CN116418231B - 一种供电电源的升压控制方法和音频装置 - Google Patents

一种供电电源的升压控制方法和音频装置 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种供电电源的升压控制方法和音频装置，通过监测积分器的输出信号，设置升压阈值比较电压，判断控制功率电源的方式，并产生升压控制信号控制功率电源电压尽量贴合输出的声音信号，提升效能，延长系统工作时间。

Description

一种供电电源的升压控制方法和音频装置
技术领域
本发明涉及音频功放技术领域，具体涉及一种供电电源的升压控制方法和音频装置。
背景技术
随着便携式设备以及电动汽车的需求越来越大，电池供电的应用越来越广泛，在电池供电的情况下，往往需要电源转换器将电池的电压转换到需要的电压上。在D类放大器的应用中，为了实现更大的响度，需要输出更大的功率，此时需要将电池的电压升到更高的电压为D类放大器供电，升压的过程需要额外的功耗，导致降低了效率，带来额外的能耗损失，而且升压越高，升压的效率越低，相同输出功率的情况下，能耗损失越大。
对于D类放大器，同样的输出信号，电源电压越高，开关损耗越大，效率就会越低，而在电池供电的系统中，对工作时间又有很高的要求，D类放大器较高的供电电压带来的能耗损失还会导致减少了系统的工作时间，在D类放大器的工作过程中，声音有大有小，因此不会一直处于大功率的工作状态，只有播放较大声音的时候才需要较高的升压，小声音的时候只需要较低的升压甚至不升压就可以满足要求，因此升压大小与声音播放所需要的电压越接近，就能保证效能损失越小，工作时间越长。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种供电电源的升压控制方法和音频装置，能够产生升压控制信号，控制功率电源电压尽量贴合输出的声音信号，从而提升效能，延长工作时间。
本发明为了实现上述的发明目的，提供了一种供电电源的升压控制方法，包括：
采样积分器输出；
设置高阈值比较电压和低阈值比较电压；
比较所述积分器输出和所述高阈值比较电压以及所述低阈值比较电压，判断控制功率电源的方式；
根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号；
通过所述升压控制信号控制所述功率电源。
可选的，所述比较所述积分器输出和所述高阈值比较电压以及所述低阈值比较电压包括：当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号控制所述功率电源升高；当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，所述升压控制信号控制所述功率电源降低；当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
可选的，所述通过所述升压控制信号控制所述功率电源包括：所述升压控制信号连接升压控制器的误差放大器，所述升压控制信号越高，所述功率电源越高。
可选的，所述功率电源小于或等于输入电压时，所述升压控制器进入直通模式，所述功率电源等于所述输入电压。
可选的，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号包括：通过电阻分压的方式产生所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，可逆计数器加法计数，开关控制信号有效位逐步上升，所述升压控制信号逐步增大。
可选的，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，可逆计数器减法计数，所述开关控制信号有效位逐步降低，所述升压控制信号逐步减小。
可选的，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
可选的，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号还包括：通过开关和电容的方式产生所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，对所述电容中的第一电容充电，不断提高所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，对所述第一电容放电，不断降低所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
可选的，所述升压控制信号上升的速度通过启动时间控制，所述升压控制信号下降的速度通过释放时间控制。
可选的，所述通过所述升压控制信号控制所述功率电源还包括：所述升压控制信号通过电阻连接所述功率电源的分压网络。
可选的，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号包括：通过电阻分压的方式产生所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，可逆计数器加法计数，开关控制信号有效位逐步上升，所述升压控制信号逐步减小。
可选的，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，可逆计数器减法计数，所述开关控制信号有效位逐步降低，所述升压控制信号逐步增大。
可选的，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
