CN110024255B - 回路及乐器 - Google Patents

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Abstract

提供一种回路，其能够缩短利用蓄电池进行的放大单元供电用的蓄电器的充电时间。在从电源部(201)向放大器(204)连接的路径(R2)，设置功率控制部(220)，该功率控制部(220)具有运算部(221)及DC‑DC转换器(222)。运算部(221)的Max函数(231)将在基于电容器(207)的端子电压(VOUT)的功率FB信号(PCTL)和基于输入功率(PIN)的功率FB信号(PCTL)中的大的一方(示出高的电压的一方)输入至DC‑DC转换器(222)的VFB端子。由此，功率控制部(220)能够将在对电容器(207)充电时从电源部(201)供给的输入功率(PIN)限制为限制功率(PREF)。

Description

回路及乐器
技术领域
本发明所涉及具有放大单元的回路及乐器。
背景技术
当前，提出了具有用于对动作功率进行补充的电容器(蓄电器)的装置。在专利文献1中，记载了一种供给功率被限制的、具有电容器的装置，该电容器利用经由例如USB(Universal Serial Bus)供给线所供给的功率进行蓄电。
在装置具有放大单元(放大器)的情况下，有时兼设进行向放大单元的输入信号的信号处理的信号处理单元，将电池作为对放大单元的电源电压进行供电的功率源的同时，还作为对信号处理单元的电源电压进行供电的功率源。在该情况下，电池作为电源电压而对功率消耗有可能大幅变动的放大单元和功率消耗的变动小的信号处理单元这两者供给电池电压。可以想到，由于放大单元中的放大动作而导致功率消耗发生变动，由此电池电压发生变动。其结果，电池电压的变动直接地导致信号处理单元的电源电压的变动。由于电源电压的变动而导致信号处理单元的动作变得不稳定，根据情况信号处理单元也有可能停止动作。此外，在专利文献1中，记载有例如向周边设备的功率供给，但没有记载每个周边设备的与动作相伴的功率消耗的变动存在差异的情况，关于在功率消耗的变动大的设备与功率消耗的变动小的设备之间的功率的分配方法，没有具体的记载。
专利文献1：日本特表2004-503199号公报
发明内容
在这里，考虑例如将放大单元使用于对乐器的声音进行放大，利用电容器对向放大单元供给的功率进行辅助的情况。如果为了与演奏方式对应地使音量感充足而使用压缩机，则音质降低。在不使用压缩机而维持音质的情况下，利用电容器提供瞬间需要的向放大单元的大量的功率即可，但为此需要将电容器设为大容量。但是，在对大容量的电容器进行充电时，如果以恒流电路对从电池供给的功率进行限制，则充电时间会变长。另外，也需要抑制损耗的产生。
本发明就是为了解决上述现有技术的问题而提出的，其目的在于，提供一种回路，其能够缩短利用蓄电池进行的放大单元供电用的电容器(蓄电器)的充电时间。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种回路，其特征在于具有：信号处理单元(203)，其进行信号处理；放大单元(204)，其对从所述信号处理单元输出的信号进行放大；第1供电路径(R1)，其从蓄电池(201)向所述信号处理单元连接；第2供电路径(R2)，其从所述蓄电池向所述放大单元连接；蓄电器(207)，其与所述第2供电路径连接，对向所述放大单元供给的功率进行辅助；以及功率限制单元(220)，其与所述第2供电路径连接，对从所述蓄电池供给的输入功率(PIN)进行限制。此外，上述括号内的标号为例示。
发明的效果
根据本发明，能够缩短利用蓄电池进行的放大单元供电用的蓄电器的充电时间。
另外，根据本发明，直至充电完成为止能够以小于或等于规定值且与蓄电器的端子电压对应的输入功率对蓄电器进行充电，如果充电完成，则能够将蓄电器保持为恒压状态。
附图说明
图1是应用第1实施方式所涉及的回路的乐器的框图。
图2是表示碱性干电池的电特性的图。
