CN1945966A - 电源提供功率的动态分配及信号的频率捷变频谱滤波 - Google Patents

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Abstract

用于功率放大器的电源电压通过切换在功率放大器和电源之间串联的双状态阻抗装置而在可操作全功率模式和减少功率模式之间进行切换。控制电路检测该放大器所放大的信号电平并切换阻抗状态，因此减少了功率放大器的功率输出容量并将功率放大器放置在减少功率模式。在一个实施方案中，用低通滤波器通过频谱滤波产生信号，该信号具有可调节的交叉频率。另外，对于高电平信号能够减少放大器的增益。

Description

电源提供功率的动态分配及 信号的频率捷变频谱滤波
本发明是申请号为01820667.0、申请日为2001年12月5日、发明名称为“电源提供功率的动态分配及信号的频率捷变频谱滤波”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于电子设备的电源电路装置，更具体讲，本发明可应用于允许设备在可操作模式和减少功率或等待模式之间进行切换的电源电路装置。
背景技术
一些高保真音频系统，例如所谓使用杜比Dolby PRO-logicTM或DolbyDigitalTM(杜比数字)的“环绕声音”系统，它们包括用于放大诸如DolbyTM系统所提供的每一个声音信号的功率放大器，例如左，右，中，左后，右后。在家庭音频系统中，这些音频功率放大器将由共用的主电源来供电。
通常，为了获得舒服的收听水平，在低频率低音(bass)范围内需要提高信号响应。DolbyTM系统提供了输出到子-低音系统的子-低音信号，该系统可以是分离的有源单元，该有源单元包括前置放大器/缓冲器、高功率音频功率放大器、以及在低于正常低音扬声器频率的低音频率提供足够的音频输出的大直径扬声器。为了提高低频率范围内的声音，该子-低音与它自己的专用音频功率放大器一起提供以克服在整个声音质量方面的缺点，这是因为，由于人耳朵响应的特性和通常由听房间大小的不充足，子-低音扬声器低音需要不均衡地大量功率以便充分听到，以及由于具有比扬声器系统的其他扬声器非常大结构的子-低音扬声器，正好需要更多功率以移动非常大的低音以及相应地通过扬声器圆锥来移动大量的空气。通过这种方式，专用的子-低音电源驱动该子-低音扬声器以及大量功率并不是主放大器电源的负荷，该电源为不同的其他放大器供电因此允许其他声音被完全地再现。
但是，对于主单元和子-低音扬声器由于需要分离的音量控制，因此使用分离的有源子-低音扬声器具有更高的总体系统成本，并倾向于低频率信号过载(太多低音)。因此，主音量控制的增加调节能够导致这些低音过载。由于电源需要功率变压器、整流器、和大滤波电容，因此电源非常昂贵。为了节省为高功率子-低音功率放大器提供分离电源而产生的大量消耗，期望子-低音功率放大器与主音频功率放大器共用相同的电源。这样的一种集成系统装置在美国印地安那州印第安纳波利的斯汤姆森消费电子公司制造的RCA家庭影院型号RT2250(RCA home theater model RT2250 made by ThomsonConsumer Electronics Inc.，Indianapolis，Indiana，USA)中使用，该设备包括作为主音频放大器的由相同电源供电的专用子-低音功率放大器。
但是，已经实现了这种实质上的成本减少，当该功率需要用于主功率放大器时，我们再次面对主电源的大量功率消耗的原始问题。一种解决方案是使主电源更大些，但是这是非常昂贵的并使单元增加了大量重量。因此，这种途径是达不到预期目标的。
大部分时间，例如具有50瓦特音频输出功率的主电源即使当音乐播放“非常大声”时也只有轻负荷。在更加大的房间里，以每平均输出电平一瓦特的功率播放时将可能使窗户格格作响并更少地减少对听力的损害。期望高功率输出放大器(听起来更悦耳)的原因是，也就是即使以这样“非常大声”的声音电平播放，信号峰值也不会被消减或失真。所以，几乎不使用用于主功率放大器的主电源的高功率容量。因此，从主电源为专用子-低音大功率放大器供电，包括设置最大值的子-低音功率高于主信道功率，通常将不会与需要主功率放大器相互冲突。通过这种方式，子-低音扬声器能够传送低频率分量两倍的功率，由于在通常情况下，中等频率-范围音乐内容相对于子-低音低频率范围而言仅仅传送小部分能量。以这种方式，该系统能更加有效地使用放大系统的整个功率而极大地减少了成本。
