CN101507104A - 高能效消费电子产品的音频功率输出级及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种高效率消费电子产品音频功率输出级提高了电池寿命并且降低了功率损耗。一个具有操作模式选择功能的电源为功率放大器输出级提供轨电源。操作模式与音频信号水平一致，这可以由产品的音量控制设置以及/或者决定所放大信号的量的信号水平探测器来决定。电源可以是一个电荷泵，其中对电源输出电压选择操作模式采用一个电容分压计，得到一个饱和电压模式下乘以一个分数因数的电源输出电压。

Description

高能效消费电子产品的音频功率输出级及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种消费电子产品的音频功率输出级，尤其是一种采用可选电压电荷泵来节省能量的音频功率级。

背景技术

在用电池驱动的音频消费电子产品中，功率放大器输出由于被用来驱动一对耳机或者一个喇叭，从而成为最消耗电池电能的部分。在输出级具有一个线性功率放大器的电子产品中，在输出低水平信号的时候会造成功率的损失，这是因为工作的输出晶体管的压降加上输出电压等于电源固定不变的轨(rail)电压。即使变换器中的电流降低到低水平信号的振幅，与正常负载相比，更多的能量仍然由于在输出晶体管中散失而被浪费。在线性放大器电路中，电池电源仅仅由于电源电压的降低而减少，这会限制可用的输出功率，并且有可能不能用于功率放大器输出被用作行输出信号，同时必须提供一个特定的信号水平作为饱和信号水平的一些应用中，例如+5dBm(-10dBm向上15dB)加载到一个600ohm的负载，就需要3V的信号变化。

因此，提供一种更高能效、更低功耗，同时保证所需要的饱和信号输出水平的音频消费电子产品的功率放大器电路就非常有必要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种音频消费电子产品的高能效、低功耗的线性功率放大器电路及其使用方法。

该功率放大器电路包括一个具有可选操作模式的电荷泵电源，使得在第一种操作模式中，电源产生的电压为第二操作模式中产生的电压的一个有理分式。一个电容分压器，通过将一组串联连接的电容切换到输入端，同时将其中一个电容切换到输出端的一端，从而在那个输出端提供输入电压的分数值。所述电源可以是一个单极电源，或者是具有关于一个参考水平对称的一个双极输出，该电源作为输入电源端的其中一个。

本发明的上述以及其它目的、特征以及进步之处将在下面结合附图以及实施例作更详细的描述。

附图说明

图1为本发明音频消费电子产品音频输出级的一个实施例的原理图；

图2为本发明实施例中图1所示的电荷泵电源10的原理图；

图3A-3D为图2中电荷泵电源电路每种操作模式的原理图；

图4为本发明实施例中放大器控制电路的原理图。

具体实施方式

本发明包括一种音频消费电子产品的功率放大器级，以及一个用来至少提供末级功率放大器级使用的轨电源的电荷泵电源。提供给末级放大器级的电源电压是可选的，并且被设置为与被放大的音频信号指定的或者实际的信号水平一直，从而使得信号的振幅不需要最大的电源电压，电源电压被降低从而节省能量。例如，将一个最大振幅为-6dB，瞬间峰值达到0dB的信号放大，末级放大器级的电源电压就可以降低到上述峰值之间间隔的二分之一，并且不会产生削波(clipping)。由此，功耗就降低到四分之一，并且功率散失降低到至少是放大器没有可选电源的水平。所述电荷泵电源提供了一个简单的可选电压操作来按比例降低电源电压，这是采用一个电容分压器将输入电压分压，然后将至少一个分压后的电压传送到电源的输出端，从而降低电压。