图3是功率控制部的硬件结构的框图。
图4是功率控制部的控制结构的框图。
图5A是表示从电容器的充电开始起的输入功率的变化的时序图。
图5B是表示从电容器的充电开始起的功率FB信号的变化的时序图。
图5C是表示从电容器的充电开始起的输出电压FB信号的变化的时序图。
图5D是表示从电容器的充电开始起的FB电压的变化的时序图。
图6A是变形例的功率控制部的各硬件结构的框图。
图6B是第2实施方式中的功率控制部的各硬件结构的框图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是应用本发明的第1实施方式所涉及的回路的乐器的框图。作为本乐器1，例如例示吉他。乐器1在具有未图示的机身、琴颈、上弦枕、下弦枕、琴桥、以及弦等一般的原声吉他所具有的结构的基础上，还具有图1所示的变换部10、处理部200、换能器(transducing)30等。机身具有以形成内部空间的方式而组装的未图示的表板、背板、侧板，琴颈与表板连结。在机身处经由琴桥配置的下弦枕与在琴颈配置的上弦枕之间张设弦。变换部10例如配置于隔着表板与琴桥相对的、表板的内部空间侧。变换部10例如具有压电拾音器，将弦的振动变换为作为电信号的信号S1而输出至处理部200。处理部200对输入的信号S1进行规定的信号处理，将信号S3向换能器30进行输出。换能器30配置于例如表板，基于信号S3对表板施加振动。例如如果由演奏者对弦施加振动，则基于弦的振动从共鸣的机身发出原声，并且基于换能器30对机身施加的振动而从共鸣的机身发出声音。
处理部200包含作为蓄电池的电源部201、DC-DC转换器202、DSP((Digital SignalProcessor)203、放大器204、功率控制部220、以及作为蓄电器的一个例子的电容器(EDLC:electric double layer capacitor)207等。功率控制部220包含运算部221及DC-DC转换器222(电压变换器)。电源部201为处理部200的电源，由串联连接的2个电池201a构成。在这里，电池201a例如为单3形(中国的5号电池)的碱性干电池。在将处理部200的电源设为与商用电源连接的直流电压装置等外部电源的情况下，例如需要将与外部电源连接的电源线与乐器1进行连接。当演奏者在观众面前进行演奏的情况下，如果在乐器1连接有电源线，则视觉效果不好。另外，在室外有时难以准备外部电源。与之相对地，通过将电源部201设为电池201a，能够改善视觉效果，提高演奏场所的自由度。
路径R1是从电源部201经由DC-DC转换器202向DSP 203供给功率的供电路径。DC-DC转换器202对由电源部201输出的电压V1(Vin)进行升压，输出电压V2。DSP 203以电压V2作为电源电压进行动作。另外，向DSP 203输入从变换部10输出的信号S1。DSP 203将作为模拟信号的信号S1变换为数字信号，例如，进行用于施加回响的处理、用于调整音量的处理等信号处理，将所生成的信号变换为作为模拟信号的信号S2而进行输出。DC-DC转换器202的功率变换效率为85～90％左右。通过仅设置1个串联连接的在路径R1包含的DC-DC转换器，从而能够将路径R1中的功率损耗限制为最小。
路径R2是从电源部201经由功率控制部220向放大器204供给功率的供电路径。功率控制部220的运算部221与电源部201的输出端子连接，将从电源部201供给的功率调节为预先设定的规定值以下。从功率控制部220的DC-DC转换器222输出的电压成为电容器207的端子电压VOUT(充电电压)。功率控制部220的结构的详情利用图3～图5D进行说明。电容器207连接于接地电压与DC-DC转换器222的输出端子之间，通过在路径R2流动的功率进行充电。另外，电容器207还与放大器204连接。电容器207例如为0.47F的双电层电容元件，其内部电阻极低(低ESR)。放大器204将通过路径R2从电源部201供给的功率以及从电容器207放电的功率作为电源，对输入的信号S2的功率进行放大，将信号S3向换能器30输出。
