KR102401900B1 - 라우드 스피커 보호 회로 및 방법들 - Google Patents

Abstract

본 출원은 라우드 스피커(102)의 열 보호를 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다. 제어기(106)는 라우드 스피커를 구동시키는 신호 처리 체인(101)의 이득을 변조하기 위한 제어 신호(G_mod)를 발생시키도록 구성된다. 제어기는, 제어 신호가 라우드 스피커의 보이스 코일 온도의 표시(T_VC); 라우드 스피커의 보이스 코일에서의 전력 소산의 표시(P_VC); 및 보이스 코일로부터의 열 흐름을 위한 열 저장기의 저장기 온도의 표시(T_res)의 각각의 함수로서 발생되도록 구성된다. 저장기 온도는 환경의 주위 온도, 또는 열 싱크로서 작용하는 라우드 스피커 또는 장치의 구성 요소의 온도일 수 있다.

Description

라우드 스피커 보호 회로 및 방법들

본 발명은 라우드 스피커(loudspeaker)를 보호하기 위한 방법들 및 장치, 특히 보이스 코일 과열을 방지하도록 라우드 스피커에 공급되는 구동 신호를 제어하기 위해 라우드 스피커의 주변 또는 자석 온도를 검출하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다.

다수의 상이한 제품들은, 하나 이상의 라우드 스피커, 및/또는 헤드셋과 같은 주변 장치의 하나 이상의 라우드 스피커를 구동하기 위한 연결들과 함께, 오디오 증폭기와 같은 오디오 회로를 포함한다. 몇몇의 경우들에서, 선택된 라우드 스피커(들)는, 최악의 환경 조건들, 예를 들어 최대 공급 전압, 최대 주위 온도(ambient temperature) 등에서도, 증폭기가 계속하여 라우드 스피커로 신호들을 구동(drive)할 수 있는 최대 전력 레벨을 핸들링하도록 충분히 견고하고 충분히 클 것이다. 그러나 충분히 견고한 라우드 스피커들을 갖는 것이 항상 경제적인 것은 아니며, 특히 휴대용 디바이스들의 경우, 요망 사항은 일반적으로 스피커를 가능한 작고 가볍게 만드는 것이다. 이는 어쩌면 오디오 구동 회로가 라우드 스피커에 과부하가 걸리게 하는 것으로 이어질 수 있다. 하나의 구체적인 문제점은 라우드 스피커의 열적 과부하이다.

일반적인 라우드 스피커는 자석에 대하여 지지된 보이스 코일에 의해 구동되는 다이어프램(diaphragm)을 포함한다. 사용시에, 일반적으로, 아날로그 오디오 구동 신호는 라우드 스피커를 구동하기 위해 보이스 코일에 인가된다. 오디오 신호의 높은 레벨들은 보이스 코일에서 높은 전류 레벨들을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 코일의 전기 저항과 연관된 저항손(ohmic loss)들 때문에 보이스 코일을 가열시킬 수 있다. 과도한 보이스 코일 온도는 신뢰성 문제점들을 일으킬 수 있는데, 예를 들어 메커니즘의 접착제(glue) 부착 구성 요소 부분들이 연화(soften)되거나 녹을(melt) 수 있고, 또는 영구 자석이 비자화될 수 있거나 코어의 강자성(ferro-magnetic) 특성들이 저하될 수 있다.

따라서, 보이스 코일에서 소산되는 최대 전력으로 인해 보이스 코일 온도가 일부 특정 안전 한계를 초과하지 않도록, 오디오 증폭기 회로는 라우드 스피커에 전달할 수 있는 출력 전력을 제한하기 위해 열 보호 제어 회로(thermal protection control circuitry)에 의해 제어될 수 있다.

그러나 보이스 코일에서 소산되도록 허용될 수 있는 최대 전력은 주위 온도에 의존할 것이다. 보이스 코일에서 발생된 열은 (연관된 열 저항들을 갖는) 다양한 열 경로를 통해 주변 환경 및 주위 온도에 존재할 환경에 흐를 것이다. 고온의 주위 온도에서는, 더 낮은 주위 온도에 비해 보이스 코일 온도가 최대 한계까지 상승하기 전에 더 적은 전력이 소산될 수 있다. 따라서, 출력 전력 한계는 최대 가능성 있는 또는 특정한 온도에 적합한 값으로 설정될 수 있다. 그러나 이것은 보다 평범하거나 심지어 비정상적으로 낮은 주위 온도로 작동할 때 출력 전력이 불필요하게 제한될 수 있음을 의미한다.

이것을 완화시키기 위해, 보이스 코일 온도가 감지될 수 있고, 측정된 코일 온도를 제어하기 위해 인가된 전력이 조정될 수 있다. 그러나, 제어 루프(control loop)의 이득(gain)은 전력 레벨의 갑작스러운 가청 변화들(audible changes)을 피하기 위해 낮게 설계되는 것이 바람직하다. 따라서 최대 전력은 주위 온도 변화들과 같은 다른 영향들에 여전히 어느 정도 의존하며, 실제로 허용 가능한 최대 전력보다 여전히 적을 수도 있다.

본 발명의 실시예들은 상기 언급된 단점들 중 적어도 일부를 적어도 완화시키는 스피커 보호를 위한 방법들 및 장치를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 라우드 스피커의 열 보호를 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은,

상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인의 이득을 변조(modulating)하기 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성된 제어기를 포함하고,

상기 제어기는 제어 신호가

라우드 스피커의 보이스 코일 온도의 표시;

라우드 스피커의 보이스 코일에서의 전력 소산(power dissipation)의 표시; 및

보이스 코일로부터의 열 흐름을 위한 열 저장기(thermal reservoir)의 저장기 온도의 표시

의 각각의 함수로서 발생되도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 제어기는 상기 저장기 온도의 표시에 기초한 보이스 코일 온도로 허용 전력 소산의 허용 전력 함수를 결정하도록 구성된 전력 제한 모듈을 포함한다. 제어기는 또한 보이스 코일 온도의 표시, 보이스 코일에서의 전력 소산의 표시, 및 허용 전력 함수에 기초하여 이득 설정을 결정하도록 구성된 이득 계산 모듈을 포함할 수 있다. 제어 신호는 이득 설정에 기초할 수 있다.

전력 제한 모듈은 보이스 코일의 최대 허용 온도에서의 허용 전력 소산이 상기 저장기 온도의 표시에 의존하도록 허용 전력 함수를 결정하도록 구성될 수 있다. 전력 제한 모듈은 최대 허용 온도에서의 허용 전력 소산이 관련된 저장기 온도에서의 보이스 코일의 실질적으로 정상 상태(steady state) 온도를 초래하는 전력 소산에 대응하도록 허용 전력 함수를 결정하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 전력 제한 모듈은 임계 온도(threshold temperature)와 상기 최대 허용 온도 사이의 보이스 코일 온도 범위에 대한 허용 전력 함수를 결정하도록 구성될 수 있다. 임계 온도와 상기 최대 허용 온도 사이의 허용 전력 함수는 S-형 곡선, 다항(polynomial) 곡선, 베지어(Bezier) 곡선, 또는 스플라인(spline) 곡선 중 적어도 하나에 대응할 수 있다.

