DE102021110740A1

DE102021110740A1 - Verfahren und system zum betreiben eines audioverstärkers

Info

Publication number: DE102021110740A1
Application number: DE102021110740.7A
Authority: DE
Inventors: Ruben Minoru Tuemp Millyard
Original assignee: Tymphany Acoustic Technology Co Ltd
Current assignee: Tymphany Acoustic Technology Ltd Tw
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2021-12-02
Also published as: US11588444B2; CN113747307B; CN113747307A; US20210376796A1; GB2599979A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers, das die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Audioeingangssignals in einem Audiosignalprozessor, Verzögern des Audioeingangssignals in dem Audiosignalprozessor, um ein verzögertes Audiosignal zu erzeugen, Vorhersagen eines geschätzten Leistungsbedarfs durch Analysieren des Audioeingangssignals, um den geschätzten Leistungsbedarf in dem Audiosignalprozessor zu berechnen, und Auswählen von Leistungsumwandlungseinstellungen für einen DC-DC-Wandler durch den Audiosignalprozessor auf Basis des geschätzten Leistungsbedarfs. Das Verfahren umfasst ferner die Schritte des Versorgens des DC-DC-Wandlers mit Eingangsleistung, des Umwandelns der Eingangsleistung gemäß den Leistungsumwandlungseinstellungen, um eine Ausgangsleistung bereitzustellen, des Betreibens des Audioverstärkers mit der Ausgangsleistung und des Zuführens des verzögerten Audiosignals zu dem Audioverstärker von dem Audiosignalprozessor, um ein verstärktes Audiosignal zu erzeugen. Die Erfindung betrifft ferner ein Audioverstärkersystem und ein Lautsprechersystem.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Audioverstärkers. Die Erfindung betrifft ferner ein Lautsprechersystem, das auf einem Audioverstärkersystem basiert.
Hintergrund der Erfindung
Das Betreiben eines Audioverstärkers über einen Leistungswandler führt aufgrund des hohen Crest-Faktors typischer Audiosignale oft zu hohen Spitzenstromanforderungen von dem Leistungswandler. Dies ist besonders problematisch bei strombegrenzten Systemen, die infolgedessen eine stark begrenzte Audioausgangsleistung oder eine signifikante Audioverzerrung aufweisen können.
Ferner werden Leistungswandler aufgrund des Leistungsbedarfs von Audiosignalen nicht notwendigerweise mit ihrer maximalen Leistungseffizienz betrieben, der oft unter ihrer maximalen Strom- und Spannungsausgabe liegt.
Außerdem verursacht der hohe Crest-Faktor von Audiosignalen relativ hohe Widerstandsverluste, da diese Verluste vom Quadrat des Stroms abhängen.
Die US-Patentanmeldung US 2015/0349737 lehrt die Verstärkung eines Spannungspegels einer Batterie, um einen Spannungspegel über einen Verstärkungskondensator an einem Ausgang einer Verstärkungsstufe zu verstärken, ohne eine vorgewählte Eingangsstromgrenze zu überschreiten, wobei der Verstärkungsspannungspegel höher ist als der Spannungspegel der Batterie und höher als eine Versorgungsspannung, die für den Audioverstärker erforderlich ist, um eine vordefinierte maximale Spitzenleistung an eine Last abzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfinder haben die vorstehend genannten Probleme und Herausforderungen im Zusammenhang mit Audioverstärkern identifiziert und anschließend die nachstehend beschriebene Erfindung gemacht, die den Wirkungsgrad und die Audioleistung von Audioverstärkersystemen erhöhen kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers, das die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Audioeingangssignals in einem Audiosignalprozessor, Verzögern des Audioeingangssignals in dem Audiosignalprozessor, um ein verzögertes Audiosignal zu erzeugen, Vorhersagen eines geschätzten Leistungsbedarfs durch Analysieren des Audioeingangssignals, um den geschätzten Leistungsbedarf in dem Audiosignalprozessor zu berechnen, Auswählen von Leistungsumwandlungseinstellungen für einen DC-DC-Wandler durch den Audiosignalprozessor auf der Grundlage des geschätzten Leistungsbedarfs, Versorgen des DC-DC-Wandlers mit Eingangsleistung, Umwandeln der Eingangsleistung gemäß den Leistungsumwandlungseinstellungen, um eine Ausgangsleistung bereitzustellen, Betreiben des Audioverstärkers unter Verwendung der Ausgangsleistung und Zuführen des verzögerten Audiosignals zu dem Audioverstärker von dem Audiosignalprozessor, um ein verstärktes Audiosignal zu erzeugen.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Audiosignalprozessor ein digitaler Signalprozessor, der ein Audioeingangssignal empfängt. Dieses Signal wird innerhalb eines Analysezeitfensters von 10 Millisekunden durch Integration seiner Amplitude im Quadrat geteilt durch die Impedanz innerhalb dieses Analysezeitfensters analysiert, um einen geschätzten Leistungsbedarf vorherzusagen. Auf dieser Grundlage werden die Leistungsumwandlungseinstellungen eines DC-DC-Wandlers ausgewählt, indem eine Ausgangsspannung und ein maximaler Ausgangsstrom des DC-DC-Wandlers gewählt werden. In dieser Ausführungsform ist der DC-DC-Wandler ein Switch Mode-Aufwärtswandler, der von einer strombegrenzten Batterie gespeist wird, und er empfängt eine Eingabe vom Audiosignalprozessor, wobei die Eingabe die gewählten Leistungsumwandlungseinstellungen anzeigt, so dass der DC-DC-Wandler bei der entsprechenden Ausgangsspannung und dem maximalen Ausgangsstrom betrieben wird. Im Audiosignalprozessor wird das Audioeingangssignal um 10 Millisekunden verzögert, um ein verzögertes Audiosignal zu erzeugen. Das verzögerte Audiosignal wird einem Audioverstärker zugeleitet, der von der Ausgabe des DC-DC-Wandlers versorgt wird und ein verstärktes Audiosignal erzeugt. Wenn das Audioeingangssignal eine große Spitze aufweist, steigt der berechnete Leistungsbedarf und damit auch die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers. Infolgedessen wird Energie in mindestens einem Kondensator gespeichert, der dem DC-DC-Wandler zugeordnet ist. Wenn die Spitze den Audioverstärker als verzögertes Audiosignal erreicht, wird die gespeicherte Energie vom Audioverstärker verwendet, um die Spitze richtig zu verstärken und ein verstärktes Audiosignal mit minimaler Verzerrung zu erzeugen, während ein fester oder begrenzter Eingangsstrom beibehalten wird.
Durch die dynamische Vorhersage eines geschätzten Leistungsbedarfs und die Auswahl der Einstellungen für die Leistungsumwandlung gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann der DC-DC-Wandler mit einem möglichst optimalen Wirkungsgrad betrieben werden, ohne die Klangqualität zu beeinträchtigen, was sich vorteilhaft auf die Gesamteffizienz des Systems auswirkt.
Ferner ermöglicht die Verzögerung des Audiosignals eine verbesserte Mittelung von Spitzenstromanforderungen, insbesondere in Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der DC-DC-Wandler mit einem Energiespeicher verbunden ist. Dies ermöglicht eine Minimierung des Leistungsverbrauchs, da die in einer Widerstandsschaltung verbrauchte Leistung proportional zum Quadrat des Stroms P = IV = I²R ist und folglich eine Glättung des Eingangsstroms den Leistungsverbrauch reduziert. Durch die dynamische Vorhersage eines geschätzten Leistungsbedarfs und die Auswahl der Einstellungen für die Leistungsumwandlung können Spitzenströme, z.B. der Spitzenstrombedarf des DC-DC-Wandlers, reduziert werden und dementsprechend kann der Leistungsverbrauch minimiert werden, ohne die Klangqualität zu beeinträchtigen, was von Vorteil ist.
Eine Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindung ist es daher, den Crest-Faktor eines Eingangsstroms zu dem DC-DC-Wandler zu reduzieren, um den Leistungsverbrauch zu verringern.
Im Allgemeinen ist die Verringerung des Leistungsverbrauchs für jede Art von Gerät vorteilhaft, aber sie ist besonders nützlich für strombegrenzte Geräte, z.B. Geräte, die von einer strombegrenzten Batterie, über eine USB-Verbindung oder über eine Ethernet-Verbindung versorgt werden. In solchen Geräten kann die Erfindung genutzt werden, um die Audioausgangsleistung zu erhöhen, was den Anwendungsbereich solcher Geräte erweitert, was vorteilhaft ist. Darüber hinaus kann die Erfindung in batteriebetriebenen Geräten verwendet werden, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, was vorteilhaft ist.
Im Vergleich zu bisherigen Implementierungen von Audiosignalverfolgungs-Aufwärtswandlern mit einstellbarem Spannungsausgang, der auf die Audiospitzenspannung von Audioverstärkersystemen reagiert, ermöglicht die Erfindung den Betrieb eines Aufwärtswandlers, z.B. eines Switch Mode-Aufwärtswandlers (switch-mode boost converter), bei einem optimalen Wirkungsgrad. Überdies kann die vorliegende Erfindung ein unnötiges schnelles Laden des Energiespeichers bei hohen Strömen vermeiden, um den Leistungsverbrauch weiter zu reduzieren, da die Strombegrenzungssteuerung den Energiespeicher mit dem minimalen Strom aufladen wird, der zur Einhüllung des Audiosignals innerhalb der zulässigen Verzögerungszeit erforderlich ist.
