CN114020084B - 用于功放设备的电压调节系统及包括其的交通工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于功放设备的电压调节系统及包括其的交通工具，所述电压调节系统包括：升压电源，所述升压电源的输出端连接至功放设备，用于为所述功放设备提供电源电压；和电压调节电路，连接在所述升压电源和所述功放设备之间，用于调节所述升压电源输出的所述电源电压。根据本发明实施例的用于功放设备的电压调节系统，可通过普通的升压电源来实现电压的动态调节与跟踪，从而实现功放设备的高效率与低发热量。

Description

用于功放设备的电压调节系统及包括其的交通工具

技术领域

本发明涉及信号处理领域，更具体地，涉及用于功放设备的电压调节系统及包括其的交通工具。

背景技术

功率放大器(简称功放)是一种可以把来自信号源的微弱信号进行放大并驱动扬声器发声的设备。在输出大功率的场合，需要高的输入电压。例如在汽车上，常用的车载蓄电池电压一般为12V，在采用12V输入电压供电的情况下，功率放大器的输出功率有限。为了能输出更高的峰值功率，常常需要通过BOOST(升压)电源对电池电压进行升压后再供给功率放大器。采用普通的升压电源来给功率放大器供电可以满足其输出高功率的需求，但在不需要高功率的情形下，采用高电压供电是一种成本和效率的浪费。

目前解决上述问题的一种方法是使用专用的电源模块来进行电压调节，但专用的电源模块种类少、成本高、电路复杂，在当前晶圆缺货的大环境下，选型和备货存在一定的考验。此外，此类专用的电源模块通常需要专门的PWM(脉冲宽度调制)信号或者模拟信号进行控制，会使得电路更加复杂。

因此，需要一种新型的用于功放设备的电压调节系统及包括其的交通工具，以解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

根据本发明的一方面，提供了一种用于功放设备的电压调节系统，所述电压调节系统包括：升压电源，所述升压电源的输出端连接至功放设备，用于为所述功放设备提供电源电压；和电压调节电路，连接在所述升压电源和所述功放设备之间，用于调节所述升压电源输出的所述电源电压。

在一个实施例中，其中所述电压调节电路包括电压调节单元，用于基于来自外部信号源的信号的强度调节所述升压电源输出的所述电源电压。

在一个实施例中，其中所述电压调节单元包括信号处理器、数模转换器和分压器，其中，所述信号处理器连接至所述功放设备，用于接收来自外部信号源的信号，并对接收到的信号进行信号处理；所述数模转换器连接至所述信号处理器，用于将一部分经处理的音频信号转换为模拟信号；所述分压器连接在所述数模转换器和所述升压电源之间，用于控制输入至所述升压电源的模拟信号的强度。

在一个实施例中，其中所述分压器包括第一分压电阻和第二分压电阻，其中，所述第一分压电阻连接在所述升压电源的输出端与公共节点之间，所述第二分压电阻连接在所述公共节点与接地之间，所述公共节点连接在所述升压电源的反馈引脚与所述数模转换器之间。

在一个实施例中，其中所述分压器还包括保护电阻，所述保护电阻连接在所述公共节点与数模转换器之间。

在一个实施例中，其中所述电压调节单元还包括电压跟随器，所述电压跟随器连接在所述数模转换器和所述分压器之间。

在一个实施例中，其中所述电压跟随器包括运算放大器。

在一个实施例中，其中所述电压调节电路还包括过压保护单元，连接至所述升压电源的使能引脚和所述升压电源的输出端，用于调节所述升压电源输出的电源电压，以使得所述升压电源输出的电源电压不超过所述功放设备的最高工作电压。

在一个实施例中，其中所述过压保护单元包括微控制器。

在一个实施例中，所述电压调节系统用于汽车。

根据本发明的另一方面，提供了一种交通工具，所述交通工具包括如上所述电压调节系统。

根据本发明实施例的用于功放设备的电压调节系统及包括其的交通工具，可通过普通的升压电源来实现电压的动态调节与跟踪，从而实现功放设备的高效率与低发热量。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于功放设备的电压调节系统的示意性结构框图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于功放设备的电压调节系统的电路结构示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于功放设备的电压调节系统的示例性电路结构的更详细的示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

如上所述，目前对功率放大器的电源电压进行调节的方法是使用专用的电源模块，但专用的电源模块种类少、成本高、电路复杂。

因此，为了实现对功率放大器的电源电压的更简单、成本更低的控制，本发明提供了一种用于功放设备的电压调节系统，所述电压调节系统包括：升压电源，连接至功放设备，用于为所述功放设备提供电源电压；电压调节电路，连接在所述升压电源和所述功放设备之间，用于调节所述升压电源输出的所述电源电压。