전력 제한 모듈은 임계 온도 미만의 임의의 보이스 코일 온도에 대해 허용 전력에 대한 제한이 적용되지 않도록 허용 전력 함수를 결정하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 전력 제한 모듈은 임계 온도에서의 허용 전력 소산이 라우드 스피커의 보이스 코일에서의 전력 소산의 표시에 기초하도록 허용 전력 함수를 결정하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 이득 계산 모듈은 허용 전력 함수 및 보이스 코일에서의 전력 소산의 표시에 따라 결정된 허용 전력 소산에 기초하여 이득 설정을 결정하도록 구성될 수 있다. 이득 계산 모듈은 이득 제어 전달 함수에 따라 이득 설정을 결정하도록 구성될 수 있다. 이득 제어 전달 함수는 라우드 스피커의 보이스 코일에서의 제1 전력 소산 값에서의 제1 이득 설정으로부터 보이스 코일에서의 제2 전력 소산 값에서의 제2 이득 설정으로 이득 설정을 변경시킬 수 있으며, 여기에서 제1 이득 설정은 최대 이득 설정에 대응하고 제2 이득 설정은 더 낮은 이득 설정에 대응한다. 보이스 코일에서의 제2 전력 소산 값은 허용 전력 소산에 대응할 수 있고, 제2 이득 설정은 상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인에 대한 입력 신호가 최대 레벨에 있는 경우 허용 전력 소산과 실질적으로 동일한 전력 소산을 초래하는 이득 설정에 대응한다.

일부 실시예들에서, 시스템은 상기 보이스 코일의 전력 소산의 표시에 기초하여 저장기 온도의 표시를 결정하도록 구성된 추정(estimation) 모듈을 포함할 수 있다. 추정 모듈은 보이스 코일의 전력 소산의 표시, 및 보이스 코일과 열 저장기 사이의 열 경로의 열 임피던스 모델에 기초하여 추정 온도 상승치를 결정하도록 구성된 온도 상승 모듈; 및 보이스 코일 온도의 표시와 추정 온도 상승치에 기초하여 저장기 온도의 표시를 결정하도록 구성된 저장기 온도 추정 모듈을 포함할 수 있다.

추정 모듈은 상기 라우드 스피커의 보이스 코일에 인가되는 전압을 표시하는 제1 신호 및 상기 보이스 코일에 흐르는 전류를 표시하는 제2 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력을 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 신호들에 기초하여 상기 보이스 코일의 온도의 표시 및 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 표시를 결정하도록 구성된다; 적어도 상기 온도의 추정치는 상기 제1 및 제2 신호들에 기초하여 결정된 상기 보이스 코일의 저항의 추정치에 기초한다. 추정 모듈은 보이스 코일 저항의 추정치와 기지 온도(known temperature)에서의 기준 저항 값 간의 차이; 및 라우드 스피커 보이스 코일에 대한 온도 계수에 기초하여 상기 보이스 코일 저항의 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 추정 모듈은 상기 추정된 보이스 코일 저항 및 상기 보이스 코일에 흐르는 전류를 표시하는 제2 신호에 기초하여 전력 소산의 표시를 결정하도록 구성될 수 있다. 추정 모듈은 상기 추정된 보이스 코일 저항에 상기 보이스 코일에 흐르는 전류를 표시하는 제2 신호의 값의 제곱을 곱함으로써 전력 소산의 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 시스템은 상기 저장기 온도의 표시를 측정하도록 구성된 온도 센서를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 저장기 온도의 표시는 라우드 스피커에 대한 주위 온도의 표시일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장기 온도의 표시는 보이스 코일 이외의 라우드 스피커의 구성 요소의 온도의 표시일 수 있다. 이러한 구성 요소는 라우드 스피커의 자석일 수 있다.

이득 제어 모듈을 갖는 실시예들에서, 이득 제어 모듈은 제어 신호를 제공하기 위해 시간 영역 처리를 상기 이득 설정에 적용하도록 구성될 수 있다. 시간 영역 처리는 상기 제어 신호를 발생시키기 위해 어택(attack) 시상수 및 감쇠(decay) 시상수 중 적어도 하나를 상기 이득 제어 값에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 이득 제어 모듈은 어택 시상수 및 감쇠 시상수 중 적어도 하나가 보이스 코일 온도의 표시에 기초하여 변경가능하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어기는 입력 신호 내의 제로 크로싱(zero crossing)들과 동기화(synchronise)하도록 임의의 이득 변화들의 적용의 시간을 정하도록 구성된다. 부가적으로 또는 대안으로, 제어기는 적용된 이득 변화들의 최대 빈도(frequency)가 미리 결정된 한계 이하로 유지되도록 구성될 수 있다.

시스템은 입력 신호에 이득을 적용하기 위한 이득 요소(element)를 포함할 수 있다. 이득 요소는 제어기에 의해 제어될 수 있다. 제어기는 상기 제어 신호 및 적어도 하나의 다른 이득 설정에 기초하여 이득 요소의 이득을 제어할 수 있다. 적어도 하나의 다른 이득 설정은: 사용자 제어 볼륨 설정(user controlled volume setting); 편위 제한(excursion limiting)을 위한 이득 제어 설정 중 하나일 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어기는 라우드 스피커의 편위 제한을 위한 제2 이득 설정을 발생시키도록 구성된 편위 제한 모듈을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기는 신호 처리 체인에서 제1 이득 요소의 이득을 변조하기 위한 제어 신호를 발생시키고, 또한 제2 이득 설정에 기초하여 신호 처리 체인에서 제2 이득 요소의 이득을 더 변조하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 제어기는 제어 신호가 상기 제2 이득 설정에 더 기초하도록, 즉 제1 및 제2 이득 설정들 모두에 기초하도록 구성될 수 있다.

시스템은 상기 라우드 스피커를 구동하기 위한 신호 처리 체인을 포함할 수 있다. 시스템은 또한 라우드 스피커를 포함할 수도 있다.

실시예들은 또한 위의 변형 예들 중 임의의 것에 기술된 시스템을 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 장치는: 휴대용 디바이스; 배터리 전력 디바이스; 컴퓨팅 디바이스; 통신 디바이스; 게임 디바이스; 이동 전화; 개인용 미디어 플레이어; 랩탑, 태블릿 또는 노트북 컴퓨팅 디바이스 중 적어도 하나일 수 있다.