Im Vergleich zur Nachverfolgung der Ausgangsspannung eines Audioverstärkers verringert die Vorhersage eines Leistungsbedarfs den Crest-Faktor des Leistungsbedarfs des DC-DC-Wandlers, um die Effizienz und die Audioausgangsleistung deutlich zu verbessern.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Audioverstärkersystem, umfassend einen Audiosignalprozessor, der gestaltet ist, um ein Audioeingangssignal zu empfangen und ein Audioausgangssignal auf Basis des Audioeingangssignals zu liefern, einen DC-DC-Wandler, der mit einer Eingangsleistung gespeist wird und gestaltet ist, um die Eingangsleistung umzuwandeln, um einen Ausgangsleistung bereitzustellen, und einen Audioverstärker, der mit der Ausgangsleistung gespeist wird und gestaltet ist, um das Audioausgangssignal zu verstärken, um ein verstärktes Audiosignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Audiosignalprozessor eine Audiosignal-Verzögerungsfunktion, die gestaltet ist, um das Audioausgangssignal durch Verzögern des Audioeingangssignals zu erzeugen, und eine Audiosignal-Analysefunktion, die gestaltet ist, um einen geschätzten Leistungsbedarf auf Basis der Amplitude des Audioeingangssignals zu berechnen, um einen Leistungsumwandlungs-Steuerausgang auf der Grundlage des geschätzten Leistungsbedarfs auszugeben, aufweist, wobei der DC-DC-Wandler gestaltet ist, um den Leistungsumwandlungs-Steuerausgang zu empfangen und die Eingangsleistung gemäß dem Leistungsumwandlungs-Steuerausgang umzuwandeln, um die Ausgangsleistung bereitzustellen.
Das Audioausgangssignal kann somit als ein verzögertes Audiosignal verstanden werden. Der Steuerausgang für die Leistungsumwandlung kann als eine kommunikative Darstellung der Einstellungen für die Leistungsumwandlung verstanden werden und kann somit z.B. indikativ für einen Gleichstrompegel oder eine Spannung sein.
In Ausführungsformen der Erfindung ist das Audioverstärkersystem ausgelegt, um irgendeines der Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dementsprechend kann das Audioverstärkersystem alle Elemente umfassen, die für die Durchführung eines der Verfahren erforderlich sind.
Jedes erfindungsgemäße Audioverstärkersystem kann die gleichen Vorteile aufweisen wie die Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Lautsprechersystem, das einen Lautsprechertransducer und ein Audioverstärkersystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, wobei das verstärkte Audiosignal dem Lautsprecherwandler zugeführt wird, um das verstärkte Audiosignal als Schalldruckwellen zu reproduzieren.
In Ausführungsformen der Erfindung ist das Lautsprechersystem gestaltet, um irgendeines der Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dementsprechend kann das Lautsprechersystem alle Elemente umfassen, die zur Durchführung eines der erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich sind.
Jedes erfindungsgemäße Lautsprechersystem kann die gleichen Vorteile haben wie erfindungsgemäße Verfahren.
Figurenliste
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei

1 eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt,
2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3a-d die Audiosignalverarbeitung und Energiespeicherung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen,
4a-b Darstellungen einer beispielhaften Spannungs-Übertragungsfunktion und einer beispielhaften Strom-Übertragungsfunktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen, und
5 ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein geschätzter Leistungsbedarf als ein Ergebnis einer Berechnung verstanden werden, die indikativ für eine Leistung ist, die zur Verstärkung des verzögerten Audiosignals im Audioverstärker erforderlich ist. Die benötigte Leistung kann eine kumulative Leistung sein, z.B. unter Berücksichtigung von in einem Energiespeicher gespeicherter Energie. Der Leistungsbedarf kann z.B. ansteigen, bevor die Leistung vom Audioverstärker benötigt wird. Der Leistungsbedarf wird in einem Audiosignalprozessor berechnet, und dementsprechend kann seine Berechnung zum Beispiel digital implementiert sein.
Leistungsumwandlungseinstellungen können als Darstellungen einer oder mehrerer steuerbarer Ausgangseinstellungen oder -parameter eines DC-DC-Wandlers verstanden werden. Leistungsumwandlungseinstellungen können z.B. indikativ für eine Ausgangsspannung, einen Ausgangsstrom, eine maximale Ausgangsspannung, einen maximalen Ausgangsstrom und/oder einen Umwandlungswirkungsgrad des DC-DC-Wandlers sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Auswahl der Leistungsumwandlungseinstellungen z.B. die Auswahl einer Ausgangsspannung. In einigen anderen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Auswahl der Leistungsumwandlungseinstellungen die Auswahl eines Ausgangsstroms oder eines Umwandlungsmodus. In einigen anderen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Auswahl der Leistungsumwandlungseinstellungen die Auswahl einer Ausgangsspannung und eines maximalen Ausgangsstroms. Es ist aber zu beachten, dass die Leistungsumwandlungseinstellungen gemäß der Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt sind.
Ein DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler kann als eine elektronische Schaltung oder elektromechanische Vorrichtung verstanden werden, die eine Gleichstrom (DC)-quelle von einem Spannungsniveau in ein anderes Spannungsniveau umwandelt. In typischen Ausführungsformen der Erfindung ist der DC-DC-Wandler gestaltet, um den Spannungspegel zu erhöhen, während ein Strompegel entsprechend reduziert wird. Erfindungsgemäße DC-DC-Wandler sollten zumindest teilweise steuerbar sein, z.B. ist eine Ausgangsspannung eines DC-DC-Wandlers steuerbar. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der DC-DC-Wandler ein Switch Mode-Aufwärtswandler, aber die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und der DC-DC-Wandler kann z.B. ein SEPIC-Wandler, ein Cuk-Wandler oder ein Sperrwandler sein.
Ein Audiosignalprozessor gemäß der Erfindung kann typischerweise ein digitaler Signalprozessor sein, ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Er kann z.B. auf einer analogen Schaltung basieren, um die notwendigen Operationen durchzuführen.
In Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene Leistungen, Spannungen, Ströme, digitale und/oder analoge Signale innerhalb von Elementen und zwischen Elementen einer Ausführungsform unter Verwendung von drahtgebundener oder drahtloser Kommunikation kommuniziert werden. In einer Ausführungsform, in der der Audiosignalprozessor ein digitaler Signalprozessor ist, erfolgt die Kommunikation, die innerhalb des digitalen Signalprozessors erfolgt, z.B. in erster Linie digital, aber er kann analoge Signale, z.B. das Audioeingangssignal und das verzögerte Audiosignal, über Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler empfangen und ausgeben. In einem anderen Beispiel kann der DC-DC-Wandler Leistung eingeben und ausgeben, während er durch ein vom Audiosignalprozessor bereitgestelltes analoges Signal gesteuert/geregelt wird. Somit sind die Leistungen und Signale sowie deren Kommunikation nicht auf irgendeinen Typ beschränkt.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung. Hier wird ein Audioverstärker 1 durch einen DC-DC-Wandler 7 versorgt, der durch einen Audiosignalprozessor 3 geregelt wird. Die Regelung gewährleistet, dass dem Audioverstärker 1 ausreichend Leistung bei effizienter Leistungsumwandlung und minimaler Audioverzerrung zur Verfügung gestellt wird.
Der Audiosignalprozessor 3 ist ein digitaler Signalprozessor 3. Hier wird ein Audioeingangssignal 2 durch Anwendung einer Audiosignal-Verzögerungsfunktion 18 verzögert, um ein verzögertes Audiosignal 4 zu erzeugen, das dem Audioverstärker 1 zugeführt wird.
Das Audioeingangssignal 2 wird in einer Audiosignal-Analysefunktion 20 analysiert, um einen geschätzten Leistungsbedarf 5 zu berechnen. In einigen Ausführungsformen wird der geschätzte Leistungsbedarf 5 auf der Grundlage einer Amplitude des Audioeingangssignals 2 berechnet, z.B. auf der Grundlage einer Amplitude des Signals im Quadrat und z.B. auf der Grundlage einer Integration der Amplitude des Signals im Quadrat innerhalb eines Analysezeitfensters, das der Verzögerungsdauer oder einem signifikanten Bruchteil des Verzögerungsfensters entspricht. Eine Kompensation der Systemimpedanz-Übertragungsfunktion kann auch für das Signal angewendet werden, um die Impedanz des Lautsprechersystems darzustellen, wenn die Berechnung der geschätzten Leistung durchgeführt wird.
Auf Basis des geschätzten Leistungsbedarfs 5 werden die Einstellungen der Leistungsumwandlung 6 für den DC-DC-Wandler 7 ausgewählt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Leistungsumwandlungseinstellungen 6 auf eine Ausgangsspannung einer Ausgangsleistung 9 des DC-DC-Wandlers 7 bezogen, so dass sich bei Änderung der Leistungsumwandlungseinstellungen 6 auch die Ausgangsspannung ändert. Der DC-DC-Wandler 7 erhält eine Eingangsleistung 8, die er gemäß den Leistungswandlungseinstellungen 6 in die Ausgangsleistung 9 umwandelt.