可选的，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号还包括：通过开关和电容的方式产生所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，对所述电容的第一电容放电，不断降低所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，对所述第一电容充电，不断升高所述升压控制信号。
可选的，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
可选的，所述升压控制信号上升的速度通过释放时间控制，所述升压控制信号下降的速度通过启动时间控制。
本发明还提供了一种音频装置，包括D类放大器和升压控制器；
所述升压控制器产生功率电源为所述D类放大器供电，所述D类放大器将输入信号转化为有驱动能力的输出信号，同时产生升压控制信号控制所述升压控制器输出功率电源。
可选的，所述D类放大器包括积分滤波器、三角波发生器、升压比较器以及升压控制信号产生器；
所述积分滤波器用于进行积分器输出；所述三角波发生器用于设置升压阈值比较电压；所述升压比较器用于比较所述积分器输出和所述升压阈值比较电压，输出控制功率电源的方式；所述升压控制信号产生器用于根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：通过监测积分器的输出信号，设置升压阈值比较电压，判断控制功率电源的方式，并产生升压控制信号控制功率电源电压尽量贴合输出的声音信号，提升效能，延长系统工作时间。
附图说明
图1为本发明实施例中供电电源的升压控制的电路结构示意图一；
图2为本发明实施例中供电电源的升压控制的电路结构示意图二；
图3为本发明实施例中功率管的导通阻抗示意图；
图4为本发明实施例中积分器输出幅度、调制三角波幅度、输出信号幅度与最大输出幅度的比例关系示意图；
图5为本发明实施例中一种升压控制器的电路结构示意图；
图6为本发明实施例中另一种升压控制器的电路结构示意图；
图7为本发明实施例中升压控制信号产生器的电路结构示意图一；
图8为本发明实施例中升压控制信号产生器的电路结构示意图二；
图9为本发明实施例中升压控制信号产生器的电路结构示意图；
图10为本发明实施例中升压控制信号产生器的电路结构示意图四；
图11为本发明实施例中输出信号与功率电源的变化关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例中提供了一种供电电源的升压控制方法，包括：
S1、采样积分器输出；
S2、设置高阈值比较电压和低阈值比较电压；
S3、比较所述积分器输出和所述高阈值比较电压以及所述低阈值比较电压判断控制功率电源的方式；
S4、根据控制功率电源的方式产生升压控制信号（Vco）；
S5、通过所述升压控制信号Vco控制功率电源。
请参考图1-图2所示，升压控制器产生功率电源（PVDD）为D类放大器供电，D类放大器将输入信号（Vin）转化为有驱动能力的输出信号（Vo），同时产生升压控制信号Vco控制升压控制器输出合适的功率电源PVDD。
D类放大器的信号通路为积分滤波器、PWM（脉宽调制）比较器以及输出级。
积分器输出（Vint）与调制三角波信号（Vtri）在PWM比较器中进行比较，产生与输入信号Vin幅度相关的PWM输出信号，经过输出级产生有驱动能力的输出信号Vo。
在步骤S1中，升压比较器采样积分器输出Vint用以判断需要的功率电源PVDD，即判断控制功率电源PVDD的方式，包括升压、降压或不变。
请参考图3所示，由于功率管的导通阻抗和负载的分压，最大输出信号幅度Vomax小于功率电源PVDD。
，
其中，Vomax为最大输出信号幅度，PVDD为功率电源，RL为导通阻抗，RdsonH为与PVDD连接的高侧功率管的导通阻抗，RdsonL为与GND连接的低侧功率管的导通阻抗。
而现有技术中通常所采用的采样功率电源PVDD与输入信号、输出信号进行比较的方式是不准确的，因为最大输出信号幅度是Vomax，而不是功率电源PVDD。
此外，请参考图4所示，积分器输出幅度Vint与调制三角波幅度Vr的比例关系和输出信号幅度Vo与最大输出幅度Vomax的比例关系是相对应的，即：，
因此通过检测Vint可以更合理地判断输出信号Vo需要的功率电源PVDD的幅度。
在三角波发生器中设置与三角波幅度相关的升压阈值比较电压，高阈值比较电压Vth和低阈值比较电压Vtl。
在步骤S3中，当积分器输出高于Vth时，升压控制信号控制升压控制器升高功率电源PVDD，当积分器输出低于Vtl时，升压控制信号控制升压控制器降低功率电源PVDD，当积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，升压控制信号保持不变。
进一步的，在本发明实施例中，请参考图5-图6，升压控制器接收升压控制信号包括两种方式：
S501、升压控制信号直接连接升压控制器的误差放大器。
S502、升压控制信号通过电阻R3连接PVDD的分压网络。
具体的，在步骤S501中，升压控制信号直接连接升压控制器的误差放大器，此时，升压控制信号相当于误差放大器的参考信号，升压控制信号越高，PVDD越高。
此外，当PVDD≤Vin的时候，升压控制器进入直通模式，即PVDD=Vin。
具体的，在步骤S502中，升压控制信号Vco通过电阻R3连接PVDD的分压网络，此时
，
其中，Vref为参考电压，PVDD为功率电源，Vco为升压控制信号，R1为第一电阻，R2为第二电阻，R3为第三电阻。