다른 양태에 있어서, 라우드 스피커의 보이스 코일에 대한 온도에 대비하여 전력 소산의 허용 전력 함수를 결정하기 위한 전력 제한 블록을 포함하는 라우드 스피커의 열 보호를 위한 시스템이 제공되며, 여기에서 전력 제한 블록은 보이스 코일에서 발생된 열에 대한 열 저장기의 온도의 표시를 수신하기 위한 입력을 갖고, 허용 전력 함수는 열 저장기의 상기 온도에 의존한다.

전력 제한 블록은 최대 온도에서의 허용 전력의 값이 열 저장기의 상기 온도에 의존하여 변하도록 구성될 수 있다. 열 저장기의 온도는 라우드 스피커에 대한 주위 온도일 수 있다.

추가의 양태에 있어서, 라우드 스피커에 대한 열 보호 시스템이 제공되며,

상기 시스템은,

상기 라우드 스피커의 보이스 코일에 인가되는 전압을 표시하는 제1 신호 및 상기 보이스 코일에 흐르는 전류를 표시하는 제2 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력;

온도 및 전력 추정 모듈 - 온도 및 전력 추정 모듈은,

상기 제1 및 제2 신호들에 기초하여 결정된 상기 보이스 코일의 저항의 추정치에 기초한 보이스 코일의 온도의 추정치;

상기 제1 신호, 제2 신호들, 및/또는 상기 보이스 코일의 저항의 상기 추정치에 기초한 보이스 코일에서의 전력 소산의 추정치; 및

보이스 코일의 상기 온도의 추정치와 열 스피커 모델 및 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 추정치에 기초한 코일 온도의 상승의 추정치의 비교에 기초한, 보이스 코일에서 생성된 열에 대한 열 저장기의 온도의 추정치

를 결정하도록 구성됨 - ; 및

상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인의 이득을 변조하기 위한 이득 제어 신호를 발생시키도록 구성된 이득 제어기 - 상기 이득 제어 신호는 상기 보이스 코일의 상기 온도의 추정치, 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 추정치, 및 열 저장기의 상기 온도의 추정치의 각각의 함수로서 발생함 -

를 포함한다.

또 다른 양태에서, 라우드 스피커의 보이스 코일의 열 보호를 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 상기 보이스 코일에 인가된 전압 및 상기 보이스 코일을 통해 흐르는 전류에 기초하여 상기 보이스 코일의 온도의 추정치, 보이스 코일에서의 전력 소산의 추정치, 및 보이스 코일에서 생성된 열에 대한 열 저장기의 온도의 추정치를 발생시키고, 상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인의 이득을 변조하기 위한 이득 제어 신호를 발생시키도록 구성된 모듈을 포함하며, 상기 이득 제어 신호는 상기 보이스 코일의 상기 온도의 추정치들, 보이스 코일에서의 전력 소산, 및 열 저장기의 온도에 기초한다.

양태들은 또한 라우드 스피커 보이스 코일 내에 구동 전압을 제공하기 위해 입력 신호에 인가된 이득을 제어하기 위한 이득 제어 신호를 제공하기 위한 라우드 스피커 보호 회로에 관한 것으로, 상기 라우드 스피커 보호 회로는:

보이스 코일 전류 및 구동 전압을 표시하는 신호들을 수신하고;

상기 표시 신호들로부터, 현재의 보이스 코일 온도의 추정치, 및 보이스 코일의 전력 소산의 추정치를 계산하고 - 적어도 상기 보이스 코일 온도의 추정치는 상기 표시 신호들로부터 결정된 현재의 보이스 코일 저항의 추정치에 기초함 - ;

상기 보이스 코일 온도 및 상기 전력 소산의 추정치, 및 열 스피커 모델로부터 열 저장기의 온도를 계산하고;

보이스 코일 온도의 추정치, 전력 소산의 추정치 및 열 기준 노드의 온도의 추정치 세 가지 모두의 함수로서 상기 이득 제어 신호를 발생시키고 출력해 내도록 구성된 제어기를 포함한다.

다른 양태에서, 낮은 임계 온도와 높은 임계 온도 사이의 보이스 코일 온도 범위에 대한 허용 전력 소산의 허용 전력 함수를 결정하기 위한 전력 제한 블록을 포함하는 라우드 스피커의 열 보호를 위한 시스템이 제공되며, 전력 제한 블록은 보이스 코일에서의 전력 소산의 표시를 수신하기 위한 입력을 가지며, 허용 전력 함수는 낮은 온도 임계치에서의 허용 전력 소산이 보이스 코일에서의 전력 소산의 표시에 실질적으로 대응하도록 결정된다.

이하에서는 발명의 실시예들이, 단지 예시로서, 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 발명의 실시예에 따라 라우드 스피커 보호 모듈을 갖는 오디오 장치를 예시한다.
도 2는 실시예에 따라 전력 및 온도 추출 블록을 예시한다.
도 3은 라우드 스피커의 전기 모델을 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 라우드 스피커의 예시적인 열 모델들을 예시한다.
도 5는 실시예에 따라 이득 제어기를 예시한다.
도 6은 허용 전력이 주어진 저장기 온도에 대한 보이스 코일 온도로 어떻게 제어될 수 있는지의 일례를 예시한다.
도 7은 허용 전력이 주어진 저장기 온도에 대한 보이스 코일 온도로 어떻게 제어될 수 있는지의 또 다른 예를 예시하고 또한 정상 상태 전력 소산이 저장기 온도에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸다.
도 8은 상이한 저장기 온도들에서 적용될 수 있는 허용 전력 곡선들의 패밀리를 예시한다.
도 9는 임계 온도에 도달될 때, 현재의 전력 소산에 기초하여 허용 전력 곡선이 어떻게 유도될 수 있는지를 예시한다.
도 10a 내지 도 10e는 허용 전력 및 현재의 전력 소산의 표시에 기초하여 이득이 어떻게 제어될 수 있는지의 예들을 예시한다.
도 11a 및 도 11b는 발명의 실시예들에 따른 방법들의 흐름도를 예시한다.
도 12는 열 제한기(limiter)의 다른 실시예를 포함하는 스피커 구동기(driver) 회로를 예시한다.
도 13은 열 제한을 위한 라우드 스피커 보호 모듈을 갖는 장치를 예시한다.