Die Ausgangsleistung 9 wird dem Audioverstärker 1 zu dessen Versorgung bereitgestellt. Der Audioverstärker 1 empfängt ferner das verzögerte Audiosignal 4, für das er ausgelegt ist, um es unter Verwendung der Ausgangsleistung 9 zu verstärken. In dieser beispielhaften Ausführungsform gewährleistet die Verzögerung bei dem verzögerten Audiosignal 4, dass die Analyse im Audiosignalprozessor 3 durchgeführt werden kann und dass die Ausgangsspannung geregelt werden kann, so dass jedes verzögerte Ausgangssignal 4, das an den Audioverstärker 1 gesendet wird, dementsprechend unter Verwendung der geregelten Ausgangsspannung verstärkt werden kann, um ein verstärktes Audiosignal 10 zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht die Verzögerung, die auf das Audioeingangssignal 2 angewendet wird, um das verzögerte Audiosignal 4 zu erzeugen, dem DC-DC-Wandler 7 ferner, Energie zu speichern, bevor diese Energie vom Audioverstärker 1 verwendet wird. Wenn ein Audioeingangssignal 2 z.B. eine Signalspitze mit einer großen Amplitude aufweist, gewährleistet die Verzögerung, dass ein Energiespeicher aufgeladen werden kann, bevor die Signalspitze am Audioverstärker 1 ankommt. Wenn die Signalspitze den Audioverstärker 1 im verzögerten Audiosignal 4 erreicht, kann die gespeicherte Energie vom Audioverstärker 1 zur Verstärkung des verzögerten Audiosignals 4 genutzt werden. Eine richtig zeitlich abgepasste und geregelte Energiespeicherung kann eine Reduzierung der Amplitude des Spitzenstrombedarfs der Eingangsleistung 8 sicherstellen, da die Steuerung nur den minimalen Spitzenstrom auswählt, der erforderlich ist, um eine Spannung an den Ausgangskondensatoren zu erreichen, die sowohl den Spitzenspannungs- als auch den Spitzenleistungsbedarf der anstehenden Audiowellenform erfüllen kann.
Aufgrund der Audiosignal-Verzögerungsfunktion 18, der Vorhersage eines geschätzten Leistungsbedarfs 5 und der Auswahl der Leistungsumwandlungseinstellungen 6 ist es möglich, den DC-DC-Wandler 7 mit optimalen Einstellungen in Bezug auf die Umwandlungseffizienz zu betreiben. Die Speicherung von Energie ermöglicht es, den Spitzenstrombedarf der Eingangsleistung 8 zu reduzieren, was die Effektivität des Systems weiter erhöht und die Audioausgangsleistung steigert.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist die in 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung eine Reihe von zusätzlichen Elementen auf.
Das Audioeingangssignal 2' wird vor der Dynamikkompression 15 zunächst in einem Entzerrungsfilter 28 gefiltert. Das Entzerrungsfilter 28 kann z.B. angewendet werden, um eine Übertragungsfunktion, wie z.B. eine Übertragungsfunktion des Lautsprecherwandlers 17, und/oder eine akustische Umgebung des Systems zu kompensieren. Es kann im Audiosignalprozessor 3 vorprogrammiert sein und/oder von einem Nutzer des Systems einstellbar sein.
Die Dynamikkompression 15 wird zumindest teilweise durch die Audiosignal-Analysefunktion 20 gesteuert, worin ein geschätzter Leistungsbedarf durch eine Berechnung vorhergesagt wird. In dieser Ausführungsform wird die Dynamikkompression 15 durch eine Dynamikkompressions-Übertragungsfunktion 19 geregelt, z.B. basierend auf einer Lookup-Tabelle. Die Übertragungsfunktion 19 übersetzt einen berechneten geschätzten Leistungsbedarf 5 in einen oberen Kompressionsamplituden-Schwellenwert der Dynamikkompression 15. Die Amplitude des Audioeingangssignals 2', die größer als dieser Schwellenwert ist, wird reduziert. Auf diese Weise wird die Dynamikkompression 15 geregelt, um eine Verzerrung des verzögerten Audiosignals 4 bei der Verstärkung aufgrund einer unzureichenden Leistung, die dem Audioverstärker 1 zugeführt wird, zu minimieren, die beispielsweise bei Audiosignalen mit langer Dauer von großen Amplituden auftreten kann.
Aufgrund des Entzerrungsfilters 28 und der Dynamikkompression 15 sind das Audioeingangssignal 2', das ursprünglich dem Audiosignalprozessor 3 zugeführt wurde, und das Audioeingangssignal 2, das für die Vorhersage des geschätzten Leistungsbedarfs 5 verwendet wird, nicht unbedingt identisch. Der Begriff „Audioeingangssignal“ kann aber verwendet werden, um sich auf jedes dieser Audioeingangssignale 2, 2' zu beziehen.
Das Audioeingangssignal 2 wird in einer Audiosignal-Verzögerungsfunktion 18 verzögert, um ein verzögertes Audiosignal 4 zu erzeugen.
Innerhalb der Audiosignal-Analysefunktion 20 wird durch eine Berechnung ein geschätzter Leistungsbedarf 5 vorhergesagt. Der berechnete geschätzte Leistungsbedarf 5 dient als Grundlage für die Auswahl der Leistungsumwandlungseinstellungen für den DC-DC-Wandler 7 sowie für die vorstehend beschriebene Dynamikkompression. Die Audiosignal-Analysefunktion 20 basiert auf dem Audioeingangssignal 2, und ein Teil des Audioeingangssignals 2, der innerhalb eines Analysezeitfensters liegt, wird für die Analyse verwendet. Die Dauer des Analysezeitfensters ist ähnlich der Dauer, mit der das Audioeingangssignal 2 in der Audiosignal-Verzögerungsfunktion 18 verzögert wird, um das verzögerte Audiosignal 4 zu erzeugen. Die Amplitude des Audioeingangssignals im Quadrat wird innerhalb des Analysezeitfensters integriert, um den geschätzten Leistungsbedarf 5 zu berechnen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Integration im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich durchgeführt. Die Berechnung kann ferner eine Verstärker-Übertragungsfunktion und/oder eine Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion berücksichtigen. Sie kann außerdem sogar externe Sensoreingaben oder Modelle und/oder Messungen der Temperaturen der Systemkomponenten verwenden, um die Genauigkeit der Leistungsvorhersage zu verbessern.
In der gezeigten Ausführungsform empfängt die Audiosignal-Analysefunktion 20 ferner Eingaben von einer Messung des Verstärkerleistungsverbrauchs 25, und der geschätzte Leistungsbedarf 5 kann auf dieser Messung 25 basieren. Beispielsweise wird der geschätzte Leistungsbedarf 5 auf Basis eines oder mehrerer Vorhersagekoeffizienten berechnet, die für den Leistungsbedarf des Audioverstärkers 1 indikativ sind. Ein Vorhersagekoeffizient kann zum Beispiel ein Vorfaktor oder ein Offset bei einer Integration des Audioeingangssignals 2 sein. Die Messung des Leistungsverbrauchs des Verstärkers 25 kann dann verwendet werden, um Vorhersagekoeffizienten zu aktualisieren, um einen genauen und präzisen geschätzten Leistungsbedarf 5 zu gewährleisten.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung wird eine Messung des Verstärkerleistungsverbrauchs 25 verwendet, um Leistungsumwandlungseinstellungen 6 auszuwählen, z.B. basiert der geschätzte Leistungsbedarf 5 nicht auf der Messung des Verstärkerleistungsverbrauchs 25, sondern sind/ist eine Spannungs-Übertragungsfunktion 13 und/oder eine Strom-Übertragungsfunktion 14.
Nach der Berechnung eines geschätzten Leistungsbedarfs 5 wird dieser als Eingabe für eine Spannungs-Übertragungsfunktion 13, eine Strom-Übertragungsfunktion 14 und eine Dynamikkompressions-Übertragungsfunktion 19 verwendet. Mit der Spannungs-Übertragungsfunktion 13 wird eine vorläufige Ausgangsspannung auf der Grundlage des geschätzten Leistungsbedarfs 5 festgelegt. Mit der Strom-Übertragungsfunktion 14 wird ein maximaler Ausgangsstrom festgelegt. Und in ähnlicher Weise wird in der Übertragungsfunktion der Dynamikkompression 19 ein oberer Schwellenwert für die Kompressionsamplitude der Dynamikkompression 15 festgelegt. Jede dieser Übertragungsfunktionen 13, 14, 19 kann zum Beispiel auf individuellen Nachschlagetabellen bzw. Lookup-Tabellen oder mathematischen Funktionen basieren, so dass ein bestimmter Wert des geschätzten Leistungsbedarfs 5 in eine bestimmte Ausgabe jeder Übertragungsfunktion 13, 14, 19 übersetzt wird.
Auf Basis der Ausgabe der Spannungs-Übertragungsfunktion 13 und der Strom-Übertragungsfunktion 14 werden so Leistungsumwandlungseinstellungen 6 festgelegt, wobei die Leistungsumwandlungseinstellungen 6 eine Ausgangsspannungs-Darstellung 21 und eine maximale Ausgangsstrom-Darstellung 22 umfassen, die dem DC-DC-Wandler 7 mitgeteilt wird, um ihn zu regeln und zu steuern.
Die Ausgangsspannung und deren Darstellung 21 basiert auf der Ausgabe der Spannungs-Übertragungsfunktion 13, d.h. der vorläufigen Ausgangsspannung, und ferner auf der Spitzenerkennungsanalyse 23. In der Spitzenerkennungsanalyse 23 wird das Audioeingangssignal 2 analysiert, um das Vorhandensein einer Spitze bzw. eines Peaks mit einer Amplitude, die größer ist als ein Spitzenamplitudenschwellenwert, innerhalb des Analysezeitfensters zu erkennen. Die Spitzenerkennungsanalyse 23 liefert eine Ausgabe, die in einer Additionsoperation 24 zu der vorläufigen Ausgangsspannung hinzugefügt wird. Wenn eine Audiosignalspitze mit einer Amplitude, die größer ist als der Schwellenwert, erfasst wird, wird ein von der Spitzenerkennungsanalyse gelieferter Spitzenspannungsoffset zu der vorläufigen Ausgangsspannung hinzugefügt, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Liegt keine solche Spitze innerhalb des Analysezeitfensters vor, wird kein Spitzenspannungsoffset hinzugefügt, und die Ausgangsspannung ist gleich der vorläufigen Ausgangsspannung.