现在如图1所示，这是本发明音频消费电子产品的音频输出级的一个实施例。一个数模转换器(DAC)14提供一个模拟信号到由一个固定的电压源驱动的第一放大器级A2。数模转换器14的输入端还可以连接一个解码器13，用来将文件或者一串数据流，例如MP3数据流解码。第一放大器级A2输出的信号提供给一个用来接收音量控制信号，并且据此对信号进行衰减控制的衰减器16。衰减器16可以是由一个微控制器或者其它数字控制电路根据用户界面、音量调节按钮译码器或者程序命令进行控制的数字分压计，或者衰减器16也可以是一个提供音量控制信号作为一个来自于第二控制板(单独的耦合到公共转轴或者其他机构的分压计电路)的输出指示的模拟分压计，供下文描述的电源控制运算法则使用。例如所展示的衰减器16的音量控制机构，很明显同样的音量控制可以由一个放大器A2中或者信号通路中另一个放大器级中的反馈回路中的可编程电阻来提供。末级功率放大器级A2将接收自衰减器16的信号放大，并且提供一个音频输出信号，用来驱动喇叭、耳机变换器，以及/或者一个行信号输出。一个电容C1可以被用来将输出信号耦合到变换器或者行信号输出，特别是在放大器A1被一个具有相对于地的固定电压的单极电源驱动的情况下。

所述音量控制信号也可以被提供到一个模式控制电路12，用来控制提供给功率放大器A1的轨电源端的输出电源电压与功率放大器A1输出预期的信号水平范围一致，以使得功率放大器A1不会使峰值信号饱和失真，却在非峰值信号到来的时候降低电源电压。作为可选的，或者在连接中，放大器A2的输出也提供给模式控制电路12，使得实际的信号水平能够被模式控制电路12测量，并且功率放大器A1的电源电压调整到与在功率放大器A1输出端再生的实际的信号水平一致。在实施例中，由于音量控制在放大器A2输出的信号水平测量之后发生，即使如果信号水平被模式控制电路12探测到，音量信息仍然需要，因为模式控制电路必须也接收关于先前被功率放大器A1放大的信号的增益/衰减量的信息。同时，解码器13的输出，如果当前有，可以给模式控制电路12提供一个预先的通知，表示信号中的峰值振幅将到达数模转换器14，并且因此提供一个更早的指示，表示如果电荷泵电源10的低电压/功率操作模式被选中，就需要进行操作模式的转换。

电荷泵电源10提供放大器A1的轨电源输入，并且接收一个电源输入，通常是来自于电池或者其他供电源，例如电池连接端Vbatt+和Vbatt-。模式控制电路12为电荷泵电源10提供一个模式选择信号，来选择电荷泵电源10的操作模式。电荷泵电源10提供的输出轨电源连接端out+和out-在第一操作模式中具有“饱和”(最大)电压，在第二操作模式中具有低于饱和电压并与饱和电压成比例的电压，这由模式控制电路来选择，当音频信号水平足够低或者被设定为足够低的时候在功率放大器A1的输出不会产生削波。

现在如图2以及图3A-3D所示为电荷泵电源10。当第一操作模式(模式1)被选中时，所述模式选择信号处于逻辑高电平(“1”)，并且开关S8闭合，使得所述Vbatt+电压直接连接到out+端。图3A和图3B所示为在第一和第二时钟相位时电路的连接，其中将打开的开关和不工作的电路元件忽略。开关S2，S2和S4打开并且在第一操作模式中不起作用，同时逻辑与门AND10和AND11使得S1，S2和S4的控制信号失效，并且在逻辑低电平(“0”)的时候通过反相器I10将模式选择信号反相。对于单端(单极)电源，电容C12-C13，开关S3，S6和开关S7被省略。如图3A-3B所示，在模式1中，电源电压的正极端out+直接由输入的正极端Vbatt+提供。

为了在模式1中产生电源电压的负极，在输入端Vbatt+和Vbatt-之间提供的输入电压由一个电压反相器反相。在模式1的相位1(Φ1)中，开关S3和开关S6闭合，从而通过连接到输入端Vbatt+和Vbatt-对电容C12充电，如图3A所示。图3A-3D清楚显示了极化电容C10-C13，很明显极化电容不是必须的并且非极化电容也可以用作C10-C13。在模式1的相位2(Φ2)中，开关S3和开关S6打开，开关S5和开关S7闭合，使得电容C12的两端反相连接到Vbatt-输入端。开关S7使得在相位1连接到Vbatt-输入端的电容C12的一端，连接到输出端的负极out-，如图3B所示。上述的切换动作在out-端提供了一个关于Vbatt-端的负极电压，其大小等于out+端和Vbatt-端之间的电压值，并在输出电容C11和C13之间的节点处作为参考电压(地端)。