升压控制信号越低，则PVDD越高，当升压控制信号为0时，PVDD最高为，
其中，Vref为参考电压，PVDD为功率电源，R1为第一电阻，R2为第二电阻，R3为第三电阻。
进一步的，当升压控制信号直接连接升压控制器的误差放大器时，步骤S4中产生升压控制信号的方式有两种，分别是：
S4011、通过电阻分压的方式产生升压控制信号。
请参考图7所示，升压控制产生器的可逆计数器接收升压比较器的输出，Vint＞Vth时，可逆计数器加法计数，开关控制信号S<n:0>有效位逐步上升，升压控制信号逐步增大。
Vint＜Vtl时，可逆计数器减法计数，开关控制信号S<n:0>有效位逐步降低，升压控制信号逐步减小。
Vtl≤Vint≤Vth时，升压控制信号保持不变。
其中，升压控制信号上升的速度通过启动时间控制，升压控制信号下降的速度通过释放时间控制。
S4012、通过开关和电容的方式产生升压控制信号。
请参考图8所示，升压控制产生器的升降压控制器接收升压比较器的输出，Vint＞Vth时，需要对第一电容C1充电，Sa导通，Sb断开，每个充电周期，Sc先导通，将C0充电到参考电压，然后Sc断开，Sd导通，C0向C1充电，Sd再关断，循环往复，不断提高升压控制信号。
其中，Vref为参考电压，Vco为升压控制信号，C1为第一电容，C0为对C1进行充电的电容，n为充电的次数。
Vint＜Vtl时，需要对第一电容C1放电，Sa断开，Sb断开，每个放电周期，Sc先导通，将C0的电荷放光，然后Sc断开，Sd导通，C1对C0放电，Sd再断开，循环往复，不断降低升压控制信号。
其中，Voc为原控制电压，Vco为升压控制信号，C1为第一电容，C0为对C1进行放电的电容，n为放电的次数。
Vtl≤Vint≤Vth时，升压控制信号保持不变。其中，升压控制信号上升的速度通过启动时间控制，升压控制信号下降的速度通过释放时间控制。
进一步的，当升压控制信号通过电阻R3连接PVDD的分压网络时，步骤S4中产生升压控制信号的方式有两种，分别是：
S4021、通过电阻分压的方式产生升压控制信号。
请参考图9，升压控制产生器的可逆计数器接收升压比较器的输出，Vint＞Vth时，可逆计数器加法计数，开关控制信号S<n:0>有效位逐步上升，升压控制信号逐步减小。
Vint＜Vtl时，可逆计数器减法计数，开关控制信号S<n:0>有效位逐步降低，升压控制信号逐步增大。
Vtl≤Vint≤Vth时，升压控制信号保持不变。
其中，升压控制信号下降的速度通过启动时间控制，升压控制信号上升的速度通过释放时间控制。
S4022、通过开关和电容的方式产生升压控制信号。
请参考图10，升压控制产生器的升降压控制器接收升压比较器的输出，系统启动时，为直通模式，Sa、Sc、Sd导通，升压控制信号等于参考电压。
当Vint＞Vth时，需要对C1电容放电，Sa断开，Sb断开，每个放电周期，Sc先导通，将C0的电荷放光，然后Sc断开，Sd导通，C1对C0放电，Sd再断开，循环往复，不断降低升压控制信号。
其中，Voc为原控制电压，Vco为升压控制信号，C1为第一电容，C0为对C1进行放电的电容，n为放电的次数。
Vint＜Vtl时，需要对C1电容充电，Sa导通，Sb断开，每个充电周期，Sc先导通，将C0充电到参考电压，然后Sc断开，Sd导通，C0向C1充电，Sd再关断，循环往复，不断提高升压控制信号。
其中，Vref为参考电压，Vco为升压控制信号，Voc为原控制电压，C1为第一电容，C0为对C1进行充电的电容，n为充电的次数。
Vtl≤Vint≤Vth时，升压控制信号保持不变。
其中，升压控制信号下降的速度通过启动时间控制，升压控制信号上升的速度通过释放时间控制。
请参考图11所示，在本实施例中，当输入信号较小的时候，输出电源不需要升压，输出信号增大后按照系统需求对功率电源PVDD进行升降压处理。
请继续参考图1-图2，本发明实施例中还提供了一种音频装置，包括D类放大器和升压控制器。
所述升压控制器产生功率电源为所述D类放大器供电，所述D类放大器将输入信号Vin转化为有驱动能力的输出信号Vo，同时产生升压控制信号控制所述升压控制器输出功率电源PVDD。
所述D类放大器包括积分滤波器、三角波发生器、升压比较器以及升压控制信号产生器。
所述积分滤波器用于进行积分器输出Vint。
所述三角波发生器用于设置升压阈值比较电压Vth和Vtl。
所述升压比较器用于比较所述积分器输出和所述升压阈值比较电压，输出控制功率电源的方式。
所述升压控制信号产生器用于根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号。
综上所述，本发明通过监测积分器的输出信号，设置升压阈值比较电压，判断控制功率电源的方式，并产生升压控制信号控制功率电源电压尽量贴合输出的声音信号，提升效能，有效延长系统工作时间。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (22)

1.一种供电电源的升压控制方法，其特征在于，包括：
采样积分器输出；
设置高阈值比较电压和低阈值比较电压；
比较所述积分器输出和所述高阈值比较电压以及所述低阈值比较电压，判断控制功率电源的方式，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号控制所述功率电源升高；当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，所述升压控制信号控制所述功率电源降低；当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变；