Die Leistungsumwandlungseinstellungen 6, d.h. die Ausgangsspannungs-Darstellung 21 und die maximale Ausgangsstrom-Darstellung 22, werden dem DC-DC-Wandler 7 zugeführt, um ihn zu steuern. In dieser Ausführungsform empfängt der DC-DC-Wandler eine Eingangsleistung 8, die von einer Batterie 16 bereitgestellt wird, aber es ist zu beachten, dass andere Stromquellen gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können. Der DC-DC-Wandler wandelt die Eingangsleistung 8 in eine Ausgangsleistung 9 um. Der DC-DC-Wandler 7 basiert z.B. auf einem Switch Mode-Aufwärtswandler, der die Spannung der Eingangsleistung 8 erhöht, um die Ausgangsleistung 9 zu erzeugen. Folglich ist der Strom der Ausgangsleistung 9 typischerweise entsprechend niedriger als der Strom der Eingangsleistung 8. Ein Switch Mode-Aufwärtswandler kann typischerweise durch Ändern der Dauer, in der ein Schalter geöffnet und/oder geschlossen ist, geregelt werden, z.B. durch Ändern einer Einschaltdauer.
Der DC-DC-Wandler 7 kann ferner Filter, z.B. aus Kondensatoren, enthalten, um Störungen, wie z.B. Spannungswelligkeiten, zu reduzieren. Der DC-DC-Wandler 7 kann ferner eine Stabilisierung umfassen, wie z.B. einen PID-Regler (proportional-integralderivative controller), der eine stabile Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers 7 gewährleistet.
Ein DC-DC-Wandler 7, wie z.B. ein Switch Mode-Aufwärtswandler, kann einen eingebauten Energiespeicher, z.B. einen Kondensator, aufweisen, der für den Betrieb des DC-DC-Wandlers 7 erforderlich ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der DC-DC-Wandler 7 ferner mit einem Energiespeicher 11 auf der Basis von Hilfskondensatoren 12 verbunden. Dieser Energiespeicher 11 kann verwendet werden, um Energie der Ausgangsleistung 9 zu speichern, wenn diese Ausgabe größer ist als der Leistungsbedarf des Audioverstärkers 1.
Der Audioverstärker 1 erhält Leistung vom DC-DC-Wandler 7 und dem Energiespeicher 11, um das verzögerte Audiosignal 4 in ein verstärktes Audiosignal 10 zu verstärken. Das verstärkte Audiosignal 10 wird einem Lautsprecherwandler 17 zugeführt, der das verstärkte Audiosignal 10 als Schalldruckwellen wiedergibt.
Aufgrund der Audiosignal-Verzögerungsfunktion 18, der Vorhersage eines geschätzten Leistungsbedarfs 5 und der Auswahl der Leistungsumwandlungseinstellungen 6 ist es möglich, den DC-DC-Wandler 7 mit optimalen Einstellungen in Bezug auf die Umwandlungseffizienz zu betreiben. Durch die Speicherung von Energie kann der Spitzenstrombedarf der Eingangsleistung 8 reduziert werden, was den Wirkungsgrad des Systems weiter erhöht und die Audioausgangsleistung steigert.
Die 3a-d zeigen die Audiosignalverarbeitung und Energiespeicherung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die vier Figuren zeigen jeweils eine beispielhafte Darstellung des Audioeingangssignals 2, des verzögerten Audiosignals 4, des geschätzten Leistungsbedarfs 5 und der gespeicherten Energie 26. In jeder Figur ist zum Vergleich eine Verzögerungsdauer 27 dargestellt. Die horizontale Richtung in jeder Figur ist eine Zeitachse, wobei der zeitliche Verlauf in der Richtung von links nach rechts erfolgt.
Die in den 3a-d dargestellten Kurven zeigen, wie die Signalverarbeitung und Energiespeicherung in einigen Ausführungsformen der Erfindung stattfindet. Zum Beispiel, wie Signalverarbeitung und Energiespeicherung zum Beispiel in der in 2 dargestellten Ausführungsform stattfinden kann.
3a zeigt ein beispielhaftes Audioeingangssignal 2 eines Audioverstärkersystems, z.B. als eine Einhüllende des Audioeingangssignals 2. Zu Beginn ist die Amplitude des Audioeingangssignals relativ gering und weist mehrere kleine Spitzen mit geringer Amplitude auf. Anschließend ist eine lokalisierte Audiosignalspitzenstruktur 29 vorhanden, gefolgt von Spitzen mit geringer Amplitude.
3b zeigt ein beispielhaftes verzögertes Audiosignal 4, wie z.B. eine Einhüllende eines verzögerten Audiosignals 4, basierend auf dem in 3a dargestellten Audioeingangssignal. Das verzögerte Audiosignal 4 ist entsprechend der Verzögerungsdauer 27, die zum Vergleich dargestellt ist, zeitlich verschoben. Als solches ist das verzögerte Audiosignal 4 dem Audioeingangssignal 2 im Wesentlichen ähnlich und weist daher eine ähnliche Audiosignalspitzenstruktur 29 auf, ist aber zeitlich verzögert.
3c zeigt einen beispielhaften geschätzten Leistungsbedarf 5 basierend auf dem Audioeingangssignal 2 mit ansteigendem geschätztem Leistungsbedarf in Richtung des vertikalen Pfeils in 3c. Jeder Punkt in der Leistungsbedarfskurve 5 wird auf der Grundlage einer Integration des Audioeingangssignals 2 in einem Analysezeitfenster erzeugt, das sich zeitlich rückwärts erstreckt und eine Ausdehnung hat, die mit der gezeigten Verzögerungsdauer 27 identisch ist. Folglich steigt mit zunehmender Amplitude des Audioeingangssignals 2 auch der geschätzte Leistungsbedarf 5, und wenn die Amplitude des Audioeingangssignals 2 abnimmt, tut dies auch der geschätzte Leistungsbedarf, aber mit einer Verzögerung, die der Verzögerungsdauer 27 entspricht. Folglich steigt der dargestellte geschätzte Leistungsbedarf 5 anfänglich relativ langsam an. Dann, zum Zeitpunkt der Audiosignalspitzenstruktur 29 des Audioeingangssignals 2, steigt der geschätzte Leistungsbedarf 5 deutlich an, gefolgt von einer Abnahme zum Zeitpunkt der Audiosignalspitzenstruktur 29 des verzögerten Audiosignals 4. Der sich ergebende geschätzte Leistungsbedarf 5 hat eine zylinderhutartige Form, deren Form durch die Dauer des Analysezeitfensters und die Audiosignalspitzenstruktur 29 bestimmt wird.
3d zeigt einen beispielhaften Verlauf der gespeicherten Energie 26 auf der Basis des verzögerten Audiosignals 4 und des geschätzten Leistungsbedarfs 5 mit gesteigerter gespeicherter Energie in Richtung des vertikalen Pfeils in 3d. Der geschätzte Leistungsbedarf 5 bestimmt die Ausgangsleistung 9 des DC-DC-Wandlers 7. Diese Ausgangsleistung wird einem Audioverstärker und einem Energiespeicher zugeführt. Der Audioverstärker empfängt das verzögerte Audiosignal und verbraucht entsprechend Leistung. Wenn der DC-DC-Verstärker mehr Leistung liefert als vom Audioverstärker verbraucht wird, wird die Energie im Energiespeicher gespeichert (siehe z.B. den Energiespeicher 11 in 2). Und wenn der Gleichspannungsverstärker weniger Leistung liefert als vom Audioverstärker verbraucht wird, wird der Audioverstärker zumindest teilweise mit der im Energiespeicher gespeicherten Energie versorgt. Somit erhöht die Amplitude des geschätzten Leistungsbedarfs 5 die gespeicherte Energie 26, während die Amplitude des verzögerten Audiosignals 4 die gespeicherte Energie 26 verringert. In 3d ist die gespeicherte Energie daher zunächst relativ flach. Wenn der Leistungsbedarf in der Nähe der Audiosignalspitzenstruktur 29 des Audioeingangssignals 2 ansteigt, beginnt auch die gespeicherte Energie 26 allmählich zuzunehmen. Während das verzögerte Audiosignal 4 eine kleine Amplitude aufweist, steigt die gespeicherte Energie 26 weiter an. Zum Zeitpunkt der Audiosignalspitzenstruktur 29 des verzögerten Audiosignals 4 nimmt die gespeicherte Energie 26 schnell ab. In dem hier gezeigten Beispiel benötigt der Audioverstärker mehr Energie, als der DC-DC-Wandler allein zur Verfügung stellt, und somit wird auch die gespeicherte Energie 26 verwendet. Es ist zu beachten, dass nach der Audiosignalspitzenstruktur 29 des verzögerten Audiosignals 4 die gespeicherte Energie wieder gering ist. Somit war die Schätzung des Leistungsbedarfs unter Berücksichtigung des tatsächlichen Leistungsbedarfs relativ genau und folglich wurde vor der Verstärkung der Audiosignalspitzenstruktur 29 eine ausreichende Menge an Energie gespeichert.
Die in den 3a-d veranschaulichten Kurven zeigen die Verzögerung eines Audioeingangssignals 4, die Berechnung eines geschätzten Leistungsbedarfs 5 und wie Energie 26 in einem Energiespeicher gemäß Ausführungsformen der Erfindung gespeichert und verteilt wird. Es ist zu beachten, dass die Kurven und ihre Formen illustrative Beispiele sind und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden sollen. Die Signalverarbeitung und die Energiespeicherung können daher im Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen angegeben, in vielfältiger Weise variiert werden.
Die 4a-b zeigen Darstellungen einer beispielhaften Spannungs-Übertragungsfunktion 13 und einer beispielhaften Strom-Übertragungsfunktion 14 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die in den 4a-b dargestellten Kurven 13, 14 zeigen an, wie die Signalverarbeitung in einigen Ausführungsformen der Erfindung stattfindet. Zum Beispiel, wie die Signalverarbeitung in der Ausführungsform der Erfindung wie in 2 dargestellt stattfinden kann.
