CN101939789A - 带集成的开关式电源的音频设备 - Google Patents

Abstract

一种集成音频设备，例如，台式收音机，所述的集成音频设备包括外壳、安排在外壳里面的扬声器、安排在外壳里面的开关式电源和安排在外壳里面并且接在数字开关式电源和扬声器之间的音频电路。

Description

带集成的开关式电源的音频设备

发明领域

本发明一般地涉及用于电子装置的电源，更具体地说，涉及带集成电源的电子装置。

背景技术

紧凑“台式”收音机和其他的音频设备(例如，激光唱碟和/或MP3播放机、时钟收音机，等等)已经成为人们找寻比“内置扬声器”或组件式的立体声音响系统简单小巧的东西的流行选择。人们将领会到，如同在此使用的那样，组件式立体声音响系统是使用外部扬声器的系统。

一些传统的台式音频设备有内在的线性电源。线性电源的基本工作原理如下：使用60赫兹变压器将输入的AC(交流)电压逐步降低到较低的AC电压(例如，将120伏逐步降低到24伏AC)。然后，AC电压通过通常有高电流、低电压电桥的全波桥式整流器被整流。滤波电容器用来维持持续的脉动最小的直流电平。线性电源提供众所周知的利益，相对而言无噪音和相当可靠。它们通常也容易设计而且制造成本非常低廉。然而，因为需要大的60赫兹变压器，线性电源通常是沉重和相当大的。除此之外，因为线性电压调节器在其线性区域中操作，而且所有的输出电流必须通过它，所以通常需要大的吸热设备消散能量损失。

为了避免与线性电源有关的这些缺点，其他的传统台式音频设备使用通常位于电源线上的外部的开关式电源。这些外部电源被称为“线上的”电源和可能包括在电力电缆的插头末端通常被称为“壁疣”的盒子。开关式电源是通过将输入的AC电压整流和滤波获得高电压直流信号工作的。与用于线性电源的线性电桥相反，可以使用低电流、高电压的桥式整流器(该整流器可能不需要吸热设备)。然后，使用电子开关把直流电压变换成高频(通常大约10kHz到1MHz)的交流电。高频交流电的电压是使用高频变压器变换的。提高交流信号频率的好处是频率越高需要的变压器越小。在变压器的输出，交流电被全波整流变成输出的直流电压。为了保持输出的直流电压恒定不变，使用通常作为集成电路芯片实现的复杂的反馈控制器。

虽然开关式电源由于能够使用较小的变压器通常比相当的线性电源小和轻，但是它们通常有较高的生产成本，而且高频切换的使用能造成不受欢迎的噪音从电源向外幅射并在电源的输入和输出上传导。由于这种幅射和传导的噪音与开关式电源相关联，所以它们通常只能用作音频设备的外部电源。将开关式电源用于台式收音机特别关心的是电源开关频率的高频谐振可能在收音机的AM和FM接收机电路收到的信号上产生噪音。这种关心对于利用输入电源线作为天线的收音机甚至更大。

发明内容

在此描述的至少一个实施方案指向包括集成开关电源的小巧且完整的音频设备。

依照一个实施方案，集成音频设备包括外壳、安排在外壳里面的扬声器、安排在外壳里面的开关式电源、安排在外壳里面并且接在数字式开关电源和扬声器之间的音频电路。在一个范例中，开关式电源是数字式开关电源。在另一个范例中，数字式开关电源包括开关控制器和依照该开关控制器的说明书缠绕的变压器。

依照一个方面，集成音频设备进一步包括，安排在外壳里面为接收AC输入信号和产生经过滤波的信号而构造和安排的滤波电路以及与该滤波电路耦合为接收该经过滤波的信号然后通过整流把直流信号提供开关式电源而配置的桥式整流器。在一个范例中，开关式电源包含变压器和众多配置成利用直流信号产生交流信号的数字开关。在另一个范例中，集成音频设备进一步包括传送交流输入信号的输入线，该输入线是作为音频设备音频设备的FM天线配置的。在另一个范例中，滤波电路包含线路滤波器。在一个范例中，线路滤波器包含变压器。在另一个范例中，滤波电路进一步包括至少一个接在线路滤波器和桥式整流器之间的电感线圈。滤波电路可能进一步包括至少一个接在滤波电路的输出线和地之间的电容器。

