CN113747307B - 为音频放大器供电的方法和音频放大器系统和扬声器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为音频放大器供电的方法，该方法包括以下步骤：在音频信号处理器中接收输入音频信号，在音频信号处理器中延迟输入音频信号以产生延迟的音频信号，通过分析输入音频信号以计算音频信号处理器中的功率需求估计，并由音频信号处理器根据功率需求估计为直流‑直流转换器选择功率转换设置。该方法还包括以下步骤：将功率输入提供给直流‑直流转换器，根据功率转换设置来转换功率输入以提供功率输出，使用功率输出为音频放大器供电，以及从音频信号处理器向音频放大器提供延迟的音频信号，以产生放大的音频信号。本发明还涉及音频放大器系统和扬声器系统。

Description

为音频放大器供电的方法和音频放大器系统和扬声器系统

技术领域

本发明属于为音频放大器供电的技术领域，特别是一个基于音频放大器系统的扬声器系统。

背景技术

由于典型音频信号的高峰值因数，用功率转换器对音频放大器供电通常会导致功率转换器需要较高的峰值电流。这在电流受限的系统中尤其成问题。这些系统的音频功率输出可能因此严重受限，也可能因此有明显的音频失真。

此外，基于音频信号的当前需求，功率转换器不必以其最大功率效率运作，其工作电流和工作电压通常低于其最大电流和电压输出。

此外，因为电阻损耗与电流的平方成正比，音频信号的高峰值因数会导致相对较高的电阻损耗。

美国专利申请US2015/0349737教导了，在升压级的输出处将电池的电压电平升压为升压电容器两端的升压电压电平，电流不超过预选的一个输入电流极限，且所述升压电压电平高于电池的电压电平，并且高于音频放大器向负载输出预定义的最大峰值功率所需的电源电压。

发明内容

发明人在发现了与音频放大器有关的上述问题和挑战后，做出了下述发明。该发明可以提高音频放大器系统的效率和音频功率。

本发明涉及一种为音频放大器供电的方法，所述方法包括以下步骤：在音频信号处理器中接收输入音频信号，在音频信号处理器中延迟输入音频信号以产生延迟的音频信号，通过分析输入音频信号以计算音频信号处理器中的功率需求估计，并由音频信号处理器根据功率需求估计为直流-直流转换器选择功率转换设置。该方法还包括以下步骤：将功率输入提供给直流-直流转换器，根据功率转换设置来转换功率输入以提供功率输出，使用功率输出为音频放大器供电，以及从音频信号处理器向音频放大器提供延迟的音频信号，以产生放大的音频信号。

在所述发明的一个示例性实施例中，所述音频信号处理器是数字信号处理器，接收输入音频信号。通过在10毫秒的分析时间窗口内对该信号的平方幅度除以所述阻抗进行积分，在该分析时间窗口内对该信号进行分析，以预测功率需求估计。基于此，通过选择所述直流-直流转换器的输出电压和最大输出电流来选择直流-直流转换器的功率转换设置。在该实施例中，所述直流-直流转换器是由限流电池供电的开关模式的升压转换器，并且从所述音频信号处理器接收输入，其中所述输入指示选定的功率转换设置，使得所述直流-直流转换器在对应的输出电压和最大输出电流下工作。在所述音频信号处理器中，所述输入音频信号被延迟10毫秒以产生延迟的音频信号。所述延迟的音频信号被提供给音频放大器，该音频放大器由所述直流-直流转换器的输出供电，并产生放大的音频信号。当所述输入音频信号包括大峰值时，所述计算出的功率需求增加，因此，所述直流-直流转换器的输出电压也增加，进而能量被存储在与所述直流-直流转换器相关联的至少一个电容器中。当所述峰值作为延迟的音频信号到达所述音频放大器时，所述音频放大器使用所述存储的能量来适当地放大所述峰值并以最小的失真生成放大的音频信号，同时保持固定或一定范围内的输入电流。

通过根据所述发明的实施例动态地预测功率需求估计并选择功率转换设置，可以在不损害声音质量的情况下以尽可能最佳的效率来操作所述直流-直流转换器，总体而言这对系统效率是有利的。

此外，延迟所述音频信号可以改善峰值电流需求曲线的平缓化，特别是当所述直流-直流转换器与能量存储器相关联。由于在电阻电路中耗散的功率与所述电流的平方成比例，即P＝IV＝I²R，因此，所述输入电流的平滑减小了功耗，所以延迟所述音频信号可以最小化功耗。通过动态预测功率需求估计并选择功率转换设置，峰值电流，可以减少所述直流-直流转换器的峰值电流需求，因此，可以在不损害声音质量的情况下使功耗最小化，这是有利的。

因此，所述发明的实施例的目的是减小到直流-直流转换器的输入电流的波峰因数，以降低功耗。

通常，降低功耗对任何类型的设备都是有利的，但是对于限流设备，例如通过USB连接或通过以太网连接电池供电的设备，则特别有用。在这样的设备中，可以利用所述发明来增加音频功率输出，扩大了设备的应用范围，这是有利的。此外，在电池供电的设备中，可以使用所述发明来延长电池寿命，这是有利的。

与现有技术相比，本发明的特点包括，其能以最佳效率操作升压转换器，例如开关模式的升压转换器。此外，本发明可以避免在高电流下不必要地对所述能量存储器进行不必要的快速充电以进一步降低功耗，因为所述限流控制将以所述所需的最小电流对所述能量存储器进行充电。在所述允许的延迟时间内将所述音频信号包络。

与跟踪音频放大器的输出电压相比，预测功率需求降低了所述直流-直流转换器的所述功率需求的波峰因数，从而显着提高了效率和音频输出功率。

所述发明的一个方面涉及一种音频放大器系统，该音频放大器系统包括：音频信号处理器，配置为接收输入音频信号并基于所述输入音频信号提供输出音频信号；直流-直流转换器，由电源输入端供电，被设置成转换所述功率输入以提供功率输出；以及音频放大器，由所述功率输出供电并设置成放大所述输出音频信号以产生放大的音频信号。所述音频信号处理器包括一个延迟操作，其通过延迟所述输入音频信号来生成所述输出音频信号，以及一个音频信号分析操作，其根据所述输入音频信号的幅度来计算功率需求估计，以根据后者来输出功率转换控制输出。直流-直流转换器接收所述功率转换控制输出，并根据所述功率转换所述功率控制输出来提供功率输出。