도 1은 발명의 실시예에 따른 오디오 구동기 증폭기 회로(100)의 실시예를 예시한다. 신호 처리 체인(101)은 입력 단자에서 디지털 입력 오디오 신호 D_in을 수신하여 이것을 처리하고, 결국 라우드 스피커(102)를 구동하기 위한 신호를 제공한다. 입력 단자는 다른 회로에 연결하기 위한 본드 패드(bond pad) 등과 같은 회로 접점(circuit contact)일 수 있고, 또는 단순히 신호 처리 체인에 대한 입력을 나타내는 신호 경로의 노드일 수 있다. 의심의 여지를 피하기 위해, 본 명세서에서 사용되는 "입력 단자(input terminal)"라는 문구는 입력 노드를 포함하고, 어떠한 특정한 물리적 특성들도 "단자"라는 단어에 의해 함축되지 않는다.

신호 처리 체인(101)은 신호 경로에서 증배기(multiplier) 또는 디지털 이득 스테이지(103)를 포함하고, 디지털 필터링 또는 다른 디지털 신호 처리, 디지털-아날로그 변환기들, 및/또는 적어도 하나의 클래스 D, 클래스 AB 또는 클래스 G 또는 클래스 H 전력 증폭기 스테이지 및 관련 변조 회로와 같은 요소들을 또한 포함할 수 있다. 증배기 또는 이득 스테이지(103)는 이득 G_mod를 신호에 적용할 수 있다. 신호 처리 체인은 G_mod에 비례하여 입력 신호 D_in으로부터 라우드 스피커로 드라이브(drive)되는 전압 신호 V_spka까지 전체 이득을 가질 수 있도록 신호 경로에서 추가 이득 G_xx를 적용할 수 있다.

디지털 처리 회로는 적어도 일부 주문 설계된 논리 회로를 포함할 수 있고, 및/또는 적절한 코드를 실행하는 범용 프로세서를 포함할 수 있음에 주의해야 한다. 라우드 스피커는 외부에서 접지되고 단일 출력 단자로부터 구동될 수 있고, 또는 라우드 스피커 단자들은 모두 신호 처리 체인에 연결될 수 있는데, 예를 들어, 예시된 바와 같이 양 단자들이 풀-브리지 출력 스테이지로부터 구동되거나 접지 리턴 전류가 구동기 회로를 통과할 수 있다.

신호 처리 체인(101)은 또한 라우드 스피커의 보이스 코일을 통해 실제로 흐르는 전류 I_spka를 감지하기 위한 회로를 포함한다. 이 전류 I_spka는, 예를 들어, 전력 공급장치(power supply) 또는 접지 리턴 리드(lead)에서 감지되거나, 부하와 직렬로 모니터링되거나, 또는 증폭기 출력 요소들을 지나는 전류 또는 그 양단의 전압을 감지하여 모니터링될 수 있다.

이 실시예에서, 신호 처리 체인 내의 회로는, 실제 보이스 코일 구동 전압 V_spka 및 실제 보이스 코일 전류 I_spka를 각각 표시하는 표시 신호들 V_spk 및 I_spk를 라우드 스피커 보호 제어 모듈(104)에 제공한다. 라우드 스피커 보호 제어 모듈(104)은 이러한 표시 신호들 V_spk 및 I_spk를 수신하고, 라우드 스피커에 인가되는 신호를 안전한 레벨로 변조하기 위해서 신호 처리 체인의 이득을 변조, 즉 감소 또는 증가시키도록 디지털 이득 스테이지(103)를 제어하기 위해 적절한 이득 제어 신호 G_mod를 유도한다. 표시 전압 및 전류 신호들 V_spk 및 I_spk가 라우드 스피커의 열적 과부하의 위험이 있음을 암시할 때, 입력 신호 D_in에 인가된 이득은 라우드 스피커에 인가되는 신호를 감소시키도록 변조된다.

라우드 스피커 보호 제어 모듈(104)은 보이스 코일의 현재의 전력 소산의 추정치 P_VC 및 보이스 코일 온도의 추정치 T_VC를 결정하도록, 예를 들어 계산하도록 되어 있는 전력 및 온도 추정 모듈(105)을 포함한다. 보이스 코일 온도의 추정치 T_VC는 (소정의 알려진 함수 Re(T_VC)에 따라 온도 의존적인) 보이스 코일의 등가 저항 Re의 결정에 기초할 수 있다.

이 실시예에서, 전력 및 온도 추정 모듈(105)은 또한 보이스 코일과 열 교환하는 열 저장기의 온도의 추정치 T_res를 결정하도록, 예를 들어 계산하도록 되어 있다. 열 저장기의 온도의 추정치 T_res는 보이스 코일에서의 전력 소산에 의해 발생된 열에 대한 열 저장기, 예를 들어 열 싱크(heat sink)에 또는 그 근처에 위치하는 기준 노드의 온도의 표시이다. 상술한 바와 같이, 보이스 코일에서 발생된 열은 다양한 열 경로들을 통해 주변 환경으로 흐를 수 있다. 따라서, 주변 환경은 보이스 코일에서 발생된 열에 대한 열 싱크 또는 열 저장기로 작용하며, 따라서 추정치 T_res는 로컬 환경의 주위 온도의 추정치일 수 있다. 그러나, 사용 시에 열 저장기나 열 싱크로서 기능할 수 있는, 예를 들어 무거운 자석과 같은 라우드 스피커의 다른 구성 요소들이 있을 수 있으며, 이 경우에, 추정치 T_res는 이러한 구성 요소의 온도, 예를 들어 자석 온도의 추정치일 수 있다. 본질적으로, 추정치 T_res는 보이스 코일로부터 환경 또는 열 저장기로 작용하는 구성 요소로 열을 전도시키기 위한 열 흐름 경로의 끝에서의 온도의 추정치이다. 추정된 열 저장기 온도 T_res는 측정된 코일 온도 T_VC와, 추정된 코일 전력 소산 P_VC 및 열 임피던스 모델 Z_th에 기초한 코일 온도 상승치 ΔT_VC의 추정치의 비교로부터 추론될 수 있다.

따라서, 아래에서 보다 상세히 설명되는 것처럼, T_VC, T_res 및 P_VC 모두는 모니터링된 전압 및 전류 신호들 V_spk 및 I_spk로부터 직접적으로 또는 간접적으로 계산될 수 있다.

라우드 스피커 보호 제어 모듈(104)은 보이스 코일 전력 소산 추정치 P_VC 및 보이스 코일 온도 추정치 T_VC와 추정된 열 저장기 온도 T_res 모두의 함수에 기초하여, 즉 이들의 함수로서 이득 제어 신호 G_mod를 발생시키는 제어기(106)를 더 포함한다.