另一个问题是，为了补偿在子-低音音频频率中对于由听者更少可听的影响，为不均衡更高功率输出设置子-低音系统增益，正如上所讨论的，该子-低音系统输出能够容易地达到具有被“削减”的子-低音声音信号，或到达它的物理极限并使再现子-低音扬声器声音失真的子-低音扬声器的全输出。
美国多项专利公开了响应于一个信号启动电子作用，与子-低音扬声器有关的为：美国专利No.6,026,168公开了响应于标度主信号的音量对子-低音信号进行电平调节；美国专利No.5,636,288公开了响应于检测信号的有无来关断子-低音系统的分离整合功率放大器的AC电源；以及美国专利No.5,347,230其中公开了响应于音频信号的电平而有源辅助电源，以至于输出功率容量和输出晶体管的功率耗散在低信号电平减少并在高信号电平更增加，不同的参数用于减少与子-低音频率有关的纹波电压。
发明内容
根据本发明的多个方面，通过在主功率放大器和子-低音功率放大器之间动态分配来自电源的功率解决该冲突。当控制电路检测到一个子-低音频率范围内高于预定门限的音频信号时，操作一个开关以减少从主电源到辅助子-低音功率放大器的功率量，因此将辅助功率放大器从全可操作模式切换到较低功率模式，而仍旧提供相当大低频率低音输出声音电平但是减少了电源成本。
对于子-低音装置，子-低音信号能够以两种方法获得。一种用于正如上面所讨论的使用DolbyTM系统的方法是，为了子-低音声音再现提供一种分离的解码输出信号。这种子-低音音频信号也能够用于参与这里公开的动态功率分配作用。对于不使用DolbyTM系统的放大器系统，单数/复数级低通滤波器能够用于获得子-低音声音信号，该方法以相同方式用于从DolbyTM声音系统中获得子-低音信号。但是，对于该非DolbyTM装置，能够改变低通滤波器的截止频率，即频率捷变(frequency agile)，以及根据音乐类型或听者的品味选择该截止频率。
通过与辅助电路的电源输入串联的可变电阻以及响应于一个控制信号来提供辅助电路的电源状态改变。该可变电阻响应于该控制信号在第一和第二电阻状态之间改变/切换，因此为辅助电路产生对应于可操作和非零减少功率模式的相应第一和第二电源电压/电流。在第一电阻状态中，提供给辅助电路的电源电压/电流允许全功率操作，以及在第二电阻状态中，提供给辅助电路的电源电压/电流不足以用于全功率操作。在本发明的范围之内，该较少功率模式包括等待状态，其中辅助电路暂时置于非操作的等待模式中。但是，在辅助功率放大器的每一种状态中，提供给主电源电路的电源电压/电流足够用于正常操作。
在优选实施方案中，第一电阻状态对应于低阻抗，为辅助功率放大器提供的供电电压/电流是全操作电压以及第二电阻状态对应于相对高些的阻抗状态，以便减少辅助电路的最大值功率输出。
在示例性实施方案中的可变电阻包括一个具有与控制电路连接的励磁线圈(operating coil)的快速作用继电器以及一个与诸如功率电阻器的电阻并行连接的开关触点。打开开关触点插入与电源串联的电阻，减少提供给辅助放大器的电源电压/电流到较低电平。相反地，闭合开关触点短路该电阻，将零或可忽略电阻放置在电源路径上，因此增加可能用于辅助放大器全功率输出的共用电源电压。对于持续周期短于继电器反应时间的瞬间峰值功率电平而言，电源电容应该足够的大以便获得电源电压/电流。
代替继电器，能够用具有比继电器更快反应时间和更高可靠性的光电开关或其他合适的开关来替代，诸如与光耦合器或类似合并的场效应晶体管(FET)。这样的光耦合开关，类似继电器，如果这种期望这样的电气隔离的话，将提供控制电路和装置控制的电路之间的电气隔离。
尽管结合子-低音扬声器以及它的专用辅助功率放大器提供了当前讨论，其他的放大器和电源装置能够被类似地切换。另外，继电器触点能够是单刀双掷(single pole double throw，spdt)可交替地切换两个功率放大器，每个功率放大器从共用电源节点获得他们的功率，或者继电器触点能够是用于切换根本不同操作的双刀双掷(double pole double throw，dpdt)。