所述输出音频信号因此可以被理解为延迟的音频信号。所述功率转换控制输出可以被理解为功率转换设置的通信表示，并且因此可以指示，例如，直流电平或电压。

在所述发明的实施例中，所述音频放大器系统可执行所述本发明的任何方法。因此，所述音频放大器系统可以包括执行任何所述方法所必需的任何元件。

根据所述发明的任何音频放大器系统可以具有与所述本发明的方法相同的优点。

所述发明的一方面涉及一种扬声器系统。所述扬声器系统包括扬声器换能器，以及一个根据本发明的音频放大器系统，其中，所述放大的音频信号被提供给所述扬声器换能器，所述扬声器换能器将所述放大的音频信号再现为声压波。

在所述发明的实施例中，所述扬声器系统可执行所述本发明的方法中的任何一种。因此，所述扬声器系统可以包括用于执行所述发明的任何方法所必需的任何元件。

根据所述发明的任何扬声器系统可以具有与根据本发明的方法相同的优点。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的各种实施例，其中

图1显示了本发明的一个示范性实施例；

图2显示了本发明的另一个示范性实施例；

图3a-图3d显示了本发明一个实施例中的音频信号处理和能量存储器；

图4a-图4b显示了本发明一个实施例中的示例性电压传递函数和示例性电流传递函数的表示；

图5为本发明一个实施例中的方法。

元件标号说明

1音频放大器 2，2’输入音频信号

3音频信号处理器 4延迟的音频信号

5功率需求估计 6电源转换设置

7直流-直流转换器 8功率输入

9功率输出 10放大的音频信号

11能量存储器 12辅助电容器

13电压传递函数 14电流传递函数

15动态范围压缩 16电池

17扬声器换能器 18音频信号延迟操作

19动态范围压缩传递函数 20音频信号分析操作

21输出电压表示 22最大输出电流表示

23峰值检测分析 24加法运算

25放大器功率使用量测量 26存储的能量

27延迟持续时间 28均衡滤波器

29音频信号峰值结构 30音频放大器系统

31扬声器系统 S1-S8方法步骤

具体实施方式

在本申请中，功率需求估计可以认为是一个计算结果，该计算结果显示在音频放大器中放大延迟的音频信号所需的功率。所需功率可以是累积功率，计入存储在能量存储器中的能量。例如，在音频放大器需要供电之前，功率需求可以增加。计算功率需求是在音频信号处理器中进行的，因此该计算可以通过数字化的方式实现。

功率转换的设置所指的可以是，一种或多种可控制的输出的设置或是直流-直流转换器的参数。功率转换设置可以指示直流-直流转换器的输出电压、输出电流、最大输出电压、最大输出电流、和/或转换效率。例如，在本发明的一些实施例中，选择功率转换设置包括选择输出电压。在本发明的其他一些实施例中，选择功率转换设置包括选择输出电流或转换模式。在本发明的其他一些实施例中，选择功率转换设置包括选择输出电压和最大输出电流。但是请注意，根据本发明的功率转换设置不限于这些示例。

直流-直流转换器所指的可以是，将直流源从一个电压电平转换为另一电压电平的电子电路或机电设备。在本发明的典型实施例中，直流-直流转换器被设置为增加电压电平同时相应地减小电流电平。本发明的直流-直流转换器应当至少是部分可控的，例如其中的输出电压是可控的。在本发明的一些实施例中，直流-直流转换器是开关模式的升压转换器。但是本发明并不限于该实施例，该直流-直流转换器也可以是一个SEPIC转换器，转换器，或反激转换器。

本发明中的音频信号处理器通常可以是一个数字信号处理器，但是本发明并不限于该实施例，它也可以基于模拟电路来执行必要的操作。

在本发明的实施例中，各种功率、电压、电流、数字、和/或模拟信号可以依靠有线或无线通信在实施例的元件内以及元件之间传递。例如，在所述音频信号处理器为数字信号处理器的实施例中，在数字信号处理器内执行的通信主要是数字化的，但是该数字信号处理器也可以通过模数转换器和数模转换器接收和输出模拟信号，例如输入音频信号和延迟的音频信号。在另一示例中，所述直流-直流转换器可以由音频信号处理器提供的模拟信号控制/调节，并于此同时输入和输出功率。因此，本申请中的功率、信号、以及它们的通信不限于特定的类型。

图1显示了本发明的一个示例性实施例。此处的音频放大器1由音频信号处理器3调节的直流-直流转换器7供电。该调节可确保以有效的功率转换和最小的音频失真为音频放大器1提供足够的功率。

音频信号处理器3是一个数字信号处理器3。这里，通过应用音频信号延迟操作18来延迟输入音频信号2以生成延迟的音频信号4，所述延迟的音频信号4被提供给音频放大器1。

在音频信号分析操作20中分析输入音频信号2以计算功率需求估计5。在一些实施例中，基于输入音频信号2的幅度来计算功率需求估计5，该幅度可以是该信号的平方幅度，可以是该信号在某个分析时间窗口内的平方振幅的积分，该分析时间窗口与延迟时间匹配，或者相当于延迟窗口的很大一部分。当执行功率估计计算时，系统阻抗传递函数补偿还可以应用于信号，以表示扬声器系统的阻抗。

基于功率需求估计5，选择用于直流-直流转换器7的功率转换设置6。在所示的实施例中，功率转换设置6与直流-直流转换器7的功率输出9的输出电压相关；此时如果功率转换设置6改变，则输出电压也改变。直流-直流转换器7接收功率输入8，并将其根据电源转换设置6转换为功率输出9。