일반적으로, 제어기(106)는 보이스 코일의 온도 및 열 저장기 온도, 예를 들어 주위 온도뿐만 아니라, 보이스 코일에서의 전력 소산과 관련된 정보를 수신하고, 이 정보에 기초하여, 적용될 임의의 이득 변조를 결정한다. 스피커 열 보호를 위해, 필요한 경우, 적용된 이득 변조는 전력 소산을 줄이기 위해 구동 신호의 크기를 줄일 것이다. 따라서, 일반적으로 이득 변조는 전체 이득을 감소시키는 변조일 수 있다. 따라서, 전력 소산이 비교적 높고 보이스 코일 온도가 또한 비교적 높으면, 전력 소산의 레벨을 감소시키기 위해 입력 신호에 인가되는 이득을 감소시키기 위해 이득 변조가 적용될 수 있다. 전력 소산이 감소하거나 및/또는 보이스 코일 온도가 감소하면, 이 적용된 이득 변조는 구동 신호의 크기가 증가하는 것을 허용하도록 적어도 부분적으로 제거될 수 있다.

아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 제어기(106)는 보이스 코일 온도의 표시 및 저장기 온도의 표시, 예를 들어 주위 온도에 기초하여 허용 전력 한계를 결정하도록 구성될 수 있다. 그 후에, 제어기(106)는 라우드 스피커에서의 전력 소산의 표시 및 허용 전력 한계의 함수로서 구동 신호 전압에 인가된 이득을 변조하기 위하여, 이득 제어 신호의 값을 결정할 수 있다. 따라서 전력 소산의 추정 값이 허용 전력 한계에 가까울수록 더 큰 이득 변조가 적용될 수 있으며, 이 전력 한계는 저장기 온도가 증가하면 감소할 수 있다. 추정 모듈(105) 및 제어기(106)는 함께 라우드 스피커 보호 제어 모듈(104)을 구성한다.

도 2는 적절한 추정 모듈, 즉 전력 및 온도 추출 모듈(105)의 일 실시예를 예시한다.

실제 보이스 코일 전류 I_spka는 해당 기술 분야에 공지된 적절한 전류 센서에 의해 모니터링될 수 있고, 코일 전류를 표시하는 신호 I_spk를 유도하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전류 센서로부터의 아날로그 출력은 가능한 소정의 전 처리(pre-processing), 예를 들어 아날로그 필터링, 증폭(amplification) 등의 후에 아날로그-디지털 변환기(ADC)(201)에 의해 디지털 전류 신호 I_spk로 변환될 수 있다. 디지털 전류 신호 I_spk는 임피던스 추출 블록(202)에 제공된다.

임피던스 추출 블록(202)은 또한 라우드 스피커에 인가된 전압의 표시를 수신하며, 즉, 구동 전압이 모니터링된다. 이 실시예에서, 신호 처리 체인(101)의 적당한 포인트로부터, 예를 들어 신호 처리 체인의 디지털-아날로그 변환기(DAC)(203)로의 입력으로부터 유도된 디지털 신호 D_SP는 구동 신호의 전압의 표시 V_spk로서 제공될 수 있다. 즉, 구동 전압을 모니터링하는 것은 구동 신호 V_spka를 발생시키는 데 사용되는 디지털 신호를 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 도 2에 예시된 바와 같이, 구동 신호 V_spka를 직접 또는 ADC(204)를 통해 모니터링하는 것이 대안으로 가능할 것이다. 이득 제어 신호의 값의 표시 G_mod과 함께, 그리고 이 신호 경로에 적용된 이러한 및 임의의 다른 고정 또는 가변 이득 G_xx를 참작하여, 입력 신호 D_in 자체, 즉 신호 처리 체인으로의 입력을 사용하는 것 또한 가능할 것이다.

원하는 경우, V_spk 및 I_spk의 파형들을 수신하는 적응형 필터(adaptive filter)의 적응 계수들을 포함하는 것들처럼 더 정교한 공지된 기술들이 사용될 수 있긴 하지만, 임피던스 추출 블록(105)은, 예를 들어

의 관계에 기초하여, 보이스 코일의 현재의 저항 Re의 추정치를 결정한다. 도 3은 라우드 스피커 보이스 코일의 전기 모델을 예시한다. 전압 V_spka가 보이스 코일에 인가되면, 전류 I_spka가 흐른다.

로 정의된, 관찰된 보이스 코일 임피던스는 소정의 인덕턴스 Le를 포함하지만, 오디오 주파수들에서 코일 권선(coil winding)의 옴 저항 Re가 우세할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 저항 Re의 추정된 값은 온도 추정 블록(205)에 의해 보이스 코일의 온도 T_VC를 결정하는 데 사용될 수 있다. 보이스 코일의 저항은 초기 교정(calibration) 단계로부터 알게 되거나 또는 사용된 라우드 스피커의 유형에 기초하여 추정될 수 있는 온도 계수를 가질 것이다. 온도 계수는 일반적으로 약 4000ppm/K 정도일 수 있다. 소정의 기준 값 R_enom에 대한 추정된 저항의 변화는 보이스 코일의 추정 온도를 결정하는 데 사용될 수 있다.

기준 코일 저항 값 R_enom은 예를 들어 저장된 공칭(nominal) 또는 테스트 교정 값일 수 있거나, 예를 들어 시작 시에, 자체 교정 루틴(self-calibration routine)에서 취득될 수 있다. 이러한 교정은 순수하게 단일 공칭 온도에서의 전기 측정일 뿐이므로, 열 임피던스 측정들에 요구되는 열시간 상수들(thermal time constants)의 서열의 오랜 측정 시간들을 요구하지 않는다는 점에 주의해야 한다. 교정 값이 (예를 들어 완전한 호스트 디바이스, 또는 라우드 스피커 및 연관된 회로를 포함하는 플렉스(flex) 회로만의) 생성 테스트에서 얻어진다면, 이 기준 값이 교정되는 곳의 주위 온도는 잘 제어되고 알려질 수 있다.

보이스 코일 저항의 추정치는 또한 보이스 코일의 전력 소산의 추정치 P_VC를 유도하는 전력 계산 블록(206)으로 전달된다.

이 실시예에서, 전력 계산 블록(206)은 관계

에 기초하여 스피커 전류의 디지털 표현 I_spk 및 결정된 저항을 사용하여 소산된 전력을 결정한다. 전력 계산 블록은 복수의 오디오 사이클, 예컨대 수십 밀리 초 내지 수백 밀리 초에 걸쳐 전력을 계산할 수 있다.

보이스 코일에서 소산되는 전력은 코일 온도에서 상승치 ΔT_VC를 야기할 수 있다. 이 온도 상승은 열 에너지를 흡수할 수 있는 소정의 열 저장기로의 경로의 열 저항 R_th에 의존할 것이다. 이 저장기는 소정의 열 싱크 구성 요소이거나, 또는 코일 자석과 같은 상대적으로 엄청나게 큰 구성 요소일 수 있으며, 또는 보다 일반적으로는 단순히 소정의 주위 온도의 로컬 환경일 수 있다. 열 저장기는 저장기 온도 T_res에 있게 될 것이다.