在第二操作模式(模式2)中，当模式选择信号处于逻辑低电平(“0”)时模式2被激活，开关S8断开。在模式2的相位1(Φ1)中，开关S1和S4闭合，使得电容C10与连接Vbatt+和Vbatt-端的电容C11的输出串联，如图3C所示。在模式2的相位2(Φ2)中，开关S2和S4打开，开关S2和S5闭合，使得电容C10与电容C11并联，如图3D所示。因为模式2中的第二相位使电容10和电容C11的电压相等，电路稳定的工作点产生，在Vbatt+端和Vbatt-端之间的输入电压将在充电相位中被平均分配，不考虑电容C10和C11的关系。因此模式2中out+输出端的电压将是Vbatt+和Vbatt-端电压的一半。其它比率可以通过在相位1中切换更多与电容C10和C11串联的电容来实现，并且在相位2中将它们全部并联连接。例如，输入电池电压的三分之一的电压可以通过采用串联连接电池端和在out+端与Vbatt-端并联连接的3个电容来产生。

在第二操作模式(模式2)中的负极电源的提供与第一操作模式中相似，电容C12连接如图3B和图3D所示是相同的。但是，如图3C所示，因为在第二操作模式中开关S8打开，在模式2的相位1中，电容12由out+端充电而不是模式1中如图3A所示的Vbatt+端。开关S4使得电容C12连接到out+端，如图3C所示，连同上述将电容C10与电容C11在相位1中串联连接得到正极电源，并且因此电压反相器提供的out-电压与电路提供的out+电压之间的相关相位必须按照描述保持下去。另一方面，8个开关可以被利用，将电容C10和C12之间的连接断开。附加开关可以设置在电容12和out+端之间，并且在模式2相位1中被激活。同样开关数量也可以有7个降低为6个，将开关S3去掉，并用这个(Φ1)信号控制开关S4。但是，开关S3在第一操作模式中降低了电源通路的阻抗，以达到最大电压/电流操作模式。因此，电路中包含开关S3会更好。

现在如图4所示为图1中用作模式控制电路12的放大器控制电路。一个信号水平探测器30，可以是一个模拟峰值检波电路，或者是一个指示在音频信号通路中某些点的模拟信号数值的数字电路的输出，该信号水平探测器30通过乘法器31被连接到音量控制信号(如果音量控制和信号内容都是对数表示，乘法器31用一个加法器代替)。一个比较器K1(或者等效的数字比较器)，决定信号水平是否超过一个极限Vref，以及极限是否被超过，然后模式控制选择信号设置为高逻辑电平，启动电荷泵的操作模式1，为功率放大器A1提供一个更高的电源。给信号水平探测器30合适的时间常数能够在比较器中产生滞后，以使得模式2不会被选择，除非信号的峰值水平在一个预先确定的时间之内以及/或者电压滞后期间都降低到极限之下，从而阻止电源电压控制的错误变化。

作为可选的实施例，信号水平探测器30可以被省略，音量控制水平可以直接与极限值进行比较，来决定电源的操作模式和功率放大器此时的驱动轨电源电压。因为音量控制水平在由功率放大器A1再次产生的预期的峰值水平之前，这样的控制在一些应用中已经足够，尤其是最大信号(峰值)水平已知的一些应用中，例如当音频信号用系统中集成的数模转换器提供音频信号的时候。

在电源电路处于操作模式2的时候，一个可选择的电路对电压峰值作出响应，并由一个保持-重置锁存器33，一个延时器32，和一个信号压缩器34组成。当模式控制信号由逻辑低电平(模式2)转换成逻辑高电平(模式1)，保持-重置锁存器33被设定为保持，知道延时器32预先设定的时间届满。保持-重置锁存器33的输出为脉冲信号，在预定时间激活信号压缩器34，该预定时间就是功率放大器A1的轨电源稳定在操作模式1的更高的轨电源数值所需要的时间。信号压缩器34被插入到音频信号的通路中功率放大器A1之前，并且降低信号水平以避免削波直到提供给放大器A1的轨电源确保足以提供所需的输出电压摆动同时不会产生削波。