功率输出9被提供给音频放大器1以对其进行供电。音频放大器1还接收延迟的音频信号4，其被布置为使用功率输出9进行放大。在该示例性实施例中，延迟的音频信号4上的延迟确保了音频信号处理器3中的分析能够顺利进行，并确保了输出电压可以被调节，以便发送到音频放大器1的任何延迟的输出信号4都可以利用调节后的输出电压来相应地放大，以产生放大的音频信号10。

在本发明的一些实施例中，施加到输入音频信号2以产生延迟的音频信号4存在延迟，使得直流-直流转换器7可以在音频放大器1使用能量之前存储该能量。例如，如果输入音频信号2包括一个大幅度的信号峰值，则该延迟确保了储能器可以在信号峰值到达音频放大器1之前进行充电。当延迟的音频信号4中的信号峰值到达音频放大器1时，音频放大器1可以利用存储的能量放大延迟的音频信号4。适当定时和调节过的能量存储器可以降低功率输入8的峰值电流需求的幅度，因为控制器将仅选择达到输出电容器上的某电压值所需的最小峰值电流，该电压值可以满足即将到来的音频波形的峰值电压和峰值功率需求。

由于音频信号延迟操作18、功率需求估计5的预测、以及功率转换设置6的选择，直流-直流转换器7可以在最有利于转换效率的设置下运作。能量的存储使得减小功率输入8的峰值电流需求成为可能，进一步提高了系统的有效性并增加了音频功率输出。

图2示出了本发明的另一实施例。与图1所示的实施例相比，图2的实施例增加了一些元件。

在动态范围压缩15之前，首先在均衡滤波器28中对输入音频信号2'进行滤波。均衡滤波器28可以用于补偿传递函数，如扬声器换能器17的传递函数和/或系统的声学环境。均衡滤波器28可以被预编程到音频信号处理器3上，也可以由系统的用户调节。

动态范围压缩15至少部分地由音频信号分析操作20控制，并通过计算来预测功率需求估计。在该实施例中，动态范围压缩传递函数19调节动态范围压缩15(可基于一个查找表)。传递函数19将计算出的功率需求估计5转换成动态范围压缩15的压缩上限幅度阈值。输入音频信号2’大于该阈值的幅度被减小。以这种方式，调节动态范围压缩15可以最小化由于提供给音频放大器1的功率不足而导致的放大后的延迟的音频信号4的失真，该失真可能发生在大幅度长时间的音频信号中。

由于均衡滤波器28和动态范围压缩15的作用，最初提供给音频信号处理器3的输入音频信号2’和用于功率需求估计5的预测的输入音频信号2不一定相同。然而，本申请中术语“输入音频信号”可以用于指代输入音频信号2、2'中的任何一个。

输入音频信号2被音频信号延迟操作18延迟后生成延迟的音频信号4。

在音频信号分析操作20中，通过计算来预测功率需求估计5。计算出的功率需求估计5用作选择直流-直流转换器7和动态范围压缩的功率转换设置的基础。音频信号分析操作20基于输入音频信号2，将输入音频信号2中位于某分析时间窗口内的一部分用于分析。该分析时间窗口的持续时间接近于在音频信号延迟操作18中延迟输入音频信号2以生成延迟的音频信号4的持续时间。在分析时间窗口内对输入音频信号的平方幅度进行积分，以计算功率需求估计5。在本发明的各个实施例中，积分是在时域和/或频域中执行的。该计算可以进一步考虑放大器传递函数和/或换能器阻抗传递函数，也可以进一步利用外部传感器输入或系统组件温度的模型和/或测量来提高功率预测的准确性。

在所示的实施例中，音频信号分析操作20还接收放大器功率使用量测量25的输入，并且功率需求估计5可以依赖于该测量25。例如，功率需求估计5是基于一个或多个预测系数来计算的，该预测系数指示音频放大器1的功率需求。该预测系数可以是输入音频信号2的积分中的预因子或偏移量。然后，放大器功率使用量测量25可用于更新任一预测系数以确保功率需求估计5的准确和精确。

在本发明的其他实施例中，放大器功率使用量测量25可用于选择功率转换设置6。功率需求估计5不是基于放大器功率使用量测量25，但电压传递函数13和/或电流传递函数14是基于放大器功率使用量测量25的。

计算出的功率需求估计5可用作电压传递函数13、电流传递函数14、和动态范围压缩传递函数19的输入。在电压传递函数13中，基于功率需求估计5设定临时输出电压。在电流传递函数14中，设定最大输出电流。类似地，在动态范围压缩传递函数19中，设定动态范围压缩15的压缩上限幅度阈值。这些传递函数13、14、19中的每一个均可以基于单独的查找表或数学函数，进而将功率需求估计5的某个值转换为每个传递函数13、14、19的某个输出。

功率转换设置6基于电压传递函数13和电流传递函数14的输出而建立。功率转换设置6包括输出电压表示21和最大输出电流表示22，该输出电压表示21和最大输出电流表示22被传递给直流-直流转换器7以进行调节和控制。

输出电压及其表示21基于电压传递函数13的输出(即暂定输出电压)，也基于峰值检测分析23。在峰值检测分析23中，输入音频信号2被分析以在分析时间窗口内检测任何振幅大于峰值振幅阈值的峰值的存在。峰值检测分析23提供输出，该输出在加法运算24中被添加至临时输出电压。在检测到幅度大于阈值的音频信号峰值时，将由峰值检测分析提供的峰值电压偏移添加到临时输出电压以产生输出电压。如果在分析时间窗口内没有这样的峰值，则不添加峰值电压偏移，此时输出电压等于临时输出电压。