附图说明
图1是包括用于在可操作模式和减少功率模式之间进行切换的电子设备的电源装置方框示意图。
图2是用于提供图1中子-低音信号的用于多级可调节低通滤波器的代表性示意。
具体实施方式
图1示出了包括电源12和其中包括有功率放大器14的放大器电路的放大器系统10。电源12示出了功率变压器16，其具有与AC电源线连接的初级线圈18，与全波二极管桥21连接的次级线圈20，以及用于在节点30(+)和32(-)为放大器电路14提供合适电压和电流DC电源的电源滤波电容器22。电源12具有许多可能的构造，例如，电源12通过中心抽头接地而平衡。所示的电源仅仅用于示例性的以及并不形成本发明的限制部分。在这点上，应该注意到在具有CRT视频显示器的电视机接收机中，一些音频功率放大器可能用回扫电路来供电。
主电路和功率放大器14包括音频电路而不是子-低音信号处理和扬声器驱动，以及将功率输出提供给用单个扬声器34象征性表示的多个扬声器。在端子36提供音频源信号，这种音频源可以是任何可能的信号源，例如，DVD装置，CD装置，调谐器，音频磁带装置，视频带装置等等。这些信号由包括音调和音量控制功能，源信号选择开关的信号处理器来处理，以及DolbyTM或其他这样的系统，如果使用的话。
信号处理器38能够包括任何一个DolbyTM电路，该电路提供了解码的子-低音信号或图2中的所示单/多级低通频率选择性滤波器39。滤波器39将施加到放大器55和控制电路52的信号限制到频率的选择频带。例如，由于该特定实施方案是一种音频应用，滤波器39将该信号限制到音频频率频带或部分频率频带，例如，子-低音音频频率。尽管示出了一个阶梯滤波器，能够使用包括有源滤波器的其他结构。
进一步，滤波器串联电阻器40不是固定电阻器，而是作为由CPU42确定的可变电阻器。以这种方式，子-低音低通滤波器的频率截止(cut-off)是频率捷变并且能够例如根据音频信号的频率容量、子-低音信号的电平或用户设置通过改变截止频率进行频谱修改。进一步，CPU42控制的衰减器44能够例如响应于音频信号的电平用于改变子-低音信号的幅度。以这种方式，如果音频信号位于高电平，例如高音量控制设置，能够减少子-低音信号以进一步减少电源12的负荷并且进一步减少子-低音放大器和扬声器可能的过载。
返回参考图1，信号处理器38在耦接到控制电路52的线路50上输出子-低音信号到其输出耦接到子-低音扬声器56的子-低音信号处理和功率放大器55。放大器55类似于功率放大器14，除此之外，它可能比放大器14的任何单个功率放大器更加大功率，并在子-低音音频频率具有超低频响应。
控制电路52也接收在线路50提供的子-低音信号，并在节点30接收来自电源12的功率。控制电路52开启在示例性实施方案中所示作为单刀单掷继电器的开关54的线圈56。电阻器58是与功率放大器55的电源输入60串联的功率电阻器并耦接到电源端子30。由于继电器54未供电，例如，端子54a和54b位于正常闭合(nc)位置，短路电阻58以及因此为了以全功率来操作功率放大器55而为放大器55提供全功率电源。
当在线路50上的信号电平到达正如通过比较器(未示出)或一些其他门限确定电路所确定的预定门限电平时，驱动继电器54以及打开端子54a和54b，因此插入电阻58与电源引线60相串联。以这种方式，功率放大器55为更高功率输出引入更多电流到子-低音扬声器56，电阻58两端的电压降减少提供给功率放大器55的电压/电流输出功率，因此将放大器55置于减少功率模式。如果期望的话，减少功率可以意味着等待，例如，电阻器58的值足够大以使电路54与该电路中的电阻器58不工作，当电阻器58被短路时，通过电路54返回到全操作功能。选择电阻器58的值在功率轻微减少的范围之间为电路54不工作状态提供所期望的结果。
非常明显，低阻抗状态不需要短路电路。合适值和功率比率(未示出)的电阻器能够与端子54a/54b的一个串联连接，以使高阻抗状态的阻抗是该该电阻器和电阻器58的串行组合。无论如何，电阻器58和任何与电阻器58串行设置的电阻器必须具有足够的功率比率。