根据本发明的用于功放设备的电压调节系统，可通过普通的升压电源来实现电压的动态调节与跟踪，从而实现功放设备的高效率与低发热量。

下面结合具体实施例详细描述根据本发明的用于功放设备的电压调节系统及包括其的交通工具。

首先，参考图1描述根据本发明的一个实施例的用于功放设备的电压调节系统10的示意性结构框图。如图1所示，电压调节系统10可以包括升压电源100和电压调节电路200。

示例性地，电压调节系统10可以用于汽车、飞机、火车、轮船等交通工具，还可用于其他具有功放设备的地方，本发明对此不作限定。

其中，升压电源100的输出端连接至功放设备，用于为该功放设备提供电源电压。

其中，升压电源100对输入的电池电压进行升压后再供给功放设备，其可以为本领域公知的具有任何种类的升压电路的任何升压电源，本发明对此不作限定。

其中，功放设备用于将输入的来自外部信号源(例如，音频源)的信号进行放大后再输出给负载(例如，扬声器)，其可以为本领域公知的任何种类的功放设备，例如A类放大器、B类放大器、D类放大器等，本发明对此不作限定。

电压调节电路200连接在升压电源100和功放设备之间，用于调节升压电源100输出的电源电压。

参考图2，图2示出了根据本发明的一个实施例的用于功放设备的电压调节系统的电路结构示意图。如图2所示，电压调节电路200可以包括电压调节单元300。电压调节单元300用于基于来自外部信号源(例如，音频源)的信号(例如，音频信号)的强度调节升压电源100输出的电源电压。具体地，当来自外部信号源的信号的幅度(即信号强度)变大时，即需要输出大功率时，电压调节单元300调节升压电源输出的电源电压变大，从而满足输出大功率的能力；当来自外部信号源的信号的幅度(即信号强度)变小时，即需要输出小功率时，电压调节单元300调节升压电源输出的电源电压变小，从而满足输出小功率的能力即可。这样，通过电压调节单元300对电压的调节，可以提高功放设备的工作效率，并减少发热。

示例性地，电压调节单元300可以包括信号处理器310、数模转换器(DAC)320和分压器330。

其中，信号处理器310连接至功放设备，用于接收来自外部信号源(例如，音频源)的信号(例如，音频信号)，并对接收到的信号进行信号处理。示例性地，对信号的处理可以为使得升压电源的输出电压满足功放设备要求的供电电压范围的任何处理，例如截取接收到的信号的一段，本发明对此不作限定。然后，信号处理器310将经处理的信号输出至功放设备，经功放设备放大后输出给负载(例如，扬声器)，此外，还将一部分经处理的音频信号输出给数模转换器320。

示例性地，信号处理器310可以为本领域公知的任何满足要求的数字信号处理器，本发明对此不作限定。

数模转换器320连接至信号处理器310，用于将一部分经处理的音频信号转换为模拟信号。

示例性地，数模转换器320可以为本领域公知的任何数模转换器，本发明对此不作限定。

分压器330连接在数模转换器320和升压电源100之间，用于控制控制输入至升压电源100的模拟信号的强度。

现在参考图3，图3示出了根据本发明的一个实施例的用于功放设备的电压调节系统的示例性电路结构的更详细的示意图。

如图3所示，示例性地，分压器330可以包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2。其中，第一分压电阻R1连接在升压电源100的输出端(OUT)与公共节点A之间；第二分压电阻R2连接在公共节点A与接地之间；公共节点A连接在升压电源100的反馈引脚FB与数模转换器320之间。第一分压电阻R1和第二分压电阻R2两者共同设置升压电源100输出的电源电压。

示例性地，分压器330还可以包括保护电阻R3，该保护电阻R3连接在公共节点A与数模转换器320之间。

示例性地，为了保证输出电压的精度，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和保护电阻R3可以均选用精度为1％的电阻。

下面结合图3说明第一分压电阻R1和第二分压电阻R2两者能够共同设置升压电源100输出的电源电压的原理。

如图3所示，公共节点A处的电压近似等于BOOST电源内部的带隙基准电压，在BOOST电源正常工作范围内，反馈引脚FB上的电压波动很小，同时公共节点A到反馈引脚FB内部的电流一般很小(nA级)，远小于R₁、R₂、R₃上的电流I₁、I₂、I₃。所以当对A点运用基尔霍夫电流定律(KCL)来计算电路中公共节点A处各支路电流之间的关系时，可以忽略公共节点A到反馈引脚FB之间的电流。因此对公共节点A应用基尔霍夫电流定律计算时，可得到以下公式：