在这里，使用图2对电池的电特性进行说明。由于电池根据种类而内部电阻等不同，因此与从电池引出的电流的电流值对应地，电池输出的电池电压根据种类而不同。电压特性PVa及功率特性PPa是即将达到终止电压前的碱性干电池中的特性。电压特性PVa的横轴为从电池引出的电流值，纵轴为电池电压(图2的左纵轴)。功率特性PPa的横轴为从电池引出的电流值，纵轴为输出的功率(图2的右纵轴)。此外，功率特性PPa是基于电压特性PVa的功率特性，详细地说，是示出对电流值乘以电压值而计算出的功率值的功率特性。
在放大器204的电源电压暂时降低的情况下，放大器204的输出信号的功率暂时降低、或者来自放大器204的输出暂时停止。但是，与电源电压回复至规定电压对应地，从放大器204再次输出规定功率的输出信号。即，即使在电源电压暂时降低的情况下，放大器204也能够继续动作。另一方面，在DSP 203的电源电压暂时低于规定值的情况下，DSP 203有时会停止运转。并且，如果电源电压回复至规定电压，则DSP 203在重启之后，重新开始动作。即，在电源电压暂时降低的情况下，DSP 203会一度停止动作，在从停止至重启为止的期间，不会从DSP 203输出信号。因此，在放大器204的电源电压暂时降低的情况下，换能器30的希望的动作止于暂时不能进行，但在DSP 203的电源功率暂时降低的情况下，换能器30的动作会在一定期间无法进行。因此，重要的是优先确保DSP 203的电源电压。
另外，进行信号处理的DSP 203的消耗功率变动小，消耗电流例如为0.1A左右。另一方面，进行功率放大的放大器204的消耗功率与信号S3对应地大幅变动，与DSP 203相比消耗功率大。相对于DSP 203的平均消耗功率，瞬时功率可能达到10倍左右。假设，在仅从电源部201对放大器204的消耗电流进行供电的情况下，在放大器204的消耗功率暂时变大时，如图2所示，电池电压会暂时降低。在电池电压暂时降低而联动地DSP 203的电源电压降低的情况下，如上所述，DSP 203会停止运转。例如，从电源部201即便在一瞬试图供给超过1.0W的功率，则电源电压降低而有可能发生停止运转。这样的话，来自换能器30的放音会在一定期间停止。与之相对地，在处理部200中，将向DSP 203的供电路径即路径R1和向放大器204的供电路径即路径R2进行分离，在路径R2具有功率控制部220，由此解决上述课题。
下面，对处理部200的具体的结构进行说明。电源部201是2个电池201a串联连接的结构。例如电池201a为新的碱性干电池的情况下，能够期待电源部201输出电池的标称电压即3V(1.5V×2)左右的电压V1。但是，如果例如电池201a的使用时间长，则电池电压降低。在这里，为了提供处理部200的动作稳定的乐器1，要求即便在电池201a的电池电压达到终止电压的2V(1V×2)附近而电压V1大致为2V的情况下，处理部200也进行动作。图2所示的电压特性PVa及功率特性PPa示出开路电压大致为2V的电池201a中的特性。如功率特性PPa所示，最大功率大致为1.0W。即，电源部201无法对需要超过大致1.0W的功率的负载进行驱动。此外，在下面的说明中，将电池电压降低至终止电压附近的电池201a称为最差状况的电池201a。
放大器204的消耗功率依赖于输入的信号S2的振幅。信号S2是基于从变换部10输出的信号S1的信号。信号S1是基于演奏的音频信号，表示音量的振幅发生变化。发明人发现，音频信号的平均振幅与乐曲无关，均为最大振幅的1/8左右，最大振幅的持续时间是比平均振幅的持续时间短的时间。另外，放大器204处的平均消耗功率为0.5W左右。因此，在放大器204需要最大瞬时功率的期间以外的期间，即便是最差状况的电池201a，放大器204也能够利用从电源部201供给的功率而输出具有希望的功率的信号S3，并且电容器207被充电。另外，在例如乐器1被以强烈的扫弦进行演奏等的情况下的最大瞬时功率为2W以上。在最差状况的电池201a的情况下，仅靠电源部201无法对最大瞬时功率进行供电，从所连接的电容器207供给功率。另外，电容器207的容量值设定为能够在放大器204需要最大瞬时功率的期间对最大瞬时功率进行辅助。因此，在放大器204的消耗功率超过平均消耗功率的期间，在从电源部201向放大器204供给的功率的基础上，还利用从电容器207供给的功率，从放大器204输出具有希望的功率的信号S3。由此，换能器30使机身产生的声辐射的音质降低的情况得到抑制。即，即便是最差状况的电池201a，处理部200也能够进行希望的动作。