Die horizontale Richtung in beiden Figuren entspricht einer Achse, die den geschätzten Eingangsleistungsbedarf darstellt, wobei der geschätzte Eingangsleistungsbedarf in Richtung des horizontalen Pfeils zunimmt. In 4a ist die vertikale Richtung eine Achse, die die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers mit zunehmender Ausgangsspannung in Richtung des vertikalen Pfeils darstellt, und in 4b ist die vertikale Richtung eine Achse, die einen maximalen Ausgangsstrom des DC-DC-Wandlers mit zunehmendem Ausgangsstrom in Richtung des vertikalen Pfeils darstellt.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung, wenn ein geschätzter Leistungsbedarf 5 berechnet wurde, umfasst die Auswahl der Leistungsumwandlungseinstellungen 6 die Auswahl einer Ausgangsspannung und/oder eines maximalen Ausgangsstroms durch eine Spannungs-Übertragungsfunktion 13 bzw. eine Strom-Übertragungsfunktion 14. Zum Beispiel kann ein geschätzter Leistungsbedarf 5 einem Punkt auf den vertikalen Achsen in den 4a-b entsprechen, woraufhin eine entsprechende Ausgangsspannung und ein entsprechender maximaler Ausgangsstrom ausgewählt wird.
Es ist zu beachten, dass in der dargestellten beispielhaften Spannungs-Übertragungsfunktion 13 und der beispielhaften Strom-Übertragungsfunktion 14 der 4a bzw. 4b die Formen der beiden Übertragungsfunktionen sich gegenseitig ergänzen, so dass eine Erhöhung des geschätzten Leistungsbedarfs immer zu einer Erhöhung von entweder der Ausgangsspannung oder des maximalen Ausgangsstroms führen wird. Die Formen der Übertragungsfunktionen 13, 14 stellen sicher, dass der DC-DC-Wandler in einem breiten Bereich von geschätztem Leistungsbedarf mit einem optimalen maximalen Strom betrieben wird. Außerdem stellen die Formen der Übertragungsfunktionen 13, 14 sicher, dass die Ausgangsspannung nie unter einem Mindestwert liegt.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung basieren die Übertragungsfunktionen 13, 14 auf Lookup-Tabellen. Gemäß einigen anderen Ausführungsformen der Erfindung basieren die Übertragungsfunktionen 13, 14 auf mathematischen Funktionen, z.B. auf abschnittsweise linearen Funktionen.
Es ist zu beachten, dass die Kurven der 4a-b und ihre Formen illustrative Beispiele sind und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden sollten. Die Signalverarbeitung kann daher im Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen angegeben, in vielfältiger Weise variiert werden.
5 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren umfasst acht Verfahrensschritte S1-S8.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird ein Audioeingangssignal in einem Audiosignalprozessor empfangen.
In einem nächsten Schritt S2 des Verfahrens wird das Audiosignal im Audiosignalprozessor verzögert, um ein verzögertes Audiosignal zu erzeugen.
In einem nächsten Schritt S3 des Verfahrens wird ein geschätzter Leistungsbedarf vorhergesagt. Diese Vorhersage wird im Audiosignalprozessor durchgeführt, indem das Audioeingangssignal analysiert wird, um den geschätzten Leistungsbedarf zu berechnen.
In einem nächsten Schritt S4 des Verfahrens werden Einstellungen der Leistungsumwandlung für einen DC-DC-Wandler vom Audiosignalprozessor basierend auf dem geschätzten Leistungsbedarf ausgewählt. Die Einstellungen der Leistungsumwandlung können z.B. für eine Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers indikativ sein.
In einem nächsten Schritt S5 des Verfahrens wird der DC-DC-Wandler mit der Eingangsleistung gespeist, d.h. der DC-DC-Wandler wird mit der Eingangsleistung betrieben.
In einem nächsten Schritt S6 des Verfahrens wird die Eingangsleistung in eine Ausgangsleistung gemäß den Leistungsumwandlungseinstellungen umgewandelt.
In einem nächsten Schritt S7 des Verfahrens wird ein Audioverstärker unter Verwendung der Ausgangsleistung betrieben.
In einem nächsten Schritt S8 des Verfahrens wird das verzögerte Audiosignal vom Audiosignalprozessor dem Audioverstärker zugeführt, um ein verstärktes Audiosignal zu erzeugen. Die Verstärkung basiert auf der Leistung der Ausgangsleistung.
Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Abfolge von Schritten beschränkt ist.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne Bezugnahme auf bestimmte Figuren dargestellt:
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren der Erfindung einen Schritt des Ladens eines Energiespeichers unter Verwendung der Ausgangsleistung, wobei der Energiespeicher gestaltet ist, um Energie der Ausgangsleistung zu speichern und Energie an den Audioverstärker zu verteilen, wobei der Schritt des Betreibens des Audioverstärkers die Verwendung von Leistung umfasst, die durch den Energiespeicher verteilt wird.
In typischen Ausführungsformen ist ein Energiespeicher so gestaltet, dass er überschüssige Leistung speichert, die der DC-DC-Wandler liefert und die nicht vom Audioverstärker verwendet wird, und in ähnlicher Weise versorgt der Energiespeicher den Audioverstärker mit Leistung, wenn der DC-DC-Wandler selbst nicht genügend Leistung liefert. Als solcher kann der Energiespeicher verwendet werden, um die Glättung des Strombedarfs zu erleichtern, was vorteilhaft ist, da es den Stromverbrauch reduzieren und die Audioausgangsleistung erhöhen kann.
In einigen Ausführungsformen ist der Energiespeicher in den DC-DC-Wandler integriert, z.B. durch Aufnahme eines oder mehrerer Kondensatoren in einen Switch Mode-Aufwärtswandler.
In einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Energiespeicherung auf einem oder mehreren Hilfskondensatoren, die dem DC-DC-Wandler zugeordnet sind.
Kondensatoren sind als Energiespeicher der Erfindung geeignet, da Kondensatoren eine schnell wechselnde Speicherung und Verteilung von elektrischer Energie erleichtern können, wie es für typische Ausführungsformen der Erfindung erforderlich ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Verzögerns des Audioeingangssignals das Verzögern des Audioeingangssignals um eine Verzögerungsdauer, wobei die Verzögerungsdauer im Bereich von 1 Millisekunde bis 100 Millisekunden, wie z.B. von 2 Millisekunden bis 50 Millisekunden, wie z.B. von 5 Millisekunden bis 20 Millisekunden, z.B. 10 Millisekunden, liegt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Vorhersagens des geschätzten Leistungsbedarfs das Analysieren des Audioeingangssignals innerhalb eines Analysezeitfensters, wobei das Verhältnis zwischen der Dauer des Analysezeitfensters und der Verzögerungsdauer im Bereich von 0,1 bis 10, wie z.B. von 0,2 bis 5, wie z.B. von 0,5 bis 2, z.B. 1, liegt.
In typischen Ausführungsformen der Erfindung sind die Verzögerungsdauer und die Dauer des Analysezeitfensters gleich, z.B. 10 Millisekunden oder 15 Millisekunden. Diese beiden Dauern sind aber nicht auf identische beschränkt und können beispielsweise 20 Millisekunden bzw. 30 Millisekunden betragen.
Die Dauer der Fenster sollte es ermöglichen, die Analyse durchzuführen und die Einstellungen für die Leistungsumwandlung für den DC-DC-Wandler zu implementieren.
Darüber hinaus können die Dauer der Zeitfenster auch die Speicherung von Energie ermöglichen. Zum Beispiel so, dass, wenn eine typische Audiospitze im Audioeingangssignal auftritt, genügend Energie in einem Energiespeicher innerhalb der Verzögerungsdauer gespeichert werden kann, um die Spitze zu verstärken, wenn sie den Audioverstärker durch das verzögerte Audiosignal erreicht.
In typischen Ausführungsformen wird das Analysezeitfenster kontinuierlich aktualisiert, so dass die Dauer zwischen zwei Aktualisierungen des Analysezeitfensters deutlich kürzer ist als die Dauer des Analysezeitfensters. In einer Ausführungsform beträgt die Dauer des Analysezeitfensters beispielsweise 5 Millisekunden, es wird jedoch alle 0,5 Millisekunden aktualisiert, z.B. so, dass alle 0,5 Millisekunden ein neuer geschätzter Leistungsbedarf berechnet wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt der Vorhersage des geschätzten Leistungsbedarfs die Verwendung einer Amplitude des Audioeingangssignals zur Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs.
Der Leistungsverbrauch eines Audioverstärkers hängt typischerweise von der Amplitude des zu verstärkenden Audiosignals ab. Dementsprechend ist es vorteilhaft, die Amplitude des Audiosignals bei der Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs zu berücksichtigen.
Eine Berechnung, die die Amplitude mit einbezieht, kann z.B. ferner die Berechnung eines absoluten Wertes der Amplitude, die Berechnung eines Wertes im Quadrat der Amplitude, das Auffinden eines Spitzenwertes der Amplitude, die Identifizierung von einem Audiosignal mit einer Amplitude oberhalb eines Amplitudenschwellenwertes usw. umfassen.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt der Vorhersage des geschätzten Leistungsbedarfs die Verwendung einer Verstärker-Übertragungsfunktion zur Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs, wobei die Verstärker-Übertragungsfunktion auf den Audioverstärker bezogen ist.
Der Leistungsverbrauch eines Audioverstärkers kann z.B. von der Frequenz des Audiosignals abhängen. Dementsprechend ist es vorteilhaft, die Eigenschaften des Audioverstärkers zu berücksichtigen, z.B. durch eine Verstärker-Übertragungsfunktion, die zur Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs verwendet wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Vorhersagens des geschätzten Leistungsbedarfs die Verwendung einer Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion zum Berechnen des geschätzten Leistungsbedarfs, wobei die Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion eine Impedanz eines Lautsprecherwandlers angibt, der das verstärkte Audiosignal empfängt.