应该注意，在输入到放大器55的电源的插入电阻器58也改变对放大器55的电源调节并减少了从电源获得的最大电流。因此，正如这里所使用的，由于插入串联电阻或可变阻抗而引起的电源电压减少也包括了提供给电源电流的减少功率。
应当理解，对于继电器54，开关的其他形式能够被替换例如，开关54包括使用LED的光耦合器，以及例如光二极管、光-FET晶体三极管，在此情形下，二极管/晶体三极管代替开关触点，以及通过电阻58连接，这样的一种装置也将比继电器具有更快的动作但是也更加昂贵。
本发明包含了不同的修改和替换。例如，本发明不局限于这里描述的特定开关装置的实例，而是包括其他将提供所公开操作的装置。而且，电阻器58能够具有一个电抗性元件，或电阻的合并，电抗性和/或有源元件，即电阻、电感、电容、或非线性元件，例如，二极管、齐纳二极管、晶体管。
尽管这里描述的本发明的优选实施方案是具有功率放大器的子-低音扬声器，应该理解本发明可以应用于响应于控制信号在操作和减少功率模式之间进行切换的其他设备，在本例中，音频信号位于合适的音频频率频带内。另外，继电器54能够是单刀双掷(spdt)，例如可交替地切换两个放大器，每个放大器从共用电源节点获得功率，或继电器54能够是具有切换一些其他装置的其他电极的双刀双掷(dpdt)，例如使彩色状态灯有规律跳动。

Claims (11)

1.一种电源电路装置，可在多个模式之间进行切换，包括：
主电路和辅助电路，每一个都耦接成从共用电源获得它们的电源电压/电流；
控制电路，具有用于检测一信号的电平的检测器装置，并提供对应于该信号的所检测电平的控制作用；和
耦接在共用电源和辅助电路之间的可变阻抗装置，响应于所述控制作用，在第一和第二阻抗状态之间进行切换，产生由辅助电路从电源接收的相应第一和第二电源电压/电流，其中
第一和第二电压/电流分别对应于可操作模式和非零减少功率模式，并且可变阻抗装置不被耦接在共用电源和主电路之间，辅助电路驱动子-低音扬声器以便输出来自音频源的子-低音信号，并且控制电路检测该子-低音信号的电平以便提供控制作用，对于第一阻抗状态，提供给辅助电路的相应电源电压允许正常操作，以及，对于第二阻抗状态，提供给辅助电路的相应电源电压不足以用于正常操作，而提供给主电路的电源电压/电流足以用于在第一和第二阻抗状态中的正常操作。
2.如权利要求1所述的装置，其中第二阻抗状态具有高于第一阻抗状态的阻抗。
3.如权利要求2所述的装置，其中如果所检测电平超过预定阈值，则该控制作用使可变阻抗装置切换到第二阻抗状态。
4、一种电源电路装置，包括：
输出端，用于给第一电路提供第一操作电压和给第二电路提供一操作电压；
控制电路，具有用于检测一信号的电平的检测器装置，并且，提供对应于该信号的所检测电平的控制作用；和
可变阻抗装置，耦接在输出端与第二电路之间，并且可以通过控制作用在较高阻抗状态和较低阻抗状态之间进行切换，其中
在较低阻抗状态中，提供给第二电路的电源电压是第二电路的第二操作电压，第二操作电压不大于第一操作电压，以及在较高阻抗状态中，提供给第二电路的电源电压是第三操作电压，第三操作电压小于第二操作电压。
5、如权利要求4所述的装置，其中可变阻抗装置包括一个与阻抗并行连接的开关，以及控制电路作用通过打开和闭合该开关触点来操作开关以选择所述第一和第二阻抗状态。
6、如权利要求5所述的装置，其中该开关包括继电器的触点。
7、如权利要求4所述的装置，其中第一电路和第二电路是扬声器驱动电路。
8、如权利要求7所述的装置，其中第二操作电压对应于正常操作下第二电路所需的电压，而第三操作电压小于该所需的电压。
9.如权利要求7所述的装置，其中第二电路驱动子-低音扬声器以便输出来自音频源的子-低音信号，并且控制电路检测该子-低音信号的电平以便提供控制作用。
10.如权利要求9所述的装置，其中如果所检测电平超过预定阈值，则该控制作用使可变阻抗装置切换到较高阻抗状态。
11.如权利要求4所述的装置，其中第二操作电压小于第一操作电压。
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