보이스 코일부터 저장기까지 열 저항의 값 R_th를 사용하여, 저장기 온도, 예를 들어 주위 온도를 넘는 보이스 코일의 예상 온도 상승치 ΔT_VC는

일 것이다.

보이스 코일의 온도는 다음과 같이 주어질 것이다:

(1)

저장기, 예를 들어 주위로의 열 경로는 일반적으로 약간의 열 질량(thermal mass)들을 포함할 것이며, 경로는 단지 단순한 열 저항이 아닌 복잡한 열 임피던스 Z_th로 특성화될 수 있음에 주의해야 한다. 도 4a는 보이스 코일과 열 저장기 사이의 열 흐름에 대한 라우드 스피커의 열 모델을 예시하며, 여기에서 이 모델은 주위 온도 T_amb에서의 주변 환경이다. 기준 온도 값 T_ref, 예를 들어 300K보다 높은의 온도 T_VC에서 보이스 코일의 열 질량은 열 용량 C_thvc에 의해 모델링된다. 저장기 온도가 관심있는 타임스케일(timescales)에 걸쳐 크게 변하지 않는다고 가정하면, Tref 노드는 모델을 단순화하기 위해 T_amb 노드로 알맞게 분류될 수 있다.

앞에서 언급된 바와 같이, 옴 전력 소산들은 보이스 코일의 가열을 초래할 수 있고, 따라서 보이스 코일 온도 T_VC의 증가를 초래할 수 있다. 전력(열 전류로 모델링 됨)은 열 저항 R_thvcm을 통해 열 용량 C_thm으로 표현되는 열 관성을 갖는 인접한 자석으로 흐르고, 그 후에 열 저항 R_thma를 더 경유하여, 독립적으로 정의되는 주위 온도 T_amb인 것으로 가정되는 외계(outside world)로 흐른다. 이것은 상대적으로 단순한 모델이고, 만약 필요하다면, 예를 들어 라우드 스피커의 다른 구성 요소들 및/또는 자석과 같은 구성 요소들 내의 온도 기울기(gradient)들을 포함하는, 보다 복잡한 모델들이 개발될 수 있음을 이해할 것이다. 도 4b에 예시된 대안 모델이 편의상 또한 사용될 수도 있다. 라우드 스피커의, 또는 열 저장기로 작용할 수 있는 라우드 스피커를 호스팅하는 디바이스의 다른 구성 요소들로의 흐름을 위해 다른 모델들이 개발될 수 있음을 이해할 것이다.

인가된 신호의 전력이 변화함에 따라, 온도 상승도 그러할 것이지만, 아마도 수백 밀리 초의 시간 지연(time lag)과 시간-평균 시상수(time-averaging time constant)가 있을 것이다. 그러나, 열 임피던스 모델 Z_th가 코일 열 거동(behaviour)을 정확하게 반영한다고 가정하면, 보이스 코일의 실제 온도 상승치는 정확히 동일한 과도 거동(transient behaviour)을 가질 것이므로, 이들 사이의 차이는 일정하게, 그리고 저장기 온도, 즉 이 모델에서는 주위 온도와 동일하게 유지될 것이다. 본질적으로 주위 온도는 열 등가 회로에 대한 접지 기준 전압으로 작용한다.

따라서 도 3을 다시 참조하면, 온도 상승치 ΔT_VC는 결정된 전력 소산 P_VC 및 열 저장기로의 열 임피던스 Z_th의 모델에 기초하여 온도 상승 블록(207)에 의해 계산된다. 그 다음에, 계산된 온도 상승치 ΔT_VC 및 추정 코일 저항으로부터 유도된 보이스 코일 온도 T_VC는, 예를 들어 저장기 온도 추정 블록(208)에 의해, 저장기 온도에 대한 추정치 T_res를 제공하기 위해 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, T_res는 간단한 감산, 즉:

(2)

을 통해 유도될 수 있다.

다른 실시예들에서 보다 복잡한 유도, 예를 들어 반복 솔루션(iterative solution)이 수행될 수 있다. 예를 들어, 입력 전력 P_VC 및 추정 저장기 온도 T_res에 기초한 보이스 코일의 온도의 현재 추정치 T_VCest는:

(3)

와 같이 정의될 수 있다.

여기에서,

는, 예를 들어 도 4a에 도시된, 관련 열 회로의 이산 시간 모델(discrete time model)이다. 저장기 온도의 다음 추정치는:

(4)

에 의해 주어질 수 있다.

여기에서, T_VC는 측정된 보이스 코일 온도, 즉 전기 저항으로부터 추론된 보이스 코일 온도이다. 예를 들어,

의 연속 시간 전달 함수(continuous time transfer function)는:

(5)

와 같이 정의될 수 있다.

이산 시간 전달 함수는 잘 확립된 기술들을 사용하여 방정식 (5)로부터 정의될 수 있다.

방정식 (5)는 주위 온도인 저장기 온도에 기초한다. 이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 열 저장기는 상대적으로 높은 열 용량을 갖는 자석 또는 소정의 다른 라우드 스피커 구성 요소로서 식별될 수 있다. 그것의 상대적으로 높은 열 질량 때문에, 자석 온도는 단지 천천히 변하므로 자석 온도는 로컬 주위 온도로 볼 수 있다. 저장기 온도로서 자석 온도를 사용하는 것은 이하에서 설명되는 바와 같이 허용 전력 한계가 설정되도록 여전히 허용하며, 특히 반복 접근법(iterative approach)이 사용되는 경우에 계산들, 예를 들어 추정 저장기 온도의 계산을 단순화할 수 있고 모델링 에러들에 보다 더 견고한 간단한 열 모델이 사용될 수 있다는 이점을 가진다. 예를 들어, 방정식 (5)를 참조하여 상술한 모델은:

(6)

와 같이 단순화될 수 있다.

그 다음, 온도 및 전력 소산의 추정 값들은 제어기(106)로 전달된다. 도 5는 적절한 제어기의 일례를 예시한다. 코일 저항 및 저장기 온도 T_res로부터 추론된 보이스 코일 온도 값 T_VC는 현재의 보이스 코일 온도에 기초하여 허용되는 최대 단기 또는 순간 전력 소산 레벨 P_all을 결정하는 전력 제한 블록(501)에 의해 수신된다. 이 최대 허용 전력 값 P_all은 원하는 제1 전달 함수 f_p(T_res, T_VC)에 의해 결정될 것이며, 함수의 형태는 특정 구현예에 따라 변할 수 있지만 일반적으로 온도가 증가함에 따라 감소하여, 특정 보이스 코일 온도 한계 T_max에서 레벨 0으로 또는 0에 가까운 레벨로 감소할 것이다. 일반적으로, 보이스 코일 온도 T_VC와 허용 전력 P_all 사이의 전달 함수 f_p(T_VC)는 저장기 온도에 기초하여 선택될 것이다.