I₁+I₃＝I₂…………………………………(5.1)

其中公共节点A处的电压V_A近似等于反馈引脚FB处的电压V_FB，即V_A＝V_FB；保护电阻R₃右端的电压记为V_DAC，左端的电压记为V_FB，所以保护电阻R₃上的电流I₃可表示为：

I₃＝(V_DAC-V_FB)/R₃…………………………………(5.2)

第二分压电阻R₂上端的电压记为V_FB，下端接地，电压为0，所以第二分压电阻R₂上的电流I₂可表示为：

I₂＝V_FB/R₂…………………………………(5.3)

第一分压电阻R₁上端的电压为升压电源的输出电压V_OUT，下端的电压为A点电压V_FB，所以第一分压电阻R1上的电流I₁可表示为：

I₁＝(V_OUT-V_FB)/R₁…………………………………(5.4)

将上述公式5.2、5.3、5.4带入公式5.1可得：

(V_OUT-V_FB)/R₁+(V_DAC–V_FB)/R₃＝V_FB/R₂………(5.5)

化简后可得:

V_OUT＝[V_FB/R₂-(V_DAC-V_FB)/R₃]*R₁+V_FB………(5.6)

对于选定的升压电源，上式5.6中，V_FB已知，V_DAC输出可以设置，因此对于想要设定的输出电压V_OUT，可以通过设置不同的R₁、R₂、R₃值就可以实现。一般情况下，会事先设定好V_OUT的最大范围、最小范围，结合V_FB和V_DAC的值，来计算R₁、R₂、R₃的值。

示例性地，电压调节单元300还可以包括电压跟随器340，该电压跟随器340连接在数模转换器320和分压器330之间，可以提高带载能力，在输入信号较弱时提高驱动力，并能起到“隔离”前后级的作用。

示例性地，电压跟随器340可以包括运算放大器。示例性地，该运算放大器可以为本领域公知的任何能够实现上述功能的运算放大器，本发明对此不作限定。

示例性地，电压调节电路200还可以包括过压保护单元400。过压保护单元400连接至升压电源100的使能(En)引脚和升压电源100的输出端，用于调节升压电源100输出的电源电压，以使得升压电源100输出的电源电压不超过功放设备的最高工作电压，从而起到监控电压和过压保护的作用，防止升压电源输出的电压超过功放设备自身的最高工作电压而损坏功放设备。

示例性地，过压保护单元400可以包括微控制器。示例性地，微控制器可以为本领域公知的任何能够实现上述功能的微控制器，本发明对此不作限定。

具体地，升压电源输出的电压被提供给过压保护单元400，过压保护单元400不间断地采集该电压(通常此处可能需要分压后进行采集)并进行判断，如果升压电源输出的电压未超过功放设备的最高工作电压，则升压电源正常工作，一旦过压保护单元400监测到升压电源输出的电压超过功放设备的最高工作电压，则过压保护单元400会输出控制信号到升压电源的使能(EN)引脚，以关闭升压电源，此时升压电源输出的电压近似等于(略小于)电池的电压，功放设备的供电不受影响，依然可以正常工作。当过压保护单元400检测到升压电源输出的电压低于功放设备的最高工作电压，且保持一定时间后，则认为升压电源输出的过压解除，过压保护单元400会输出控制信号到升压电源的使能(EN)引脚，以开启升压电源使其重新正常工作。

下面列举以下具体示例来说明如何选择合适的R₁、R₂、R₃阻值来配置该电压调节系统，使其能够进行输出电压的动态调节。

已知对于某功放设备，其典型工作电压为14.4V，最大工作电压为25V。升压电源的反馈引脚FB处的电压V_FB＝1V。在最大工作电压下功放设备才能输出最大功率。所选数模转换器正常工作时可输出的电压信号为带有直流偏置的正弦信号，信号幅度为1.415V，直流偏置为1.2V，则数模转换器可输出的电压范围为0.235V～3.065V。为了简化计算，可设置使得信号处理器输出至数模转换器的信号为数模转换器自身输出信号范围的1/4周期，即信号处理器输出至数模转换器的信号范围为0.235V～1.65V，即需要满足数模转换器的输出信号在0.235V～1.65V范围内能动态调节升压电源的输出电压在14.4V到25V范围，当V_DAC＝0.235V时，V_OUT＝25V；当V_DAC＝1.2V时，V_OUT＝14.4V。当V_DAC在1.2V～1.65V之间时，此电压调节系统无效，升压电源不工作，供电电压略小于升压电源的输入电压。