Die Fähigkeit eines Lautsprecherwandlers, elektrische Leistung in akustische Leistung umzuwandeln, kann typischerweise frequenzabhängig sein. Dieser Umwandlungswirkungsgrad des Lautsprecherwandlers beeinflusst die vom Verstärker verwendete Leistung. Daher ist es vorteilhaft, bei der Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs eine Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion zu berücksichtigen.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt der Vorhersage des geschätzten Leistungsbedarfs das Integrieren einer Darstellung der Amplitude des Audioeingangssignals innerhalb des Analysezeitfensters, um den geschätzten Leistungsbedarf zu berechnen.
Die Durchführung einer Integration ist vorteilhaft, da dadurch die Form des Audioeingangssignals, z.B. die Breite einer Audiosignalspitze, berücksichtigt werden kann, was für ein genaues Betreiben des Audioverstärkers von Vorteil ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt der Vorhersage des geschätzten Leistungsbedarfs die Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs durch die Formel $P D E = \int T I T F \times I A S^{2} d x$
wobei PDE der geschätzte Leistungsbedarf ist, TITF die Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion ist, IAS das Audioeingangssignal ist und die Integration auf der Grundlage des Audioeingangssignals innerhalb des Analysezeitfensters durchgeführt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird der geschätzte Leistungsbedarf im Zeitraum berechnet, d.h. die Integrationsvariable dx ist indikativ für die Zeit. In einigen anderen Ausführungsformen der Erfindung wird der geschätzte Leistungsbedarf im Frequenzraum berechnet, d.h. die Integrationsvariable dx ist indikativ für die Frequenz. Beispielsweise wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf das Audioeingangssignal innerhalb eines Analysezeitfensters angewendet, und die Integration wird unter Verwendung dieser Frequenzdarstellung des Audiosignals durchgeführt, indem die FFT mit der Wandlerimpedanz multipliziert und die Gesamtleistung von allen Frequenzbins integriert wird.
Die Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs mit Hilfe der obigen Formel ist vorteilhaft, da das Quadrat des Audioeingangssignals für die tatsächlich benötigte Leistung für die Verstärkung indikativ ist. Außerdem wird die Systemimpedanz-Übertragungsfunktion berücksichtigt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Auswählens der Leistungsumwandlungseinstellungen das Ändern erster Einstellungen der Leistungsumwandlung in zweite Einstellungen der Leistungsumwandlung, wobei die ersten Leistungsumwandlungseinstellungen einer ersten Umwandlungseffizienz des DC-DC-Wandlers zugeordnet sind und die zweiten Leistungsumwandlungseinstellungen einer zweiten Umwandlungseffizienz des DC-DC-Wandlers zugeordnet sind, wobei die zweite Umwandlungseffizienz größer ist als die erste Umwandlungseffizienz.
Die Umwandlungseffizienz bzw. der Umwandlungswirkungsgrad kann als ein Leistungswirkungsgrad verstanden werden, mit dem der DC-DC-Wandler die Eingangsleistung in die Ausgangsleistung umwandelt.
Der Wechsel von den ersten Leistungsumwandlungseinstellungen zu den zweiten Leistungsumwandlungseinstellungen zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz von Eingangsleistung zu Ausgangsleistung ist vorteilhaft, da dies den Leistungsverbrauch des DC-DC-Wandlers verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Auswählens der Leistungsumwandlungseinstellungen das Auswählen einer Ausgangsspannung der Ausgangsleistung unter Verwendung einer Spannungs-Übertragungsfunktion, wobei die Spannungs-Übertragungsfunktion auf dem geschätzten Leistungsbedarf basiert.
Die Auswahl einer Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers ist vorteilhaft, da die Steuerung der Ausgangsspannung eine einfache Möglichkeit ist, den Leistungsverbrauch der DC-DC-Steuerung und die damit verbundene Speicherung von Energie für den Audioverstärker zu steuern. Eine Spannungs-Übertragungsfunktion, die die Schätzung des Leistungsbedarfs als Eingabe erhält, ist eine flexible und einfache Erleichterung für die Auswahl einer Ausgangsspannung.
In einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Spannungs-Übertragungsfunktion auf einer Spannungs-Lookup-Tabelle.
In einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Spannungs-Übertragungsfunktion auf einer mathematischen Funktion.
Eine Spannungs-Lookup-Tabelle ist eine flexible und einfache Art der Spannungs-Übertragungsfunktion, die leicht zu implementieren ist, z.B. in einem digitalen Signalprozessor. Eine erfindungsgemäße Spannungs-Lookup-Tabelle ist nicht auf eine bestimmte Form oder einen bestimmten Typ beschränkt und kann z.B. einer mathematischen Funktion, einer abschnittsweisen Funktion ähneln oder einen optimalen Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers widerspiegeln.
In einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Auswahl der Ausgangsspannung auf einer Spitzenamplitude des Audioeingangssignals.
Die Auswahl der Ausgangsspannung auf der Basis einer Spitzenamplitude des Audioeingangssignals kann in Kombination mit einem berechneten geschätzten Leistungsbedarf erfolgen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird zum Beispiel ein geschätzter Leistungsbedarf durch Integration des Audioeingangssignals innerhalb eines Analysezeitfensters berechnet, woraufhin eine vorläufige Ausgangsspannung festgelegt wird. Ferner wird eine Spitzenerkennungsanalyse durchgeführt, bei der das Audioeingangssignal analysiert wird, um das Vorhandensein von Audiospitzen mit einer Spitzenamplitude oberhalb eines Spitzenamplituden-Schwellenwertes innerhalb des Analysezeitfensters zu erfassen. Bei Erfassung einer solchen Spitze wird ein Spitzenspannungsoffset zur vorläufigen Ausgangsspannung hinzugefügt, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Wenn keine Audiospitzen eine Amplitude über dem Spitzenamplituden-Schwellenwert aufweisen, ist die vorläufige Ausgangsspannung die Ausgangsspannung. Dementsprechend ist das Verfahren dieser Ausführungsform in der Lage, Spitzen bzw. Peaks zu erkennen und die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers entsprechend zu ändern.
Die Auswahl der Ausgangsspannung auf Basis einer Spitzenamplitude des Audioeingangssignals, wie vorstehend beispielhaft dargestellt, ist vorteilhaft, da sie eine genauere und präzisere Auswahl der Ausgangsspannung ermöglicht, die sowohl einen hohen Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers als auch eine genaue Verstärkung des verzögerten Audiosignals gewährleistet.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Auswählens der Leistungsumwandlungseinstellungen das Auswählen eines maximalen Ausgangsstroms der Ausgangsleistung unter Verwendung einer Strom-Übertragungsfunktion, wobei die Strom-Übertragungsfunktion auf dem geschätzten Leistungsbedarf basiert.
Einige DC-DC-Wandler sind mit einem steuerbaren maximalen Ausgangsstrom ihrer Ausgangsleistung verbunden. Dieser maximale Ausgangsstrom kann z.B. mit der Leistungseffizienz der Leistungsumwandlung in Beziehung stehen. Daher ist es von Vorteil, den maximalen Ausgangsstrom aktiv zu wählen, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, während sichergestellt wird, dass genügend Strom für den Audioverstärker und/oder den Energiespeicher zur Verfügung steht. Eine Strom-Übertragungsfunktion, die die Schätzung des Leistungsbedarfs als Eingabe erhält, ist eine flexible und einfache Erleichterung für die Auswahl eines maximalen Ausgangsstroms.
In einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Strom-Übertragungsfunktion auf einer Strom-Lookup-Tabelle.
In einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Strom-Übertragungsfunktion auf einer mathematischen Funktion.
Eine Strom-Lookup-Tabelle ist eine flexible und einfache Art der Strom-Übertragungsfunktion, die leicht zu implementieren ist, z.B. in einem digitalen Signalprozessor. Eine erfindungsgemäße Strom-Lookup-Tabelle bzw. Stromnachschlagetabelle ist nicht auf eine bestimmte Form oder einen bestimmten Typ beschränkt und kann z.B. einer mathematischen Funktion, einer abschnittweisen Funktion ähneln oder einen optimalen Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers widerspiegeln.
Im Allgemeinen sollen eine Spannungs-Übertragungsfunktion und eine Strom-Übertragungsfunktion einzeln oder in Kombination gewährleisten, dass die vom DC-DC-Wandler gelieferte Ausgangsleistung ausreicht, um den Audioverstärker zu betreiben, z.B. in Kombination mit einem zugehörigen Energiespeicher.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren der Erfindung einen Schritt der Anwendung eines Entzerrungsfilters auf das Audioeingangssignal vor der Vorhersage des geschätzten Leistungsbedarfs.
Die Anwendung eines Entzerrungsfilters ist vorteilhaft, da es ermöglicht wird, das Audioeingangssignal an einen Frequenzgang eines Audioverstärkersystems anzupassen, z.B. um es an eine bestimmte Anwendung anzupassen. Das Entzerrungsfilter sollte bevorzugt vor der Vorhersage des geschätzten Leistungsbedarfs angewendet werden, da die Vorhersage auf dem gefilterten Audioeingangssignal beruhen sollte, um einen genauen und präzisen geschätzten Leistungsbedarf zu berechnen.
Das Entzerrungsfilter kann typischerweise auf der Verstärkung oder Abschwächung der Energie bestimmter Frequenzbereiche des Audioeingangssignals basieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren der Erfindung einen Schritt des Anwendens einer Dynamikkompression auf eines von dem Audioeingangssignal und dem verzögerten Audiosignal in dem Audiosignalprozessor, wobei die Dynamikkompression auf dem geschätzten Leistungsbedarf basiert.