功率转换设置6(即输出电压表示21和最大输出电流表示22)被提供给直流-直流转换器7以对其进行调节。在该实施例中，直流-直流转换器接收由电池16提供的功率输入8，但是要注意，根据本发明的其他实施例，可以使用其他电源。直流-直流转换器将功率输入8转换为功率输出9。例如，直流-直流转换器7基于开关模式的升压转换器，该转换器能增加功率输入8的电压以生成功率输出9。相应地，功率输出9的电流通常低于功率输入8的电流。开关模式的升压转换器通常可以通过改变开关断开和/或闭合的持续时间来调节，比如通过更改占空比。

直流-直流转换器7可以进一步包括滤波器。滤波器可由电容器制成，以减少电压纹波等噪声。直流-直流转换器7可以进一步包括诸如PID控制器(比例积分微分控制器)之类的稳定装置，其确保直流-直流转换器7功率输出的稳定。

诸如开关模式的升压转换器之类的直流-直流转换器7可具有内置的能量存储器，例如电容器。电容器是直流-直流转换器7的运作所必需的。如图2所示，直流-直流转换器7还连接至基于辅助电容器12的能量存储器11。当该能量存储器11的输出大于音频放大器1的功率需求时，该能量存储器11可用于存储功率输出9的能量。

音频放大器1从直流-直流转换器7和能量存储器11接收功率，以将延迟的音频信号4放大为放大的音频信号10。放大的音频信号10被提供给扬声器换能器17，扬声器换能器17将放大的音频信号10再现为声压波。

由于音频信号延迟操作18、功率需求估计5的预测、以及功率转换设置6的选择，直流-直流转换器7可以在最有利于转换效率的设置下运作。能量的存储可以减小功率输入8的峰值电流需求，进一步提高了系统的效率并增加了音频功率输出。

图3a-图3d显示了本发明的一个实施例中的音频信号处理和能量存储器。这四个图分别示出了输入音频信号2，延迟的音频信号4，功率需求估计5和存储的能量26的示例性表示。在每个图中，显示了延迟持续时间27以进行比较。每个图中的x轴是时间轴，其中时间的进展沿从左到右的方向发生。

图3a-图3d中所示的曲线指示在本发明的一些实施例中信号处理和能量存储器如何发生，例如，在图2所示的实施例中，信号处理和能量存储器可以如何发生。

图3a显示音频放大器系统的示例性输入音频信号2，例如输入音频信号2的包络。最初，输入音频信号的幅度相对较低，具有几个低幅度的小峰值；随后，局部音频信号峰结构29出现；再随后低幅度峰出现。

图3b显示基于图3a所示的输入音频信号的示例性延迟的音频信号4，例如基于图3a所示的输入音频信号的延迟的音频信号4的包络。延迟的音频信号4在时间上与延迟持续时间27相对应地移动。为便于比较，该延迟持续时间已在图中标出。于是，延迟的音频信号4与输入音频信号2基本相似，具有相似的音频信号峰值结构29，只是在时间上有所延迟。

图3c显示基于输入音频信号2的示例性功率需求估计5，其中功率需求估计在图3c中y轴方向上增加。功率需求估计5曲线中的每个点都是基于输入音频信号2在分析时间窗中的积分而生成的，该分析时间窗在时间上向后延伸，并且具有与所示的延迟持续时间27相同的长度。输入音频信号2增加，功率需求估计5也增加，并且当输入音频信号2的振幅减小时，功率需求估计5也减小，但是具有一个与延迟持续时间27相对应的延迟。因此，所示的功率需求估计5最初增长相对缓慢，然后，在输入音频信号2的音频信号峰值结构29处，功率需求估计5显著增加，随后在延迟的音频信号4的音频信号峰值结构29处减小。功率需求估计5的曲线具有高顶帽状的形状，该形状由分析时间窗口的持续时间和音频信号峰值结构29确定。

图3d显示了在图3d上的y轴方向上存储的能量26随时间的变化，该存储的能量26是基于延迟的音频信号4和功率需求估计5。功率需求估计5确定直流-直流转换器7的功率输出9。该功率输出被提供给音频放大器和储能器。音频放大器接收延迟的音频信号并相应地使用电源。当直流-直流放大器提供的功率大于音频放大器所使用的功率时，能量存储器在能量存储器中(例如，图2中的能量存储器11)，并且当直流-直流放大器提供的功率少于音频放大器所使用的功率时，音频放大器至少部分地由存储在能量存储器中的能量供电。因此，功率需求估计5的幅度增加了存储的能量26，而延迟的音频信号4的幅度减少了存储的能量26。因此，在图3d中，存储的能量最初是相对平坦的。当功率需求在输入音频信号2的音频信号峰值结构29附近增加时，存储的能量26也开始逐渐增加。当延迟的音频信号4具有较小的幅度时，存储的能量26继续增长。在延迟的音频信号4的音频信号峰值结构29附近，存储的能量26迅速减小。在此处所示的示例中，音频放大器所需的能量比仅由直流-直流转换器提供的能量更多，因此也使用了存储的能量26。注意，在延迟的音频信号4的音频信号峰值结构29之后，所存储的能量再次降低。因此，考虑到实际功率需求，功率需求估计相对准确，因此在音频信号峰值结构29被放大之前就存储了足够的能量。

图3a-图3d所示的曲线示显示了本发明一个实施例中的延迟输入音频信号4、计算功率需求估计5、以及如何将能量26存储和分散在能量存储器中。注意，该曲线及其形状是说明性示例，不应视为对本发明的限制。信号处理和能量存储器因此可以在如权利要求书所指定的本发明的范围内以多种方式改变。

图4a-图4b显示了根据本发明一实施例的示例性电压传递函数13和示例性电流传递函数14的表示。

图4a-图4b中所示的曲线13，14指示在本发明的一些实施例中信号处理如何发生，例如，在如图2所示的实施例中，信号处理如何发生。

两个图中的水平方向(即x轴方向)代表输入功率需求估计，其中输入功率需求估计在沿水平箭头的方向上增加。在图4a中，垂直方向(即y轴方向)是代表直流-直流转换器的输出电压，其沿垂直箭头方向增加，在图4b中，垂直方向是代表直流-直流转换器的最大输出电流，其沿垂直箭头方向增加。