由于演奏者支着乐器1进行演奏，因此希望乐器1是轻量的。乐器1能够通过将电池201a限制为2个而实现轻量。另外，DC-DC转换器202是即使以从最差状况的电池201a的电池电压2V减去余量1.0V得到的1.0V也进行动作的DC-DC转换器。由此，直至电池201a成为终止电压为止，能够使DSP 203可靠地进行动作。DSP 203为信号处理单元的一个例子，放大器204为放大单元的一个例子。另外，路径R1为第1供电路径的一个例子，路径R2为第2供电路径的一个例子。另外，功率控制部220为功率限制单元的一个例子。
图3是功率控制部220的硬件结构的框图。功率控制部220的运算部221虽未图示，但具有内置A/D转换器、D/A转换器的CPU。DC-DC转换器222是降压型且几乎无热损耗的电压变压器，除了作为电压反馈端子的VFB端子之外，还具有作为电压输出端子的VOUT端子、作为电压输入端子的VIN端子。功率控制部220具有对在路径R2流动的输入电流进行检测的检测部223。检测部223具有电阻值R的电阻。如果将从电源部201输入的输入电压设为Vin，将电阻的DC-DC转换器222侧的一端的检测电压设为Vdet，则根据电阻的两端的电位差(Vin－Vdet)，输入电流由(Vin－Vdet)/R进行计算。
图4是功率控制部220的控制结构的框图。功率控制部220控制为使得输入至DC-DC转换器222的VFB端子的电压成为0.6V，由此将在对电容器207充电时从电源部201供给的输入功率PIN限制为限制功率PREF(规定值)。根据这样的功率限制，在电容器207的端子电压VOUT低的状态下，与对电流进行限制的结构相比使更多的电流进行流动，因此能够以更短时间进行充电。下面，对功率限制的控制进行说明。
在图4中，运算部221具有减法器225、228、230、乘法器226、227、229、235、Max函数231。DC-DC转换器222具有减法器232、乘法器234。
在运算部221中，利用减法器225、乘法器226、227，从电源部201供给的输入功率PIN，根据输入电压Vin和上述的输入电流(Vin－Vdet)/R而由PIN＝Vin×(Vin－Vdet)/R进行计算。限制功率PREF是设为从电源部201供给的输入功率PIN的目标的上限值，例如，设定为1.0W。利用减法器228，限制功率PREF与输入功率PIN的差分即功率误差PERR由PERR＝PREF－PIN进行计算。从0.6(V)中减去利用乘法器229对功率误差PERR乘以常数K而得到的值，计算出功率反馈信号(功率FB信号)PCTL(PCTL＝0.6－K×PERR)。功率FB信号PCTL输入至Max函数231。
另一方面，在DC-DC转换器222中，利用乘法器235对电容器207的端子电压VOUT乘以反馈系数H得到的值(VCTL＝H×VOUT)作为电压反馈信号(输出电压FB信号)VCTL而输入至Max函数231。反馈系数H的值与来自DC-DC转换器222的VOUT端子的输出电压即端子电压VOUT的目标值对应地进行设定。Max函数231将所输入的值之中的最大者输出。在本例中，将功率FB信号PCTL和输出电压FB信号VCTL之中的大的一方(示出高的电压的一方)作为FB电压VFB而向DC-DC转换器222输出。FB电压VFB被输入至DC-DC转换器222的VFB端子。利用减法器232，从0.6(V)减去FB电压VFB得到的值输入至乘法器234，利用乘法器234乘以常数G，输出端子电压VOUT。