本发明已经通过较佳实施例被清楚的描述，本领域技术人员能够在本发明构思范围内理解上述内容，其它形式上的变化，以及细节。

Claims (24)

1.一种为音频转换器提供输出信号的音频放大器电路，所述音频放大器电路包括：

一个具有接收音频输入信号的音频输入端的功率放大器，一个提供所述输出信号的音频输出端，以及一对轨电源连接端；以及

一个用来在所述功率放大器上一对轨电源端提供电源电压的电荷泵电源，其中所述电荷泵电源具有一个用来选择所述电源操作模式的选择输入，其中在第一操作模式中，所述电源电压等于第一电压，在第二操作模式中，所述双极电源电压等于所述第一电压乘以一个分数。

2.根据权利要求1所述的音频放大器电路，其中所述第二操作模式的电源电压大小等于所述第一电压的一半。

3.根据权利要求1所述的音频放大器电路，其中所述电荷泵电源具有一个单极电源输入，包括了一个接地端和一个电压输入端，其中所述电源电压是一个关于所述接地端充分对称的双极输出。

4.根据权利要求1所述的音频放大器电路，其中所述电荷泵包括多个电容和一个用来选择将所述电容由串联切换成并联的切换电路，其中根据所述选择输入，所述切换电路进行切换，使得所述电源电压在第一操作模式与第二操作模式之间变化。

5.根据权利要求1所述的音频放大器电路，其中所述电荷泵电源包括一个在所述第二操作模式的第一切换相位中由一组串联的电容组成被切换的电容分压器，来产生所述第一电压的分数因数，并且在所述第二操作模式中的第二切换相位中将所述电容中的至少一个耦合到所述轨电源端的至少一端，将所述分数因数乘以所述第一电压，实现在所述轨电源端的至少一端。

6.根据权利要求1所述的音频放大器电路，还包括一个具有一个耦合到所述功率放大器的所述音频输入的输出的第一放大器级电路，其中所述第一放大器级具有一对连接到一个固定电压电源的成对的第一级轨电源连接端，其中所述固定电压电源的固定电压在所述电源操作模式的选择时保持不变。

7.根据权利要求1所述的音频放大器电路，还包括一个用来选择所述操作模式与所述音频放大器电路的音量设置一致的控制电路。

8.根据权利要求7所述的音频放大器电路，其中所述音频放大器电路还包括一个耦合到所述音频输入的分压计，用来控制所述输出信号的大小，其中所述控制电路选择的大小与所述分压计的控制水平一致。

9.根据权利要求8所述的音频放大器电路，其中所述分压计时一个数字控制分压计，其中所述控制水平由提供给所述分压计的一个数字控制信号值决定。

10.根据权利要求1所述的音频放大器电路，还包括一个为所述选择输入提供选择信号，使其与所述音频输入的振幅一致的控制电路，使得所述功率放大器在所述电荷泵电源被选择处于所述第二操作模式而非第一操作模式的时候不会产生削波。

11.根据权利要求10所述的音频放大器电路，其中所述控制电路产生一个所述音频输入振幅的指示，其中所述控制电路为所述选择输入提供的选择信号与所述音频输入振幅的指示一致，当所述振幅的指示表示需要所述音频输出需要一个更高的功率水平时选择所述第一操作模式，当所述振幅的指示表示所述音频输出不需要一个更高的功率水平时选择所述第二操作模式。

12.根据权利要求11所述的音频功率放大器，其中所述控制电路包括一个通过探测为所述音频放大器提供的信号振幅，而提供所述振幅的指示的信号水平探测器。

13.根据权利要求12所述的音频功率放大器电路，其中所述音频输入由一个数模转换器提供，其中所述信号水平探测器是一个数字电路，将耦合到所述数模转换器的输入的数字信号值与一个极限值进行比较。