依照另一个方面，集成音频设备进一步包括安排在外壳里面的电磁屏蔽。在一个范例中，电磁屏蔽包括包围开关式电源的法拉第笼。在另一个范例中，音频电路包含数字放大器，而电磁屏蔽包括实质上包围开关式电源的第一金属盒和实质上包围数字放大器的第二金属盒。第一和第二金属盒都接地。在一个范例中，集成音频设备有大约273平方英寸的总内部体积。在另一个范例中，集成音频设备配置成产生大约100瓦的RMS输出功率。

另外一些方面、实施方案和这些可仿效的方面和实施方案的好处将在下面详细地讨论。此外，人们将理解上述的信息和下面的详细描述只是各种不同的方面和实施方案的说明性范例，并且倾向于提供用来理解有索赔要求的方面和实施方案的特性和特征的综述或架构。在此揭示的任何实施方案都可以以与在此揭示的目的、目标和需要一致的任何方式与任何其它的实施方案结合，而“实施方案”、“一些实施方案”、“替代实施方案”、“各种不同的实施方案”、“一个实施方案”或类似的提法不必相互排斥，而是倾向于指出结合该实施方案被描述的特定的特征、结构或特性可能包括在至少一个实施方案之中。这样的术语在此不必全提及同一实施方案。

附图说明

至少一个实施方案的各种不同的方面将参照不打算依比例绘制的附图在下面讨论。为了提供例证和进一步理解各种不同的方面和实施方案，这些附图被包括在内并且被纳入这份说明书构成说明书的一部份，但是不倾向于作为本发明的限制。在附图、详细描述或任何权利要求中技术特征后面有参考符号的地方，参考符号已被包括在内，唯一的目的是增加附图、详细描述和/或权力要求的可理解性。因此，无论有没有参考符号都不倾向于对任何权力要求元素的范围产生任何限制性影响。在附图中，被各种不同的附图列举的每个同一的或几乎同一的组成部分是用相似的数字表示的。为了清楚，并非每个组成部分在每张附图中都被标注出来。在附图中：

图1是依照本发明的某些方面的音频设备的一个范例的图表；

图2是依照本发明的某些方面的音频设备的一个范例的一些组成部分(包括电源)的方框图；以及

图3是图2所示组成部分中的一些组成部分的更详细的例证。

具体实施方式

依照前面的讨论，传统的有线性电源或外部电源的台式音频设备有一些缺点。线性电源通常是相当庞大和苯重的，这对于小型的、手提式的和台式的音频设备是特别不受欢迎的，因为电源增加了装置的尺寸和重量。在输电线上提供的外部电源(在线适配器)是不美观的和不便的，而且增加输电线的体积。因此，为了克服传统装置的这些和其它的缺点，一些方面和实施方案指向包括有非常小的焊盘而且包含整体数字开关电源的完备的全功能音频设备的集成解决方案。使用数字式开关电源的好处包括电源有非常高的效率并且把大部份墙壁电源功率转换成音频设备的“可用功率”而不是热。依照前面的讨论，开关式电源就相似的耗电量而论在尺寸方面比可比较的额定的线性电源小。因此，通过使用开关式电源，从较小尺寸的焊盘获得较多的功率是可能的。

人们将领会到在此讨论的方法和装置的实施方案不限于对下面的描述中陈述的和附图中列举的组成部分的构造和安排的细节的应用。这些方法和装置能够在其它的实施方案中落实和以各种不同的方式实践或实现。在此提供特定落实的范例仅仅是为了说明而且不倾向于作为限制。具体地说，结合任何一个或多个实施方案讨论的行为、元素和特征都不倾向于在任何其它的实施方案中被排除在相似的角色之外。

另外，在此使用的措辞和术语是为了描述的目的而不应该被视为限制。对在此以单数提及的系统和方法的实施方案或元素或行为的任何引用可能包含包括众多这些元素的实施方案，而在此以复数对任何实施方案或元素或行为的任何引用也可能包含只包括单一元素的实施方案。以单数或复数形式的引用不倾向于限制目前揭示的系统或方法、它们的组成部分、行为或元素。关于“或”的引用可以被解释为包含以便使用“或”描述的任何项目可以指出任何单一的、不止一个和所有的所描述项目。对前面和后面、左边和右边、顶端和底部以及上面和下面的任何引用只是为了描述方便，而不将本发明的系统和方法或它们的组成部分限制到任何位置或空间的方位。

依照一个实施方案，有内在的开关式电源的台式收音机能够把100瓦特的RMS可用输出功率提供给扬声器，而整个台式收音机被装在总内在体积大约为273立方英寸的10.5英寸×6.5英寸×4英寸的壳体之中。依照前面的讨论，使用数字式开关电源的典型缺点是它容易产生大量的数字噪音(幅射的和传导的两种)，这些噪音能干扰敏感的电子器件，尤其是，声音质量。依照下面的讨论，本发明的实施方案允许使用开关式电源，同时将与开关式电源相关联的噪音的影响减到最小。