이득 계산 블록(502)은 허용된 단기 전력 레벨 P_all의 표시 및 전력 소산 P_VC의 현재의 레벨의 추정치를 수신한다. 이득 계산 블록은 소산되는 순간 전력을 P_all보다 크지 않은 레벨에 유지하는 것을 목표로 하여, 추정된 현재의 전력 소산에 의존하여, 입력 신호에 인가될 이득 제어 값, 예를 들어 목표 이득 G_tgt을 결정한다.

일부 실시예들에서, 목표 이득 신호 G_tgt는 이득 제어 신호로서 직접 사용될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 이득 제어 블록(503)은, 예를 들어 이득 변화들에 의해 야기되는 임의의 오디오 아티팩트들(artefacts)을 감소시키기 위해, 목표 이득 신호에 대해 소정의 시간 영역 처리(time-domain processing)를 적용할 수 있다. 예를 들어, 이득 변화들은 신호의 0이 아닌 부분에 적용되는 이득 변화들에 의해 도입되는 단계들을 피하기 위해 입력 신호가 0을 크로싱할 때만 오직 적용될 수 있다. 따라서, 이득 제어 블록(503)은 이득 제어 신호 G_mod를 생성하기 위해 입력 신호 D_in를 수신하고 제로 크로싱들에 대해 이득 변화들을 동기화할 수 있다.

일반적으로 위에서 언급한 바와 같이, 주어진 저장기 온도, 예를 들어 주위 온도에서, 예를 들어 보이스 코일 온도 T_VC가 라우드 스피커 제조자로부터의 권고에 기초한, 관련 라우드 스피커에 대한 지정된 최대 보이스 코일 온도 T_max를 향하여 증가함에 따라, 허용 전력 소산 한계 P_all는 0으로 감소할 것이다. 이는 T_VC가 T_max를 절대 초과하지 않도록 보장하는 것을 목표로 한다. 그러나, T_max에 도달했을 때, 예를 들어 오디오 출력 스테이지를 비활성화(disabling)함으로써, 이득을 갑자기 0으로 감소시키기보다는, 이득은 바람직하게는 신호에서의 우아하고 덜 현저한 감소를 허용하도록, 그러나 T_max를 초과하는 것을 피하기 위해 스피커의 열 시상수들에 비해 여전히 충분히 빠르게 점진적으로 줄어든다. 예를 들어, 이득은 적어도 정의된 임계 온도 T_th와 T_max 사이의 범위에 걸쳐, 온도에 따라 단조롭게 감소할 수 있다.

도 6은 전력 제한 블록(501)에서 최대 허용 전력 소산 P_all을 결정하기 위한 보이스 코일의 온도 T_VC와 허용 전력 P_all 사이의 전달 함수의 예를 예시한다. T_VC에 대한 P_all의 플롯(plot)은 허용 전력 곡선으로서 본 명세서에 언급되어야 할 것이다. 전달 함수 f_P의 하나의 가능한 형태는 실선(601)에 의해 예시된 바와 같이, T_VC = T_th에서의 임계 값 P_allth와 T_max에서의 0 사이의 선형 보간법(linear interpolation)이다. 대안으로, 설계는 곡선(602)에 의해 예시된 바와 같이 이들 값들 사이에서 소정의 볼록 곡률(convex curvature)을 갖는 함수를 사용할 수 있다.

임계 온도 T_th보다 낮으면, 라인 또는 곡선은 예를 들어 선(603)을 따라 단지 연속적으로 계속될 수 있다. 이러한 실시예에서 이와 같은 임계 온도는 없으며, 온도의 완전한 예상 범위에 대해 정의된 함수만이 단지 있을 뿐이라는 점이 이해될 것이다. 이것은 매우 높은 전력 레벨들이 이 블록에 의해 허용되는 것을 초래할 수 있지만, 실제로 이것은 시스템에서의 다른 곳에서, 예를 들어 유한한 입력 신호 범위, 또는 출력 스테이지의 공급 전압, 또는 스피커 구동기 증폭기에 의해 부과된 일부 최대 전류 제한에 의해 제한될 수 있다. 상이한 접근법에서, 제한은 전체 온도 범위에 걸쳐 적용될 수 있지만, 로컬 전달 함수는 온도 임계 값 상하로 달라질 수 있으며, 예를 들어, 기울기는 선(604)에 의해 표시된 바와 같이 변할 수 있다.

대안으로, 선(605)에 의해 예시된 바와 같이, 특히 P_allth가 거의 도달되지 않는 매우 높은 전력이게 하는 T_max와 비교하여 임계 온도 T_th가 상대적으로 낮은 온도라면, 또는 소정의 비 열적(non-thermal) 이유로, 예를 들어 사용자의 귀에 대한 손상을 피하기 위해, 최대 전력이 제한되는 것이 바람직한 경우라면, 전력 한계는 온도 임계치 T_th보다 낮은 제1 상수 값 P_allth로 설정될 수 있다.

또 다른 대안으로서, 선(606)에 의해 예시된 바와 같이, 최대 허용 전력은 임계 온도 T_th 미만에서는 전혀 제한되지 않을 수 있다.

일부 실시예에서, T_max에서 최대 허용 전력을 0으로 감소시키기보다는, P_all은 선(607)에 의해 표시된 바와 같이, 임의의 열적 문제들을 야기시킬 것으로 예상되는 것보다 더 작고 아마도 상당히 더 작은, 작은 제2 상수 값으로 설정될 수 있다. 이것은 후속하여 유도되는 이득이 0이 아니게 되는 것을 허용하며, 신호의 어떠한 완전한 억제(suppression)도 피할 것이다. 일부 실시예들에서, 이것은 진행 중인 코일 저항(즉, 온도) 모니터링을 허용하기 위해 소정의 최소 출력 스피커 신호를 보장하는 데에 바람직할 수 있다. 이것이 또한, 예를 들어 소정의 고정된 시간 초과(fixed time-out) 또는 이와 유사한 것을 사용하여, 시간 영역 함수에서 처리될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이지만, 이 최소 이득은 또한 온도 측정에서의 잡음 등이 결과적으로 선형 스케일(scale)에서는 작지만 로그 스케일에서는 뚜렷한 범위에 걸쳐 이득을 변조하고, 이로 인해 가청 아티팩트를 일으키는 것을 방지할 수 있다. 작지만 0이 아닌 구동 신호를 유지하는 것은 또한 신호 처리 체인에서의 소정의 다운스트림 오토 뮤트 기능(downstream auto-mute function)의 원하지 않는 작동을 피하기 위해 유용할 수 있다.