14.根据权利要求1所述的音频放大器电路，其中所述电荷泵电源包括：

一个第一回扫电容flyback capacitor；以及

一个第一切换线路，用来选择将所述第一回扫电容在所述第一操作模式中，在第一相位耦合在所述电源输入端的正极和所述成对轨电源端的正极之间，在第二相位耦合在所述一对电源输入端之间，当所述电荷泵电源处于所述第二操作模式，所述第一切换电路将所述电源输入的正极耦合至所述成对轨电源端的正极。

15.根据权利要求14所述的音频放大器电路，其中所述电荷泵电源还包括：

一个第二回扫电容；以及

一个第二切换电路，耦合至所述第二回扫电容，用来选择在所述第一相位中，将所述回扫电容的第一端耦合至所述成对的轨电源端的正极，将所述第二回扫电容的第二端耦合至所述电源输入端的负极，在所述第二相位中，将所述第二回扫电容的第一端耦合至所述成对的电源输入端的负极，将所述第二回扫电容的第二端耦合至所述成对的轨电源端的负极。

16.根据权利要求15所述的音频放大器电路，其中所述第二回扫电容的第一端连接到所述第一回扫电容的第一端。

17.一种为音频转换器提供功率输出的放大器提高效率的方法，所述方法包括：

接收所述放大器放大信号量的指示；

选择电荷泵电源的操作模式；以及

由所述电荷泵为所述放大器提供一个电源电压，与所述选择操作模式一致，其中所述电荷泵电源的第一操作模式中，所述电源电压等于第一电压，在所述电荷泵电源的第二操作模式中，所述电源电压等于所述第一电压乘以一个分数。

18.根据权利要求17所述的方法，其中根据信号通路的增益接收到音量控制水平信号，并且所进行的选择与所述音量控制水平的量一致。

19.根据权利要求17所述的方法，其中接收所述信号振幅的指示，其中所进行的选择与该振幅的指示一致。

20.一种电荷泵电源电路，包括：

一对电源输入端；

一对电源输出端；

一个第一回扫电容；

一个第二回扫电容；以及

一个切换电路，选择在第一操作模式中，将所述第一回扫电容在第一相位耦合在所述电源输入端的正极与所述电源输出端的正极之间，在第二相位耦合在所述一对电源输入端之间，在所述电荷泵电源处于所述第二操作模式中，所述切换电路将所述电源输入端的正极耦合至所述成对的电源输出端的正极，所述切换电路还在第一相位将所述第二回扫电容的第一端耦合至所述成对的电源输出端的正极，将所述第二回扫电容的第二端耦合至所述成对的电源输入端的负极，在第二相位将所述第二回扫电容的第一端耦合至所述成对的电源输入端的负极，将所述第二回扫电容的第二端耦合至所述成对的电源输出端的负极。

21.根据权利要求20所述的电源电路，其中所述第二回扫电容的第一端连接到所述第一回扫电容的第一端。

22.根据权利要求20所述的电源电路，其中所述切换电路包括：

一个在所述第二操作模式被选择时激活的第一开关，其中所述第一开关连接到所述电源输出端的正极与所述电源输入端的正极；

一个当所述第一操作模式被选择时，在第一相位中被激活的第二开关，其中所述第二开关将所述电源输入端的正极连接到所述第一回扫电容的第一端；

一个当所述第一操作模式被选择，第一相位时被激活的第三开关，其中所述第三开关将所述电源输出端的正极连接至所述第一回扫电容的第二端；

一个当所述第一操作模式被选择，在第二相位时被激活的第四开关，其中所述第四开关将所述电源输入端的负极连接至所述第一回扫电容的第一端；以及

一个当所述第一操作模式被选择，所述第二相位中被激活的第五开关，其中所述第五开关将所述电源输出端的正极连接至所述第一回扫电容的第二端。

23.根据权利要求22所述的电源电路，还包括：

一个在所述第一相位被激活的第六开关，其中所述第六开关将所述电源输入端的负极连接至所述第二回扫电容的第二端；

一个在所述第二相位被激活的第七开关，其中所述第七开关将所述电源输入端的负极连接至所述第二回扫电容的第二端。

24.根据权利要求22所述的电源电路，还包括一个在第一相位被激活的第八开关，其中所述第八开关将所述电源输出端的正极连接至所述第二回扫电容的第一端。

Images