根据所述控制功率电源的方式产生所述升压控制信号；
通过所述升压控制信号控制所述功率电源，所述升压控制信号连接升压控制器的误差放大器，所述升压控制信号越高，所述功率电源越高；所述升压控制信号通过电阻连接所述功率电源的分压网络，所述升压控制信号越低，所述功率电源越高。
2.如权利要求1所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，所述功率电源小于或等于输入电压时，所述升压控制器进入直通模式，所述功率电源等于所述输入电压。
3.如权利要求1所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号包括：通过电阻分压的方式产生所述升压控制信号。
4.如权利要求3所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，可逆计数器加法计数，开关控制信号有效位逐步上升，所述升压控制信号逐步增大。
5.如权利要求4所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，可逆计数器减法计数，所述开关控制信号有效位逐步降低，所述升压控制信号逐步减小。
6.如权利要求5所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
7.如权利要求1所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号还包括：通过开关和电容的方式产生所述升压控制信号。
8.如权利要求7所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，对所述电容中的第一电容充电，不断提高所述升压控制信号。
9.如权利要求8所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，对所述第一电容放电，不断降低所述升压控制信号。
10.如权利要求9所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
11.如权利要求3或7所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，所述升压控制信号上升的速度通过启动时间控制，所述升压控制信号下降的速度通过释放时间控制。
12.如权利要求1所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号包括：通过电阻分压的方式产生所述升压控制信号。
13.如权利要求12所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，可逆计数器加法计数，开关控制信号有效位逐步上升，所述升压控制信号逐步减小。
14.如权利要求13所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，可逆计数器减法计数，所述开关控制信号有效位逐步降低，所述升压控制信号逐步增大。
15.如权利要求14所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
16.如权利要求1所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，所述根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号还包括：通过开关和电容的方式产生所述升压控制信号。
17.如权利要求16所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出高于所述高阈值比较电压时，对所述电容的第一电容放电，不断降低所述升压控制信号。
18.如权利要求17所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出低于所述低阈值比较电压时，对所述第一电容充电，不断升高所述升压控制信号。
19.如权利要求18所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，当所述积分器输出不低于所述低阈值比较电压，并不高于所述高阈值比较电压时，所述升压控制信号保持不变。
20.如权利要求12或16所述的供电电源的升压控制方法，其特征在于，所述升压控制信号上升的速度通过释放时间控制，所述升压控制信号下降的速度通过启动时间控制。
21.一种音频装置，其特征在于，用于执行如权利要求1-20中任一项所述的供电电源的升压控制方法，包括D类放大器和升压控制器；
所述升压控制器产生功率电源为所述D类放大器供电，所述D类放大器将输入信号转化为有驱动能力的输出信号，同时产生升压控制信号控制所述升压控制器输出功率电源。
22.如权利要求21所述的音频装置，其特征在于，所述D类放大器包括积分滤波器、三角波发生器、升压比较器以及升压控制信号产生器；
所述积分滤波器用于进行积分器输出；所述三角波发生器用于设置升压阈值比较电压；所述升压比较器用于比较所述积分器输出和所述升压阈值比较电压，输出控制功率电源的方式；所述升压控制信号产生器用于根据所述控制功率电源的方式产生升压控制信号。
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