Einige Ausführungsformen der Erfindung können eine begrenzte Kapazität zur Speicherung von Energie für den Audioverstärker oder einen begrenzten Audioverstärkungsbereich aufweisen. In einigen dieser Ausführungsformen reduziert beim Eintreffen eines längeren Audiosignals mit großer Amplitude eine Dynamikkompression des Audiosignals die Audioverzerrung, die sonst auftreten könnte, was vorteilhaft ist.
In Ausführungsformen der Erfindung kann die Dynamikkompression entweder auf das Audioeingangssignal oder das verzögerte Audiosignal angewendet werden.
Die Dynamikkompression (DRC) 15 kann z.B. durch eine Übertragungsfunktion, z.B. eine Lookup-Tabelle, implementiert werden.
Wenn die DRC 15 vor der Verzögerung implementiert wird und der Ausgang der DRC die Eingabe für die Leistungsschätzung ist, kann das System mit einer Leistungskompressions-Rückkopplungsschleife ausgelegt werden, die es dem System ermöglicht, die Ausgangsleistung auf einen festen Wert zu regeln. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass die DRC 15 zur Kompression des Ausgangs veranlasst wird, wenn die Systemleistungsvorhersage über einem bestimmten Pegel liegt, und es der DRC 15 nur dann ermöglicht wird, zu stoppen, wenn die Leistungsvorhersage unter einem bestimmten Pegel liegt. Dies kann auch weiter verbessert werden, indem ein vollständiger PID-Regler oder z.B. nur eine PI- oder PD-Regelung verwendet wird. Diese Regelungsfunktion zur Leistungsbegrenzung kann äußerst nützlich sein, um die höchstmögliche akustische Ausgabe für leistungsbegrenzte Systeme zu erreichen.
Es ist vorteilhaft, die Dynamikkompression auf den geschätzten Leistungsbedarf zu stützen, da der geschätzte Leistungsbedarf für die vom Audioverstärker benötigte Leistung indikativ ist, die wiederum indikativ dafür ist, ob genügend Leistung für den Audioverstärker verfügbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Verstärkerleistungsverbrauch des Audioverstärkers gemessen und die Leistungsumwandlungseinstellungen basieren auf dem Leistungsverbrauch des Verstärkers.
Wenn der tatsächliche Leistungsverbrauch des Audioverstärkers gemessen wird, z.B. durch Erfassen des Stroms und/oder der Spannung, die dem Audioverstärker zugeführt werden, ist es möglich, die Vorhersage der Auswahl der Einstellungen der Leistungsumwandlung zu verbessern. Die Auswahl der Einstellungen der Leistungsumwandlung kann z.B. auf Vorhersagekoeffizienten basieren, die in einer Spannungs-Übertragungsfunktion oder einer Strom-Übertragungsfunktion enthalten sind. Solche Vorhersagekoeffizienten können aktualisiert werden, z.B. regelmäßig, basierend auf einem gemessenen Leistungsverrauch des Verstärkers, um die Präzision und Genauigkeit zu optimieren, was von Vorteil ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Leistungsumwandlungseinstellungen indirekt auf den Leistungsverbrauch des Verstärkers basieren. Beispielsweise kann die Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs auf dem gemessenen Leistungsverbrauch des Verstärkers basieren und die Leistungsumwandlungseinstellungen auf dem geschätzten Leistungsbedarf basieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der DC-DC-Wandler ein Aufwärtswandler.
Unter einem Aufwärtswandler kann man einen DC-DC-Wandler verstehen, der eine Ausgangsspannung liefert, die größer ist als seine Eingangsspannung/Quellspannung, d.h. seine Eingangsgleichspannung ist kleiner als seine Ausgangsspannung. Dementsprechend ist der Strom des Ausgangs kleiner als der Strom des Eingangs.
Die Verwendung eines Aufwärtswandlers ist vorteilhaft, da in vielen Anwendungen der Spannungsbedarf im Vergleich zur Spannung einer Stromquelle ohne Aufwärtswandler, wie z.B. einem USB-Anschluss, groß ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der DC-DC-Wandler ein Switch Mode-Aufwärtswandler.
Die Verwendung eines Switch Mode-Aufwärtswandlers ist vorteilhaft, da ein Switch Mode-Aufwärtswandler einfach, effizient und steuerbar ist. Er kann typischerweise mindestens einen Transistor, der regelmäßig geschaltet wird, eine Diode und einen Induktor umfassen. Er kann auch einen Kondensator, z.B. zur Speicherung von Energie, enthalten. Er kann ferner ein oder mehrere Filter enthalten, z.B. Eingangs-/Ausgangsfilter, um Rauschen zu reduzieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der DC-DC-Wandler mit einem PID-Regler assoziiert.
So kann z.B. ein Switch Mode-Aufwärtswandler an einen PID-Regler angeschlossen und zumindest teilweise von diesem gesteuert werden, wodurch ein stabiler Leistungs-/Spannungs-/Stromausgang des Switch Mode-Aufwärtswandlers gewährleistet wird.
In einigen Ausführungsformen ist der PID-Regler in den DC-DC-Wandler integriert.
Die Stabilisierung des Ausgangs des DC-DC-Wandlers ist vorteilhaft, da sie eine korrekte Audioverstärkung gewährleistet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Audiosignalprozessor ein digitaler Signalprozessor.
Die Verwendung eines digitalen Signalprozessors ist vorteilhaft, da es eine einfachere Adaption des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Ein digitaler Signalprozessor kann typischerweise integrierte Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler aufweisen. Das Audioeingangssignal kann z.B. einem digitalen Signalprozessor über einen Analog-Digital-Wandler zugeführt werden, bevor das Audioeingangssignal verarbeitet wird. In ähnlicher Weise kann das verzögerte Audiosignal einem Digital-Analog-Wandler zugeführt werden, bevor es dem Audioverstärker zugeführt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungseingang durch eine Batterie bereitgestellt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungseingang über einen USB-Anschluss bereitgestellt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungseingang über einen Ethernet-Anschluss geliefert.
USB-Anschlüsse, Ethernet-Anschlüsse und strombegrenzte Batterien sind Beispiele für Leistungsquellen, die für die Erfindung besonders relevant sind, da die verfügbare Leistung begrenzt ist. Zusätzlich können die Leistungsbegrenzungen angepasst werden, um an den Zustand oder die Qualität der Leistungsquelle angepasst zu werden, z.B. wenn sich eine Batterie in einem niedrigen Ladezustand befindet, kann sich der Innenwiderstand erhöhen, und daher kann die Leistungsabgabe stärker begrenzt sein als wenn sie bei einem höheren Änderungszustand ist. Beispielsweise verfügen USB- oder Ethernet-Leistungsquellen über ein Leistungsverhandlungsprotokoll, das die Leistung je nach den Vermögen des Quellgeräts auf unterschiedliche Pegel beschränkt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren der Erfindung einen Schritt des Zuführens des verstärkten Audiosignals zu einem Lautsprecherwandler, der gestaltet ist, um das verstärkte Audiosignal als Schalldruckwellen wiederzugeben.
In Ausführungsformen der Erfindung ist das Audioverstärkersystem so gestaltet, dass es jedes der offenbarten Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführt. Dementsprechend kann das Audioverstärkersystem alle Elemente umfassen, die zur Durchführung eines der offenbarten Verfahren erforderlich sind.
Jedes erfindungsgemäße Audioverstärkersystem kann die gleichen Vorteile aufweisen wie erfindungsgemäße Verfahren.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Audioverstärkersystem einen Lautsprecherwandler, so dass das Audioverstärkersystem ein Lautsprechersystem ist, wobei das verstärkte Audiosignal dem Lautsprecherwandler zugeführt wird, um das verstärkte Audiosignal als Schalldruckwellen zu reproduzieren.
Jedes erfindungsgemäße Lautsprechersystem kann die gleichen Vorteile aufweisen wie erfindungsgemäße Verfahren.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Kombinationen verschiedener Verarbeitungsparameter und Systemelemente umfassen, wie z.B. Analysefunktionen, Verzögerungsdauer, Dauer des Analysezeitfensters und dessen zeitliche Abpassung im Vergleich zur Verzögerungsdauer, Übertragungsfunktionen, Kondensatoren, Stromquelle, DC-DC-Wandler usw. Bei verschiedenen Ausführungsformen können solche Systemelemente und Parameter zum Beispiel ausgewählt werden, um ein Audioverstärkersystem an eine bestimmte Verwendung anzupassen. Diese Auswahl kann z.B. von einem Fachmann auf dem Gebiet vorgenommen werden, um z.B. ein bestimmtes Niveau der Audioausgangsleistung, der Verzerrung, des Leistungsverbrauchs, der Verarbeitungsleistung, der Analysequalität, der Verzögerung usw. sicherzustellen. Somit können Implementierungen von Ausführungsformen der Erfindung in Abhängigkeit von der Anwendung des Audioverstärkersystems variiert werden.
Aus dem Vorstehenden ist nun klar, dass sich die Erfindung auf ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Audioverstärkers bezieht. Durch die Verzögerung eines Audioeingangssignals vor der Zuführung zu einem Audioverstärker ist es möglich, das Audioeingangssignal zu analysieren, um einen geschätzten Leistungsbedarf vorherzusagen. Auf Basis dieser Schätzung können die Leistungsumwandlungseinstellungen, z.B. Ausgangsspannung, eines DC-DC-Wandlers, der den Audioverstärker betreibt, ausgewählt werden. Überschüssige Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers kann in einem Energiespeicher gespeichert werden. Die Erfindung ermöglicht einen optimalen Betrieb des DC-DC-Wandlers und die Speicherung von Energie, was wiederum Widerstandsverluste reduziert und die Audioausgangsleistung erhöht.