至少在此被描述的台式收音机的一些方面和实施方案利用基于电子硬件的滤波去噪、电磁干扰(EMI)屏蔽和现成软件滤波去噪的组合，该组合共同地使高输出功率的台式音频设备能够在不使用外部的在线开关式电源的情况下被装在小巧的外壳里。

参照图1，依照本发明的某些方面举例说明台式音频设备的一个范例。在一个实施方案中，音频设备有6.5英寸的宽度(深度)、4英寸的高度和10.5英寸的长度，而且产生100瓦特的RMS可用输出功率。音频设备100包括外壳102，在外壳里面装着电源、放大器、音频电路、无线电接收电路，等等。音频设备100包括扬声器104和允许使用者看到关于正在播放的声音的信息(例如，装置被调到的广播电台、播放歌曲的名字、时间，等等)的显示器106。音频设备100还包括控制旋钮108，该控制旋钮允许使用者调节音量和改变声音的诸方面，例如，将该装置调谐到特定的无线电台、调整声音的音调(低音部/高音部)、或选择不同的音频模式(例如，将该装置从播放收到的广播电台改变到播放来自激光唱碟或MP3播放机的声音)。

依照前面的讨论，音频设备100包括连同扬声器104和其它音频电路一起位于外壳102里面的集成数字开关电源。在一个实施方案中，开关式电源包括开关控制器(举例来说，按零配件编号TOP249Y从Power Integrations Inc.San Jose，California购买的开关控制器)和依照该开关控制器规格缠绕的变压器。为了解决与开关式电源位于音频电路和扬声器附近有关的噪音问题，滤波被应用于输入的AC信号和开关式电源提供的输出信号。

参照图2，举例说明包括开关式电源200的音频设备100的一些组成部分的方框图。从家用电源输入的AC信号在用线路202表示的电源线(“输电干线”)上进入音频设备。输入的AC信号经滤波电路204滤波后提供给桥式整流器206。桥式整流器206将AC电压整流，获得高电压的整流信号。这个高压整流信号被提供给开关式电源200。

开关式电源200包括变压器和数字式电子开关(例如，晶体管)。使用数字开关将经桥式整流器206整流的输入电压转换成高频交流电。在一个范例中，这个高频信号有大约132仟赫的频率，这可以减少变压器/电源的尺寸。高频AC信号经整流产生在线路208上供应的直流输出电压。人们将领会到虽然只有一条输出线路208被举例说明，但是本发明不受这样的限制，开关式电源200可以产生不止一个直流输出电压电平。举例来说，开关式电源200可能产生正的和负的电源电压(例如，+25Vdc和-25Vdc)，在这种情况下输出线路208将包括至少两条输出线。开关式电源也可能产生若干不同的直流输出电压，举例来说，+25Vdc、-25Vdc和+10Vdc。因此，人们将领会到线路208代表在任何给定的应用中与支持开关式电源200供应的所有的直流输出电压电平所需要的一样多的输出线。

仍然参照图2，由开关式电源提供的直流输出电压用来给音频设备的剩余电路(包括，举例来说，扬声器驱动电路210(例如，扬声器放大器和相关的电路)、音频电路212(例如，收音机调谐电路、控制电路、显示器电路，等等))供电。为了抑制在输出线路208上从开关式电源200来的噪音，一个或多个串联电感线圈(未展示)可能被接在线路208中。在一个范例中，该串联电感线圈有2.2微亨(μH)的电感值，3.5安培的额定电流(1_sat)。对于(依照前面的讨论)线路208包含两条以上个别线路的实施方案，串联电感线圈可能被接在每条输出线中。

在一个实施方案中，电阻分压器和/或其它电路能用来把开关式电源200供应的直流电压电平调整到特定电路需要的电平。在另一个实施方案中，附加的开关式电源可能是在开关式电源200的“下游”提供的，为的是提供附加的直流电压电平。这些附加的开关式电源供应的输出电压可能以类似于就来自开关式电源200的输出电压讨论过的方式经受滤波。举例来说，依照前面的讨论，输出线路的串联电感线圈可能用来抑制输出的传导性噪音。