根据本发明的一些实施例，当已经计算出功率需求估计5时，功率转换设置6的选择包括选择通过电压传递函数13和电流传递函数14的输出电压和/或最大输出电流。例如，功率需求估计5可以对应于图4a-图4b中的垂直轴上的一个点，在该点上选出相应的输出电压和相应的最大输出电流。

注意，图4a和图4b的示例性电压传递函数13和示例性电流传递函数14的形状彼此互补，这使得功率需求估计的增加将总是导致输出电压或最大输出电流的增加。传递函数13,14的形状确保了，在广泛的功率需求估算范围内，直流-直流转换器以最佳的最大电流运行。此外，传递函数13，14的形状也确保了输出电压永远不会低于最小值。

根据本发明的一些实施例，传递函数13，14是基于查找表。根据本发明的一些其他实施例，传递函数13，14基于数学函数，例如分段线性函数。

注意，图4a-图4b的曲线及其形状是说明性示例，不应视为对本发明的限制。因此，信号处理可以在如权利要求书所指定的本发明的范围内以多种方式变化。

图5显示了根据本发明一实施例的方法。该方法包括八个步骤S1-S8。

在该方法的第一步骤S1中，在音频信号处理器中接收输入音频信号。

在该方法的下一步骤S2中，音频信号在音频信号处理器中被延迟以生成延迟的音频信号。

在该方法的下一步骤S3中，预测功率需求估计。通过在音频信号处理器中分析输入音频信号以计算功率需求估计。

在该方法的下一步骤S4中，音频信号处理器基于功率需求估计来选择用于直流-直流转换器的功率转换设置。功率转换设置可以指示直流-直流转换器的输出电压。

在该方法的下一步骤S5中，将功率输入提供给直流-直流转换器，即，由功率输入为直流-直流转换器供电。

在该方法的下一步骤S6中，根据功率转换设置将功率输入转换为功率输出。

在该方法的下一步骤S7中，使用功率输出为音频放大器供电。

在该方法的下一步骤S8中，由音频信号处理器将延迟的音频信号提供给音频放大器，以生成放大的音频信号。放大基于功率输出的功率。

注意，本发明不限于特定的步骤顺序。

下文在不参考特定附图的情况下呈现本发明的各种实施例：

在本发明的一个实施例中，本发明的方法包括使用所述功率输出对能量存储器充电的步骤，其中，所述能量存储器被设置用于存储所述功率输出的能量并将能量分散到所述音频放大器，其中，为所述音频放大器供电的步骤包括使用由所述储能器分散的功率。

在典型的实施例中，能量存储器用于存储剩余功率，是由直流-直流转换器提供的且不被音频放大器使用的剩余功率；类似地，当直流-直流转换器本身不能提供足够的功率时，能量存储器向音频放大器提供功率。这样，能量存储器可促进电流需求的平滑，这是有利的，因为这样可以减少功耗并增加音频功率输出。

在一些实施例中，通过在开关模式的升压转换器中并入一个或多个电容器，能量存储器被集成在直流-直流转换器中。

在本发明的一个实施例中，所述能量存储器基于与所述直流-直流转换器相关联的一个或多个辅助电容器。

电容器适合作为本发明的能量存储器，因为电容器可以如本发明的典型实施例所要求的那样促进电能的存储和分散的快速交替。

在本发明的实施例中，延迟所述输入音频信号的步骤包括将所述输入音频信号延迟一个延迟持续时间，其中所述延迟持续时间在从1毫秒到100毫秒的范围内，例如从2毫秒到50毫秒，例如从5毫秒到20毫秒，例如10毫秒。

在本发明的实施例中，预测所述功率需求估计的步骤包括在分析时间窗口内分析所述输入音频信号，其中所述分析时间窗口的持续时间与所述延迟时间之间的比率在0.1至10的范围内，例如0.2到5，例如0.5到2，例如1。

在本发明的典型实施例中，延迟持续时间和分析时间窗口的持续时间是相同的，例如10毫秒或15毫秒。然而，这两个持续时间也可以不相同，例如可以分别为20毫秒和30毫秒。

该窗口的持续时间应足够用于执行分析并为直流-直流转换器实现功率转换设置。

此外，时间窗口的持续时间也可有利于能量被存储。例如，当典型的音频峰值出现在输入音频信号中时，能量存储器可以在延迟持续时间内存储足够的能量，以在该峰值通过延迟的音频信号到达音频放大器时放大该峰值。

在典型的实施例中，分析时间窗口是持续更新的，且分析时间窗口的两次更新之间的持续时间明显短于分析时间窗口的持续时间。例如，在一个实施例中，分析时间窗口的持续时间是5毫秒，但是每0.5毫秒更新一次。这样，每0.5毫秒便会计算出一个新的功率需求估计。

在本发明的一个实施例中，预测所述功率需求估计的步骤包括使用所述输入音频信号的幅度来计算所述功率需求估计。

音频放大器的功耗通常取决于要放大的音频信号的幅度。因此，在计算功率需求估计时考虑音频信号的幅度是有利的。

涉及幅度的计算可以进一步包括计算幅度的绝对值，计算幅度的平方值，找到幅度的峰值，识别幅度大于幅度阈值的音频信号等。

在本发明的实施例中，预测所述功率需求估计的步骤包括使用放大器传递函数来计算所述功率需求估计，其中，所述放大器传递函数与所述音频放大器有关。

音频放大器的功耗可能取决于音频信号的频率。因此，考虑音频放大器的特性是有利的，比如可以通过放大器传递函数来计算功率需求估计。

在本发明的一个实施例中，预测所述功率需求估计的步骤包括使用换能器阻抗传递函数来计算所述功率需求估计，其中所述换能器阻抗传递函数指示一个扬声器换能器的阻抗，其中所述扬声器接收到所述放大的音频信号。