给定一个固定电阻R₂，一般选取比较常用的阻值，例如R₂＝4.3K，V_DAC＝0.235V时，V_OUT＝25V；V_DAC＝1.2V时，VOUT＝14.4V。将上述数值代入公式5.6中，可以得到两组R₁和R₃的关系式：

25＝[1/4.3K-(0.235-1)/R₃]*R₁+1…………………(5.7)

14.4＝[1/4.3K-(1.2-1)/R₃]*R₁+1……………………(5.8)

联立公式5.7、5.8两式可得R₃＝6.3K，R₁＝68K。即在该电压调节系统中，通过设置电阻R₁＝68K，R₂＝4.3K，R₃＝6.3K，可以使得升压电源的输出电压在14.4V到25V之间动态可调，实时满足功放设备输出功率变化时对供电电压的要求。

根据本发明的用于功放设备的电压调节系统，可通过普通的升压电源来实现电压的动态调节与跟踪，从而实现功放设备的高效率与低发热量。

在另一实施例中，本发明提供了一种交通工具，该交通工具可以包括如上所述的用于功放设备的电压调节系统。

示例性地，该交通工具可以为汽车、飞机、火车、轮船等，本发明对此不作限定。

其中，电压调节系统可以包括：

升压电源，所述升压电源的输出端连接至功放设备，用于为所述功放设备提供电源电压；

电压调节电路，连接在所述升压电源和所述功放设备之间，用于调节所述升压电源输出的所述电源电压。

电压调节系统的更详细的结构在上面进行了详细描述，在此不再赘述。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的电压调节系统基于对功放设备的输入信号调节升压电源的输出电源，可实现功放设备的包络跟踪，从而实现功放设备的高效率、低发热量。

2.本发明的电压调节系统具有反馈调节功能，可通过控制装置来进行输出电压检测与过压保护。

3.本发明的电压调节系统，当驱动信号较弱时，可以通过增加跟随电路来充当阻抗匹配，提高驱动力，同时起到缓冲、隔离作用，以隔绝前级对后级的影响。

4.本发明的电压调节系统，控制方式简单、成本低，无需复杂的电路结构，采用普通升压电源即可实现输出电压的动态可调。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于功放设备的电压调节系统，其特征在于，所述电压调节系统包括：

升压电源，所述升压电源的输出端连接至功放设备，用于为所述功放设备提供电源电压；和

电压调节电路，连接在所述升压电源和所述功放设备之间，所述电压调节电路包括电压调节单元，用于基于来自外部信号源的信号的强度调节所述升压电源输出的所述电源电压，

其中所述电压调节单元包括信号处理器、数模转换器和分压器，其中，所述信号处理器连接至所述功放设备，用于接收来自外部信号源的信号，并对接收到的信号进行信号处理；所述数模转换器连接至所述信号处理器，用于将一部分经处理的音频信号转换为模拟信号；所述分压器连接在所述数模转换器和所述升压电源之间，用于控制输入至所述升压电源的模拟信号的强度，

其中所述分压器包括第一分压电阻和第二分压电阻，其中，

所述第一分压电阻连接在所述升压电源的输出端与公共节点之间，

所述第二分压电阻连接在所述公共节点与接地之间，

所述公共节点连接在所述升压电源的反馈引脚与所述数模转换器之间。

2.如权利要求1所述的电压调节系统，其特征在于，其中所述分压器还包括保护电阻，所述保护电阻连接在所述公共节点与数模转换器之间。

3.如权利要求1所述的电压调节系统，其特征在于，其中所述电压调节单元还包括电压跟随器，所述电压跟随器连接在所述数模转换器和所述分压器之间。

4.如权利要求3所述的电压调节系统，其特征在于，其中所述电压跟随器包括运算放大器。

5.如权利要求1所述的电压调节系统，其特征在于，其中所述电压调节电路还包括过压保护单元，连接至所述升压电源的使能引脚和所述升压电源的输出端，用于调节所述升压电源输出的电源电压，以使得所述升压电源输出的电源电压不超过所述功放设备的最高工作电压。

6.如权利要求5所述的电压调节系统，其特征在于，其中所述过压保护单元包括微控制器。

7.如权利要求1至6中任一项所述的电压调节系统，其特征在于，所述电压调节系统用于汽车。

8.一种交通工具，其特征在于，所述交通工具包括如上权利要求1-7中任一项所述电压调节系统。