sin的输出特性，即根据信号值的变化幅度来设置最佳输出电压Vout。可以以下面方式提供输出特性获取装置用于预先获得音频信号Sin的输出特性：输出特性获取装置根据所获取的输出特性自动控制DC-DC变换器11或者电阻R1和R2之间的电阻值比，从而确定输出电压Vout。
图5示出了控制DC-DC变换器11的输出特性获取装置的示例。
Claims (6)
1.一种功率控制设备，包括：
电压变换器，其把从外部电源提供的功率的电压值变换成预定电压值，并且输出所述预定电压；
电容器，其根据电压变换器输出的预定电压累积电荷；
电压发生器，其根据从电压变换器输出的功率的电压值来产生反馈电压，该反馈电压的电压值低于从外部电源提供的功率的电压值，其中，电压变换器控制预定电压，从而使得反馈电压变成预先设置的基准电压；
电流检测器，其检测提供给电压变换器的功率的电流值；以及
电压校正单元，当由电流检测器所检测的电流值变成预定电流值或更大时，通过根据电压变换器的输出功率的电压值和外部电源提供的功率的电压值产生反馈电压，该电压校正单元使得反馈电压增大，
其中，当由于电压校正单元增大反馈电压而使电压变换器输出功率的电压值减小时，电容器对所累积的电荷进行放电。
2.如权利要求1所述的功率控制设备，其中，电压发生器包括第一电阻和第二电阻，并且通过利用所述第一电阻和第二电阻来对从电压变换器输出的功率的电压值进行分压，从而产生反馈电压，并且
电压校正单元包括第三电阻，该电压校正单元通过使用第三电阻和第二电阻来对外部电源提供的功率的电压值进行分压，从而产生反馈电压。
3.如权利要求2所述的功率控制设备，其中，电压校正单元包括晶体管，当由电流检测器检测到的电流值变成预定电流值或更大时该晶体管导通，从而通过使用第三电阻和第二电阻来对外部电源提供的功率的电压值进行分压。
4.如权利要求1所述的功率控制设备，其中，当电压变换器控制减小预定电压时，电容器根据预定电压的减小值来对电荷进行放电。
5.一种扬声器设备，包括：
根据权利要求1所述的功率控制设备；
放大器，其利用从电压变换器提供的功率来对输入音频信号进行放大；以及
扬声器，其输出由放大器放大的音频信号，
其中，当功率控制设备的电容器放电时，放大器通过进一步利用由放电所产生的功率来对输入音频信号进行放大。
6.一种功率控制方法，包括步骤：
电压变换器把从外部电源提供的功率的电压值变换成预定电压值，并且输出所述预定电压；
根据输出的预定电压累积电荷；
根据从电压变换器输出的功率的电压值来产生反馈电压，该反馈电压的电压值小于从外部电源提供的功率的电压值；
检测提供给电压变换器的功率的电流值；
当由电流检测器所检测的电流值变成预定电流值或更大时，通过根据电压变换器输出的功率的电压值和外部电源提供的功率的电压值产生反馈电压来增大反馈电压；
控制预定电压，从而使得反馈电压变成预先设置的基准电压；以及
当由于增大反馈电压而使电压变换器输出的功率的电压值减小时，对所累积的电荷进行放电。
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