扬声器换能器将电能转换为声能的能力通常取决于频率。扬声器换能器的转换效率将影响放大器使用的功率。因此，在计算功率需求估计时考虑换能器阻抗传递函数是有利的。

在本发明的一个实施例中，预测所述功率需求估计的步骤包括在所述分析时间窗口内积分所述输入音频信号的幅度以计算所述功率需求估计。

进行积分是有利的，因为这使得输入音频信号的形状，例如音频信号峰值的宽度，能够被纳入考虑范围，这有利于精确地给音频放大器供电。

在本发明的一个实施例中，预测所述功率需求估计的步骤包括通过公式计算所述功率需求估计。该公式为：

PDE＝∫TITF×IAS²dx，

其中，PDE是所述功率需求估计，TITF是所述换能器阻抗传递函数，IAS是所述输入音频信号，积分是在所述分析时间窗口内基于所述输入音频信号执行的。

在本发明的一些实施例中，在时域中计算功率需求估计，即，积分变量dx指示时间。在本发明的一些其他实施例中，在频率空间中计算功率需求估计，即，积分变量dx指示频率。例如，在分析时间窗口内将快速傅里叶变换(FFT)应用于输入音频信号，并通过将FFT与换能器阻抗相乘并对所有频点积分以获得传感器的总功率。

使用以上公式来计算功率需求估计是有利的，因为输入音频信号的平方指示放大所需的实际功率。此外，计算中考虑了系统阻抗传递函数。

在本发明的一个实施例中，选择所述功率转换设置的所述步骤包括将第一功率转换设置改变为第二功率转换设置，其中所述第一功率转换设置与所述直流-直流转换器第一转换效率相关联，所述第二功率转换设置与所述直流-直流转换器的第二转换效率相关，其中所述第二转换效率大于所述第一转换效率。

转换效率可以理解为功率效率，直流-直流转换器以该功率效率将功率输入转换为功率输出。

将第一功率转换设置改变为第二功率转换设置以提高功率输入到功率输出的转换效率是有利的，因为这样可减少直流-直流转换器的功耗。

在本发明的一个实施例中，选择所述功率转换设置的步骤包括使用电压传递函数来选择所述功率输出的输出电压，其中，所述电压传递函数基于所述功率需求估计。

选择直流-直流转换器的输出电压是有利的，因为控制输出电压是一个直接控制直流-直流控制器的功耗以及音频放大器的相关能量存储的方法。以功率需求估计作为输入的电压传递函数是一种灵活而简单的选择输出电压的方法。

在本发明的一个实施例中，所述电压传递函数基于一个电压查找表。

在本发明的实施例中，所述电压传递函数基于一个数学函数。

电压查找表是一种灵活而简单的电压传递函数，它易于在，例如，数字信号处理器中实现。本发明的电压查找表不限于任何特定的形状或类型，并且可以类似于数学函数，分段函数，或可反映直流-直流转换器的最佳效率。

在本发明的实施例中，所述输出电压的选择是基于所述输入音频信号的峰值幅度。

基于输入音频信号的峰值幅度来选择输出电压可以与计算出的功率需求估计相结合。例如，在本发明的一个实施例中，通过在分析时间窗口内对输入音频信号进行积分来计算功率需求估计，基于该功率需求估计产生临时输出电压。此外，峰值检测分析具体为，分析输入音频信号以检测在分析时间窗口内峰值幅度高于峰值幅度阈值的任何音频峰值的存在。在检测到这样的峰值时，将峰值电压偏移添加到临时输出电压以产生输出电压。如果没有音频峰值的振幅超过峰值振幅阈值，则临时输出电压为输出电压。因此，该实施例的方法能够检测峰值并相应地改变直流-直流转换器的输出电压。

如上所述，基于输入音频信号的峰值幅度选择输出电压是有利的，因为它允许选择更精确的输出电压，这既确保了直流-直流转换器的高效率，又确保准确放大延迟的音频信号。

在本发明的实施例中，选择所述功率转换设置的步骤包括使用电流传递函数来选择所述功率输出的最大输出电流，其中，所述电流传递函数基于所述功率需求估计。

一些直流-直流转换器与它们的功率输出的可控最大输出电流相关联。该最大输出电流可与功率转换的功率效率有关。因此，在确保足够的电流可用于音频放大器和/或能量存储器的同时，主动选择最大输出电流以提高效率是有利的。以功率需求计作为输入的电流传递函数是选择最大输出电流的一种灵活而简单的方法。

在本发明的一个实施例中，所述电流传递函数基于电流查找表。

在本发明的实施例中，所述电流传递函数基于数学函数。

电流查找表是灵活且简单类型的电流传递函数，其在，例如，数字信号处理器中易于实现。根据本发明的电流查找表不限于任何特定的形状或类型，可类似于数学函数，分段函数，或可反映直流-直流转换器的最佳效率。

通常，电压传递函数和电流传递函数应单独或结合使用以确保由直流-直流转换器提供的功率输出足以为音频放大器供电，例如结合相关的能量存储器。

在本发明的一个实施例中，本发明的方法包括以下步骤：在预测所述功率需求估计之前，将均衡滤波器应用于所述输入音频信号。

应用均衡滤波器是有利的，因为它使得输入音频信号可以被改变为音频放大器系统的频率响应，以使其适应特定应用。均衡滤波器应该优选地在预测功率需求估计之前应用，因为该预测应该依赖于滤波后的输入音频信号以计算得到一个准确而精确的功率需求估计。

均衡滤波器通常可以基于输入音频信号的特定频率范围的能量增强或减弱。

在本发明的一个实施例中，本发明的方法包括在所述音频信号处理器中对所述输入音频信号和所述延迟的音频信号中的任何一个应用动态范围压缩的步骤，其中所述动态范围压缩是基于所述功率需求估计的。

本发明的一些实施例具有有限的容量以存储用于音频放大器的能量，或有限的音频放大范围。在这些实施例中的一部分里，在具有大振幅的长音频信号达到时，音频信号的动态范围压缩可减小原本可能发生的音频失真，这是有利的。