Die Erfindung wurde vorstehend zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung mit Bezug auf spezielle Beispiele von Verfahren und Audioverstärkersystemen beispielhaft dargestellt. Details, wie z.B. ein bestimmtes Verfahren und Systemstrukturen, wurden zum Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass ausführliche Beschreibungen bekannter Systeme, Geräte, Schaltungen und Verfahren weggelassen wurden, um die Beschreibung der Erfindung nicht mit unnötigen Details zu verdecken. Es sollte verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen besonderen Beispiele beschränkt ist und ein Fachmann auf dem Gebiet die Erfindung auch in anderen Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details umsetzen kann. Als solche kann die Erfindung in einer Vielzahl von Varianten innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie in den Ansprüchen angegeben, gestaltet und geändert werden.
Bezugszeichenliste

1: Audioverstärker
2, 2': Audioeingangssignal
3: Audiosignalprozessor
4: Verzögertes Audiosignal, Audioausgangssignal
5: Schätzung des Leistungsbedarfs
6: Leistungsumwandlungseinstellungen, Steuerausgang für Leistungsumwandlung
7: DC-DC-Wandler
8: Leistungseingang
9: Leistungsausgang
10: Verstärktes Audiosignal
11: Energiespeicher
12: Hilfskondensatoren
13: Spannungs-Übertragungsfunktion
14: Strom-Übertragungsfunktion
15: Dynamikkompression
16: Batterie
17: Lautsprecherwandler
18: Audiosignal-Verzögerungsfunktion
19: Dynamikkompressions-Übertragungsfunktion
20: Audiosignal-Analysefunktion
21: Darstellung Ausgangsspannung
22: Darstellung maximaler Ausgangsstrom
23: Spitzenerkennungsanalyse
24: Additionsfunktion
25: Messung Verstärkerleistungsverbrauch
26: Gespeicherte Energie
27: Verzögerungsdauer
28: Entzerrrungsfilter
29: Audiosignalspitzenstruktur
30: Audioverstärkersystem
31: Lautsprechersystem
S1-S8: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2015/0349737 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1), das die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Audioeingangssignals (2) in einem Audiosignalprozessor (3); Verzögern des Audioeingangssignals (2) in dem Audiosignalprozessor (3), um ein verzögertes Audiosignal (4) zu erzeugen; Vorhersagen eines geschätzten Leistungsbedarfs (5) durch Analysieren des Audioeingangssignals (2), um den geschätzten Leistungsbedarf (5) in dem Audiosignalprozessor (3) zu berechnen; Auswählen von Leistungsumwandlungseinstellungen (6) für einen DC-DC-Wandler (7) durch den Audiosignalprozessor (3) auf Basis des geschätzten Leistungsbedarfs (5); Versorgen des DC-DC-Wandlers (7) mit Eingangsleistung (8); Umwandeln der Eingangsleistung (8) gemäß den Leistungsumwandlungseinstellungen (6), um eine Ausgangsleistung (9) bereitzustellen; Betreiben des Audioverstärkers (1) unter Verwendung der Ausgangsleistung (9); und Zuführen des verzögerten Audiosignals (4) zu dem Audioverstärker (1) von dem Audiosignalprozessor (3), um ein verstärktes Audiosignal (10) zu erzeugen.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren einen Schritt des Ladens eines Energiespeichers (11) unter Verwendung der Ausgangsleistung (9) umfasst, wobei der Energiespeicher (11) gestaltet ist, um Energie der Ausgangsleistung (9) zu speichern und Energie an den Audioverstärker (1) zu verteilen, wobei der Schritt des Betreibens des Audioverstärkers (1) die Verwendung von durch den Energiespeicher (11) verteilter Leistung umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach Anspruch 2, wobei der Energiespeicher (11) auf einem oder mehreren Hilfskondensatoren (12) basiert, die dem DC-DC-Wandler (7) zugeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Verzögerns des Audioeingangssignals (2) das Verzögern des Audioeingangssignals (2) um eine Verzögerungsdauer (27) umfasst, wobei die Verzögerungsdauer (27) im Bereich von 1 Millisekunde bis 100 Millisekunden, wie z.B. von 2 Millisekunden bis 50 Millisekunden, wie z.B. von 5 Millisekunden bis 20 Millisekunden, zum Beispiel 10 Millisekunden, liegt.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Vorhersagens des geschätzten Leistungsbedarfs (5) das Analysieren des Audioeingangssignals (2) innerhalb eines Analysezeitfensters umfasst, wobei das Verhältnis zwischen der Dauer des Analysezeitfensters und der Verzögerungsdauer (27) im Bereich von 0,1 bis 10, wie z.B. von 0,2 bis 5, wie z.B. von 0,5 bis 2, beispielsweise 1, liegt.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Vorhersagens des geschätzten Leistungsbedarfs (5) die Verwendung einer Amplitude des Audioeingangssignals (2) zur Berechnung des geschätzten Leistungsbedarfs (5) umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Vorhersagens des geschätzten Leistungsbedarfs (5) die Verwendung einer Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion umfasst, um den geschätzten Leistungsbedarf (5) zu berechnen, wobei die Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion für eine Impedanz eines Lautsprecherwandlers (17) indikativ ist, der das verstärkte Audiosignal (10) empfängt.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Vorhersagens des geschätzten Leistungsbedarfs (5) das Integrieren einer Darstellung der Amplitude des Audioeingangssignals (2) innerhalb des Analysezeitfensters umfasst, um den geschätzten Leistungsbedarf (5) zu berechnen.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Vorhersagens des geschätzten Leistungsbedarfs (5) das Berechnen des geschätzten Leistungsbedarfs (5) durch die Formel $P D E = \int T I T F \times I A S^{2} d x$
umfasst, wobei PDE der geschätzte Leistungsbedarf (5) ist, TITF die Wandlerimpedanz-Übertragungsfunktion ist, IAS das Audioeingangssignal (2) ist und die Integration auf Basis des Audioeingangssignals (2) innerhalb des Analysezeitfensters durchgeführt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Auswählens der Leistungsumwandlungseinstellungen (6) das Auswählen einer Ausgangsspannung der Ausgangsleistung (9) unter Verwendung einer Spannungs-Übertragungsfunktion (13) umfasst, wobei die Spannungs-Übertragungsfunktion (13) auf dem geschätzten Leistungsbedarf (5) basiert.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach Anspruch 10, wobei die Spannungs-Übertragungsfunktion (13) auf einer Spannungs-Lookup-Tabelle basiert.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auswählen der Ausgangsspannung auf einer Spitzenamplitude des Audioeingangssignals (2) basiert.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Auswählens der Leistungsumwandlungseinstellungen (6) das Auswählen eines maximalen Ausgangsstroms der Ausgangsleistung (9) unter Verwendung einer Strom-Übertragungsfunktion (14) umfasst, wobei die Strom-Übertragungsfunktion (14) auf dem geschätzten Leistungsbedarf (5) basiert.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach Anspruch 13, wobei die Strom-Übertragungsfunktion (14) auf einer Strom-Lookup-Tabelle basiert.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren einen Schritt des Anwendens einer Dynamikkompression (15) auf eines von dem Audioeingangssignal (2, 2') und dem verzögerten Audiosignal (4) in dem Audiosignalprozessor (3) umfasst, wobei die Dynamikkompression (15) auf dem geschätzten Leistungsbedarf (5) basiert.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verstärkerleistungsverbrauch des Audioverstärkers gemessen wird und wobei die Leistungsumwandlungseinstellungen (6) auf dem Verstärkerleistungsverbrauch basieren.
Verfahren zum Betreiben eines Audioverstärkers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der DC-DC-Wandler (7) ein Switch Mode-Aufwärtswandler ist.
Audioverstärkersystem (30), umfassend: einen Audiosignalprozessor (3), der gestaltet ist, um ein Audioeingangssignal (2, 2') zu empfangen und ein Audioausgangssignal (4) auf Basis des Audioeingangssignals (2, 2') zu liefern; einen DC-DC-Wandler (7), der mit einer Eingangsleistung (8) gespeist wird und gestaltet ist, um die Eingangsleistung (8) umzuwandeln, um einen Ausgangsleistung (9) bereitzustellen; und einen Audioverstärker (1), der mit der Ausgangsleistung (9) gespeist wird und gestaltet ist, um das Audioausgangssignal (4) zu verstärken, um ein verstärktes Audiosignal (10) zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass; der Audiosignalprozessor (3) umfasst: eine Audiosignal-Verzögerungsfunktion (18), die gestaltet ist, um das Audioausgangssignal (4) durch Verzögern des Audioeingangssignals (2, 2') zu erzeugen; und eine Audiosignal-Analysefunktion (20), die gestaltet ist, um einen geschätzten Leistungsbedarf (5) auf Basis der Amplitude des Audioeingangssignals (2, 2') zu berechnen, um einen Leistungsumwandlungs-Steuerausgang (6) basierend auf dem geschätzten Leistungsbedarf (5) auszugeben, wobei der DC-DC-Wandler (7) gestaltet ist, um den Leistungsumwandlungs-Steuerausgang (6) zu empfangen und die Eingangsleistung (8) gemäß dem Leistungsumwandlungs-Steuerausgang (6) umzuwandeln, um die Ausgangsleistung (9) bereitzustellen.
Audioverstärkersystem (30) nach Anspruch 18, wobei das Audioverstärkersystem (30) so gestaltet ist, dass es das Verfahren nach Anspruch 1 ausführt.
Lautsprechersystem (31), das Folgendes aufweist: einen Lautsprecherwandler (17); und ein Audioverstärkersystem (30) nach Anspruch 18 oder 19, wobei das verstärkte Audiosignal (10) dem Lautsprecherwandler (17) bereitgestellt wird, um das verstärkte Audiosignal (10) als Schalldruckwellen wiederzugeben.