参照图3，举例说明滤波电路204的一个范例。依照一个实施方案，AC输入线(即，音频设备的电源线)是作为音频设备的FM无线电天线使用的。如图3所示，AC输入线202与FM天线端口308连接，后者与FM接收机的电路耦合，即依次与音频电路耦合。在这个实施方案中，防止来自开关式电源的噪音泄漏到AC线路上是特别重要的，因为这样的噪音将降低收音机接收性能。所以，滤波电路204用来抑制噪音。在图3举例说明的范例中，滤波电路204包括线路滤波器300和附加的滤波器电路302。在一个范例中，线路滤波器300包括防止来自开关式电源的噪音泄漏到AC输入线上的变压器。滤波器电路302包括串联地接在线路滤波器300和桥式整流器206之间的电感线圈304。滤波器电路302还包括接在线路滤波器300的输出线和地之间的电容器306，如图3所示。电感线圈304和电容器306的组合起防止来自开关式电源的开关噪音到达AC输入线路202的作用。在一个范例中，电感线圈304和电容器306的数值可能是通过迭代程序选定的。这个程序可能包括，举例来说，针对电感线圈304和电容器306的不同数值搜寻通过电源的测试信号和监听AC输入线202上的噪音，以便就给定应用(例如，开关式电源的给定的开关频率和/或功率等级)选择电感线圈和电容器的最佳值。举例来说，在一个实施方案中，电感线圈304有2.2μH的电感值和3.5安培的额定电流，而电容器306有1000微微法拉(pF)的电容值。

依照另一个实施方案，为了抑制来自电源的电磁幅射干扰，电磁屏蔽可能被合并在外壳102之内。这个电磁屏蔽可能是，举例来说，至少部份地包围音频设备100产生幅射噪音的电路部分(例如，用来驱动扬声器的数字放大器和开关式电源)的法拉第笼(faraday cage)。在一个范例中，电磁屏蔽包括两个以上合并在外壳102之内并且与承载音频设备的电路的印刷电路板耦合的金属盒。一个金属盒包围开关式电源和另一个包围数字放大器。屏蔽可能通过印刷电路板和AC输入线接地。

至此已经描述了至少一个实施方案的若干方面，人们将领会到各种不同的变更、修正和改进对于熟悉这项技术的人将很容易产生。这样的变更、修正和改进倾向于成为这份揭示的一部份而且倾向于落在本发明的范围之内。因此，前面的描述和附图仅仅是作为范例，本发明的范围应该由作为附件的权力要求书及其等价文件的适当解释决定。

Claims (15)

1.一种集成音频设备，其中包括：

外壳；

安排在外壳里面的扬声器；

安排在外壳里面的开关式电源；以及

安排在外壳里面并且接在数字开关式电源和扬声器之间的音频电路。

2.根据权利要求1的集成音频设备，其中开关式电源是数字开关式电源。

3.根据权利要求2的集成音频设备，其中数字开关式电源包括开关控制器和依照开关控制器说明书缠绕的变压器。

4.根据权利要求1的集成音频设备，进一步包括：

安排在外壳里面为接受交流输入信号和产生滤波信号而构造和安排的滤波电路；

与滤波电路耦合并配置成接受经过滤波的信号然后通过整流把直流信号提供给开关式电源的桥式整流器。

5.根据权利要求4的集成音频设备，其中开关式电源包括变压器和众多配置成利用直流信号产生交流信号的数字开关。

6.根据权利要求4的集成音频设备，进一步包括输入线；

其中输入线传送交流输入信号；以及

其中输入线是作为音频设备的FM天线配置的。

7.根据权利要求4的集成音频设备，其中滤波电路包含线路滤波器。

8.根据权利要求7的集成音频设备，其中线路滤波器包含变压器。

9.根据权利要求7的集成音频设备，其中滤波电路进一步包括至少一个接在线路滤波器和桥式整流器之间的电感线圈。

10.根据权利要求9的集成音频设备，其中滤波电路进一步包括至少一个接在滤波电路的输出线和地之间的电容器。

11.根据权利要求1的集成音频设备，进一步包括安排在外壳里面的电磁屏蔽。

12.根据权利要求11的集成音频设备，其中电磁屏蔽包括包围开关式电源的法拉第笼。

13.根据权利要求11的集成音频设备，其中音频电路包括数字放大器，而电磁屏蔽包括实质上包围开关电源的第一金属盒；以及

实质上包围数字放大器的第二金属盒；

其中第一和第二金属盒接地。

14.根据权利要求1的集成音频设备，其中集成音频设备有大约273平方英寸的总内部体积。

15.根据权利要求1的集成音频设备，其中集成音频设备配置成产生大约100瓦特RMS输出功率。

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