在本发明的实施例中，可以将动态范围压缩应用于输入音频信号或延迟的音频信号。

动态范围压缩(DRC)15可以通过传递函数(例如，查找表)来实现。

如果DRC 15是在延迟之前实现的，并且DRC的输出被输入到功率估计，则系统可以设有功率压缩反馈回路，该功率压缩反馈回路可以允许系统将输出功率调节到固定水平。这可以通过在系统功率预测超过特定水平时触发DRC15以压缩输出并仅在功率预测低于特定水平时才允许DRC 15停止来实现。使用完整的PID控制器，或者仅使用PI或PD控制，也可以进一步改善这一点。功率限制调节功能对于功率限制系统实现尽可能高的声音输出非常有用。

将动态范围压缩基于功率需求估计是有利的，因为功率需求估计指示音频放大器所需的功率，后者又指示音频放大器是否有足够的功率。

在本发明的一个实施例中，测量所述音频放大器的放大器功率使用量，并且所述功率转换设置基于所述放大器功率使用量。

若测量了音频放大器的实际功率使用情况，例如，通过感测提供给音频放大器的电流和/或电压，则可以改善对功率转换设置的选择的预测。可以基于结合在电压传递函数或电流传递函数中的预测系数来选择功率转换设置。所述预测系数可以根据测量的放大器功率使用量定期更新，来优化精度和准确度。

在本发明的一些实施例中，功率转换设置可以间接地基于放大器功率而使用。例如，计算功率需求估计可以基于所测量的放大器功率使用量，且功率转换设置基于功率需求估计。

在本发明的一个实施例中，所述直流-直流转换器是升压转换器。

升压转换器可以理解为直流-直流转换器，其产生的输出电压大于其输入电压/源电压，即其直流输入电压低于其输出电压。相应地，输出电流小于输入电流。

使用升压转换器是有利的，因为许多应用中的电压要求高于不带升压转换器(例如USB连接)的电源的电压，

在本发明的实施例中，所述直流-直流转换器是开关模式的升压转换器。

使用开关模式的升压转换器是有利的，因为开关模式的升压转换器结构简单，有效且可控制。它通常可以包括至少一个有规律地开关的晶体管，一个二极管，和一个电感器。它还可以包括电容器，用于，例如，存储能量。它可以进一步包括一个或多个过滤器，例如输入/输出滤波器，用于减少噪声。

在本发明的一个实施例中，所述直流-直流转换器与PID控制器相关联。

例如，开关模式的升压转换器可以连接到PID控制器并且至少部分地由PID控制器控制，该PID控制器确保开关模式的升压转换器的功率/电压/电流输出的稳定。

在一些实施例中，PID控制器集成在直流-直流转换器中。

稳定直流-直流转换器的输出是有利的，因为其可以确保音频放大的正确性。

在本发明的一个实施例中，所述音频信号处理器是数字信号处理器。

使用数字信号处理器是有利的，因为它使本发明的方法的适配更容易。数字信号处理器通常可具有集成的模数转换器和数模转换器。在处理输入音频信号之前，可以通过模数转换器将输入音频信号提供给数字信号处理器。类似地，延迟的音频信号可以在被提供给音频放大器之前被提供给数模转换器。

在本发明的一个实施例中，所述功率输入由电池提供。

在本发明的实施例中，所述功率输入由USB连接提供。

在本发明的一个实施例中，所述功率输入是通过以太网连接提供的。

USB连接，以太网连接和限流电池这些电源示例与本发明较为相关，因为本发明中可用电流受到限制。此外，功率限制可以适应电源的状态或质量，例如，如果电池处于低电量状态，则内部电阻可能会增加，此时功率输出受到的限制可能会比电池处于高电量状态时更大。例如，USB或以太网电源具有电源协商协议，该协议根据源设备的功能将电源限制在不同级别。

在本发明的一个实施例中，本发明的方法包括将所述放大的音频信号提供给扬声器换能器的步骤，该扬声器换能器将所述放大的音频信号再现为声压波。

在本发明的一个实施例中，音频放大器系统可执行本发明的任何公开的方法。因此，音频放大器系统可以包括用于执行任何公开的方法所必需的任何元件。

根据本发明的任何音频放大器系统，可以具有与本发明中的方法相同的优点。

在本发明的一个实施例中，所述音频放大器系统包括扬声器换能器，使得所述音频放大器系统是一个扬声器系统，其中所述放大的音频信号被提供给所述扬声器换能器，后者将所述放大的音频信号再现为声压波。

根据本发明的任何扬声器系统，可以具有与本发明的方法相同的优点。

本发明的实施例可以包括各种处理参数和系统元件的组合，例如分析操作，延迟持续时间，分析时间窗口的持续时间及其相对于延迟持续时间的时机，传递函数，电容器，电源，直流-直流转换器等。对于多种实施例，可以选择上述的系统元件和参数以将音频放大器系统调整用于特定用途。该选择可以由本领域技术人员执行，以将音频输出功率、失真、功耗、处理能力、分析质量、延迟等控制在一定范围里。因此，本发明的实施例的实现可以根据音频放大器系统的实际应用而有所不同。

从上面可以清楚地看出，本发明涉及一种为音频放大器供电的方法和系统。通过在将输入音频信号提供给音频放大器之前延迟输入音频信号，可以分析输入音频信号以预测功率需求估计。根据此估计值，可设定功率转换设置，比如为音频放大器供电的直流-直流转换器的输出电压。直流-直流转换器的任何剩余输出功率都可以存储在能量存储器中。本发明可实现最优的直流-直流转换器操作，并存储能量，因而可减少电阻损耗并增加音频输出功率。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。注意，本申请省略了为公众所熟知的系统，设备，电路和方法的详细描述，以免不必要的细节使本发明的描述不清楚。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种为音频放大器(1)供电的方法，包括以下步骤：

在音频信号处理器(3)中接收输入音频信号(2，2')；

在所述音频信号处理器(3)中延迟所述输入音频信号(2，2')以产生延迟的音频信号(4)，其中所述延迟所述输入音频信号(2，2')包括将所述输入音频信号(2，2')延迟一个延迟持续时间(27)；