下面，利用图4、图5A～图5D，对从电容器207的充电开始起的各参数的迁移进行说明。图5A、图5B、图5C、图5D分别为表示从电容器207的充电开始起的输入功率PIN、功率FB信号PCTL、输出电压FB信号VCTL、FB电压VFB的变化的时序图。从充电开始至时刻t1为止为充电期间，在时刻t1电容器207达到满充电，成为稳定的稳定状态。
首先，对时刻t1及其以后的稳定状态进行说明。在稳定状态下，电容器207被充分地充电，从电源部201向电容器207引入的输入功率PIN非常地小(图5A)。其结果，功率误差PERR与限制功率PREF(PERR≈PREF)几乎相等，功率FB信号PCTL与0.6(V)相比充分小。另一方面，关于输出电压FB信号VCTL，由于对端子电压VOUT乘以反馈系数H而成为大致0.6(V)(图5C)，因此功率FB信号PCTL比输出电压FB信号VCTL小(PCTL＜VCTL≈0.6)(图5B)。作为结果，Max函数231将大的一方的输出电压FB信号VCTL作为FB电压VFB而向DC-DC转换器222进行输出(图5D)。因此，基于端子电压VOUT的输出电压FB信号VCTL被反馈，端子电压VOUT保持0.6(V)的恒压状态。
下面，对时刻t1以前的充电期间进行说明。充电刚刚开始后，如果端子电压VOUT非常地小，则从电源部201向电容器207供给大的输入功率PIN。在这里，如果试图供给如限制功率PREF以上的输入功率PIN，则成为功率误差PERR≤0。这样的话，成为功率FB信号PCTL≥0.6，VCTL＜PCTL(图5B、图5C)。Max函数231将大的一方的功率FB信号PCTL作为FB电压VFB而向DC-DC转换器222进行输出(图5D)。由于功率FB信号PCTL优先于输出电压FB信号VCTL而被反馈，因此作为结果，从电源部201供给的输入功率PIN被限制为限制功率PREF(图5A)。即，如果限制功率PREF≤输入功率PIN，则FB电压VFB成为0.6(V)以上，因此端子电压VOUT无法上升至更高，结果电流供给中断。由此，输入功率PIN将限制功率PREF作为上限而进行限制。因为对功率进行限制，而非对电流进行限制，所以端子电压VOUT越低则使越多的电流进行流动，因此以短时间成为满充电。
根据本实施方式，即使在表示作为音频信号的信号S1的音量的电压振幅的峰值时，由于向放大器204提供的消耗功率的不足部分从电容器207向放大器204辅助功率，因此也能够得到希望的功率的信号S3。因此，将信号S3设为驱动信号的换能器30使机身产生的声辐射的音质降低的情况得到抑制。
根据本实施方式，另外，在从路径R1分支而向放大器204连接的路径R2中存在的功率控制部220将在对电容器207充电时从电源部201供给的输入功率PIN限制为限制功率PREF。即，运算部221的Max函数231将在基于电容器207的端子电压VOUT的功率FB信号PCTL和基于输入功率PIN的功率FB信号PCTL之中的大的一方输入至DC-DC转换器222的VFB端子。由此，直至充电完成为止，能够以限制功率PREF以下且与端子电压VOUT对应的输入功率PIN对电容器207进行充电，如果充电完成，则能够将电容器207保持为恒压状态。由此，能够在端子电压VOUT越低时流动越多的电流，能够缩短电容器207的充电时间。
此外，在电源部201与DC-DC转换器222之间对在路径R2流动的电流进行检测，但不限于此。例如，如在图6A中示出的变形例所示，对电流进行检测的位置也可以在DC-DC转换器222与电容器207之间。即，将检测部223设置于DC-DC转换器222与电容器207之间。输入电流由(Vin－Vdet)/R进行计算。此外，功率控制部220的控制结构与在图4中所说明的控制结构没有变化。