通过分析所述输入音频信号(2，2')以在所述音频信号处理器(3)中计算功率需求估计(5)来预测所述功率需求估计(5)，其中，所述预测所述功率需求估计(5)包括在分析时间窗口内分析所述输入音频信号(2，2')，并且所述分析时间窗口的持续时间和所述延迟持续时间(27)的比率在0.1至10的范围内，以及所述预测所述功率需求估计(5)包括在所述分析时间窗口内在时域和/或频域中对至少所述输入音频信号(2，2')的平方幅度进行积分，以计算所述功率需求估计(5)；

所述音频信号处理器(3)基于所述功率需求估计(5)选择用于直流-直流转换器(7)的功率转换设置(6)；

将功率输入(8)提供给所述直流-直流转换器(7)；

根据所述功率转换设置(6)转换所述功率输入(8)以提供功率输出(9)；

使用所述功率输出(9)为所述音频放大器(1)供电；

从所述音频信号处理器(3)向所述音频放大器(1)提供所述延迟的音频信号(4)，以产生放大的音频信号(10)。

2.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述功率输出(9)对能量存储器(11)充电的步骤，其中，所述能量存储器(11)存储所述功率输出(9)的能量并将能量分散到所述音频放大器(1)，其中，向所述音频放大器(1)供电的步骤包括使用由所述能量存储器(11)分散的功率。

3.根据权利要求2所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述能量存储器(11)是基于与所述直流-直流转换器(7)相关联的一个或多个辅助电容器(12)。

4.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述延迟持续时间(27)的范围为从1毫秒到100毫秒。

5.根据权利要求4所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述延迟持续时间(27)的范围为从2毫秒到50毫秒。

6.根据权利要求4所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述延迟持续时间(27)的范围为从5毫秒到20毫秒。

7.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述分析时间窗口的持续时间和所述延迟持续时间(27)的比率在0.2至5的范围内。

8.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述分析时间窗口的持续时间和所述延迟持续时间(27)的比率在0.5至2的范围内。

9.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，预测所述功率需求估计(5)的步骤包括使用所述输入音频信号(2，2')的幅度来计算所述功率需求估计(5)。

10.根据权利要求9所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，预测所述功率需求估计(5)的步骤包括使用换能器阻抗传递函数来计算所述功率需求估计(5)，其中，所述换能器阻抗传递函数指示接收所述放大的音频信号(10)的扬声器换能器(17)的阻抗。

11.根据权利要求10所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，预测所述功率需求估计(5)的步骤包括通过公式计算所述功率需求估计(5)，该公式为

PDE＝∫TITF×IAS²dx，

其中PDE即所述功率需求估计(5)，TITF即所述换能器阻抗传递函数，IAS即所述输入音频信号(2，2')，并且积分在所述分析时间窗口内基于所述输入音频信号(2，2')进行。

12.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，选择所述功率转换设置(6)的步骤包括使用电压传递函数(13)选择所述功率输出(9)的输出电压，其中，所述电压传递函数(13)基于所述功率需求估计(5)。

13.根据权利要求12所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述电压传递函数(13)是基于电压查找表。

14.根据权利要求12所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，选择所述输出电压的步骤是基于所述输入音频信号(2，2')的峰值幅度。

15.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，选择所述功率转换设置(6)的步骤包括使用电流传递函数(14)选择所述功率输出(9)的最大输出电流，其中所述电流传递函数(14)是基于所述功率需求估计(5)。

16.根据权利要求15所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述电流传递函数(14)是基于电流查找表。

17.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述方法包括将动态范围压缩(15)应用于所述音频信号处理器(3)中的所述输入音频信号(2，2′)和所述延迟的音频信号(4)中的任何一个，其中所述动态范围压缩(15)是基于所述功率需求估计(5)。

18.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，测量所述音频放大器的放大器功率的使用量，并且其中所述功率转换设置(6)是基于所述放大器功率的使用量。

19.根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法，其中，所述直流-直流转换器(7)是开关模式的升压转换器。

20.一种音频放大器系统(30)，包括：

音频信号处理器(3)，用于接收输入音频信号(2，2')并基于所述输入音频信号(2,2')提供输出音频信号(4)；

直流-直流转换器(7)，其由功率输入(8)供电，用于转换所述功率输入(8)以提供功率输出(9)；

音频放大器(1)，由所述功率输出(9)供电，用于放大所述输出音频信号(4)以生成放大的音频信号(10)；

其特征在于，所述音频信号处理器(3)包括：

音频信号延迟操作(18)，用于通过延迟所述输入音频信号(2，2’)一个延迟持续时间(27)来产生所述输出音频信号(4)；

音频信号分析操作(20)，用于根据所述输入音频信号(2，2')的幅度计算功率需求估计(5)，并根据所述功率需求估计(5)输出功率转换设置(6)，其中，所述计算所述功率需求估计(5)包括在分析时间窗口内分析所述输入音频信号(2，2')，并且所述分析时间窗口的持续时间和所述延迟持续时间(27)的比率在0.1至10的范围内，以及所述计算所述功率需求估计(5)包括在所述分析时间窗口内在时域和/或频域中对至少所述输入音频信号(2，2')的平方幅度进行积分，以计算所述功率需求估计(5)；

其中，所述直流-直流转换器(7)接收所述功率转换设置(6)并根据所述功率转换设置(6)转换所述功率输入(8)以提供所述功率输出(9)。

21.根据权利要求20所述的音频放大器系统(30)，其中，所述音频放大器系统(30)被设置用于执行一种根据权利要求1所述的为音频放大器(1)供电的方法。

22.一种扬声器系统(31)，包括：

扬声器换能器(17)；

根据权利要求20所述的音频放大器系统(30)，

其中，所述放大的音频信号(10)被提供给所述扬声器换能器(17)以将所述放大的音频信号(10)再现为声压波。