在本发明的第2实施方式中，相对于第1实施方式，功率控制部220的内部结构不同。因此，使用图6B替代图3、图4对本实施方式进行说明。图6B是功率控制部220的硬件结构的框图。功率控制部220具有DC-DC转换器230，以替代DC-DC转换器222。设为在图1中将DC-DC转换器222置换为DC-DC转换器230。其他的结构与第1实施方式相同。
DC-DC转换器230除了作为限制电流端子的IREF端子之外，还具有作为电压输出端子的VOUT端子、作为电压输入端子的VIN端子。DC-DC转换器230具有电流限制回路，是能够利用IREF端子对限制电流进行指定的电压变换器。省略了VFB端子的图示。运算部221与电容器207的端子电压VOUT对应地，对输入至IREF端子的电流IREF进行控制，以使得将在对电容器207进行充电时从电源部201供给的输入功率PIN限制为限制功率PREF。电流IREF由IREF＝PREF/VOUT进行计算。
根据该结构，通过与端子电压VOUT对应地动态地对电流IREF进行控制，从而能够将从电源部201供给的输入功率PIN限制为限制功率PREF。因此，就缩短电容器207的充电时间而言，能够取得与第1实施方式同样的效果。
另外，无需在外部设置用于电流检测的电阻，结构变得简单。并且，由于控制系统封闭于DC-DC转换器230内，因此运算部221考虑系统稳定性的必要性变低。
此外，在上述各实施方式中，例示出在原声吉他附加变换部10、处理部200、210、换能器30、以及扬声器40的乐器1，但附加变换部10等的乐器不限定于原声吉他，也可以为其它乐器。特别地，对于演奏者支着进行演奏的乐器，希望不出现电源线，因此对于作为演奏者支着进行演奏的乐器的、例如小提琴等弦乐器、例如双簧管、小号等管乐器也能够应用本发明。
另外，作为信号处理单元而例示出DSP 203，但不限定于此，也可以将例如CPU、PLD(Programmable Logic Device)等进行数字信号处理的其它系统设为信号处理单元。
以上，基于本发明的优选的实施方式对本发明进行了详细描述，但本发明不限于这些特定的实施方式，不脱离本发明的主旨的范围内的各种方式也包含于本发明。也可以将上述的实施方式的一部分进行适当组合。
本申请基于2016年10月19日申请的日本专利申请第2016-204922号要求优先权，在本申请引用该日本申请所记载的全部内容。
标号的说明
R1路径(第1供电路径)，R2路径(第2供电路径)，201电源部(蓄电池)，203 DSP(信号处理单元)，204放大器(放大单元)，207电容器，220功率控制部(功率限制单元)，221运算部，222 DC-DC转换器(电压变换器)，PIN输入功率，PREF限制功率(规定值)，VOUT端子电压，PCTL功率FB信号，Vin输入电压。

Claims (4)

1.一种回路，其特征在于，具有：
信号处理单元，其进行信号处理；
放大单元，其对从所述信号处理单元输出的信号进行放大；
第1供电路径，其从蓄电池向所述信号处理单元连接；
第2供电路径，其从所述蓄电池向所述放大单元连接；
蓄电器，其与所述第2供电路径连接，对向所述放大单元供给的功率进行辅助；以及
功率限制单元，其与所述第2供电路径连接，对从所述蓄电池供给的输入功率进行限制；
其中，所述功率限制单元具有运算部和电压变换器，该电压变换器具有电压反馈部，
所述运算部将在基于所述蓄电器的充电电压的电压反馈信号和基于所述输入功率的功率反馈信号中的示出高的电压的一方输入至所述电压反馈部。
2.根据权利要求1所述的回路，其特征在于，
具有检测单元，该检测单元对在所述第2供电路径流动的电流进行检测，
所述输入功率基于从所述蓄电池输入的输入电压和通过所述检测单元检测出的电流而进行计算。
3.根据权利要求1所述的回路，其特征在于，
所述电压变换器为DC-DC转换器。
4.一种乐器，其特征在于，具有：
权利要求1所述的回路；
所述蓄电池；以及
基于从所述放大单元输出的信号而被驱动的扬声器或换能器中的至少任一者，
所述信号处理单元进行音频信号所涉及的信号处理。
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