선형 및 볼록 곡선에 추가하여, 도 7에 도시된 바와 같이, S-형 곡선이 전력 레벨들 사이의 전이(transition)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전달 함수 또는 허용 전력 곡선(701)은 적어도 임계 온도 T_th와 최대 온도 T_max 간에 다음과 같은 파라메트릭 곡선에 의해 정의될 수 있다:

(7)

여기에서 a, b, 및 c는 플렉스 포인트, 곡선의 모서리들(edges), 및 그것의 경사(slope)를 제어하는 계수들이다. 다양한 다른 곡선들, 예를 들어 다항(polynomials), 베지어 또는 스플라인 곡선은 적어도 임계 온도와 최대 온도 사이의 허용 전력에서의 변화를 정의하기 위해 대신 사용될 수 있다.

S-형 또는 유사한 곡선의 이점은 현재 온도가 T_th에 가까운지 또는 T_max에 가까운지에 따라 열 제한기의 상이한 동작을 가능하게 하는 반면, 온도 변화들에 따라 부드러운 전력 전이를 허용한다는 것이다.

따라서, 적어도 신호 처리 체인의 이득 요소(103)의 이득이 제어기(106)에 응답하여 디지털 이득 스테이지(103)에 의해 변조되고 있을 때, 라우드 스피커의 보이스 코일에서 소산되는 전력은, 도 7에 예시된 최대 허용 전력 곡선(701)에 의해 정의된 바와 같이, 최대 허용 전력 한계 P_all로 제한될 것이라는 것이 이해되어야 한다.

예를 들어 라우드 스피커 보이스 코일이 상대적으로 높은 진폭의 구동 신호로 연속적으로 구동된다는 것을 고려하자. 온도 임계치 미만에서는 사실상 전력 제한이 없을 것이므로, 보이스 코일에서 비교적 상당한 양의 전력 소산이 있을 수 있고, 이는 보이스 코일의 가열로 이어진다. 보이스 코일 온도는 예를 들어 65℃와 같은 온도 임계치 T_th에 도달할 때까지 증가할 수 있다. 전력 소산이 계속되면 보이스 코일의 온도가 계속 증가할 수 있다. 그러면 허용 전력 소산은 감소될 수 있고, 이는 라우드 스피커에 공급되는 구동 신호를 줄이기 위한 이득 변조로 이어진다.

그러나, 상기에서 언급한 바와 같이, 보이스 코일의 온도 변화는 소산 전력 P_VC, 및 열 저장기, 예를 들어 주변 환경으로의 흐름 경로(flow path)의 열 저항 R_th에 의존한다. 따라서, 전력 소산이

에 의해 주어진 정상 상태 값 P_SS보다 큰 한, 보이스 코일 온도는 계속 증가할 것이다. 그러나 전력 소산이 전력 소산의 이러한 정상 상태 레벨 미만으로 떨어지면, 구동 신호로 인해 손실되는 것보다 더 많은 열이 저장기로 흐르기 때문에 보이스 코일 온도가 떨어지기 시작한다.

도 7은 다양한 점선들로 표시된 것처럼 다양한 저장기 온도들 범위에 대하여 정상 상태 전력 소산 P_SS가 온도에 따라 어떻게 변하는지 예시한다. 정상 상태 전력 소산의 플롯은 저장기, 즉 주위 온도에 따라 변하는 교차점(intersection point)(702)에서의 이러한 특정 허용 전력 곡선과 교차할 것이다.

따라서 라우드 스피커가 구동되고 있고 임계 온도에 도달함에 따라 이득 변조가 적용되면, 손실되는 전력은 허용 전력 한계로 제한될 것이다. 처음에는 제한된 전력 소산이 정상 상태 레벨을 초과할 것이므로 보이스 코일이 계속 가열될 것이다. 따라서, 입력 신호 레벨이 크게 떨어지지 않는 한, 라우드 스피커에서 손실되는 전력 및 온도는 관련된 교차점(702)에 도달할 때까지 온도가 증가함에 따라 허용 전력 곡선(701)을 따를 것이다. 이 지점에서 전력 소산에 의한 보이스 코일로의 열 입력은 열 저장기를 향해 흘러나가는 열에 일치(match)되고, 따라서 보이스 코일 온도는 일정한 온도에서 안정화될 것이다.

그러나, 이러한 특정 허용 전력 곡선(701)에 대해 정상 상태 전력 소산 및 이에 따른 정상 상태 보이스 코일 온도가 최대 허용 온도 T_max 미만의 온도에 도달된다는 것을 알 수 있다. 도 7은 또한 정상 상태 전력 소산의 플롯들과 최대 허용 온도 T_max 사이의 교차점들(703)을 도시한다. 각각의 저장기 온도에 대해, 정상 상태 전력 소산과 이 허용 전력 곡선(701)의 교차는 최대 허용 온도에서의 경우보다 낮은 허용 전력에서 발생하는 것을 알 수 있고, 이러한 특정 허용 전력 곡선(701)에 대해 저장기 온도의 감소에 따라 차이가 더 크다는 것을 더 알 수 있다. 이는 허용 전력 한계가 저장기 온도, 예를 들어 주위 온도와 독립적으로 사용된다는 것을 예시하며, 결과적으로, 적어도 일부 사용 경우들에서는, 보이스 코일 온도를 허용 가능한 한도 내로 유지하는 데 필요한 것보다 큰 정도의 전력 제한이 적용될 수 있다.

따라서, 발명의 실시예들은 저장기 온도 T_res, 예를 들어 추정된 저장기 온도의 표시에 기초하여, 허용 전력 곡선, 즉 보이스 코일 온도 T_VC와 허용 전력 한계 P_all 사이의 전달 함수를 변화시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 허용 전력 곡선은 정상 상태 보이스 코일 온도로 이어지는 정상 상태 전력 소산이 최대 허용 온도 T_max에 대응하도록 저장기 온도 T_res에 따라 변화된다.

따라서, 전력 제한 블록(501)은 추정된 저장기 온도 T_res에 기초하여 적절한 허용 전력 곡선, 즉 적용될 적절한 전달 함수 f_p(T_VC)를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력 제한 블록은 주어진 저장기 온도 또는 저장기 온도들의 범위에서 적용될 일련의 저장된 전달 함수들 또는 허용 전력 곡선들을 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 전달 함수는 저장기 온도에 기초하여 알려진 방식으로 적응될 수 있으며, 예를 들어, 임계 온도 값과 최대 온도 값 사이의 허용 전력 곡선을 정의하는 데 사용되는 다양한 계수는 저장기 온도에 기초하여 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 룩업 테이블(look-up table) 또는 유사한 것은 단순히 주어진 보이스 코일 온도 T_VC 및 저장기 온도 T_res에 대한 허용 전력 P_all의 표시를 포함한다.

언급된 바와 같이 허용 전력 곡선들은 허용 전력 소산이 최대 허용 온도에서의 정상 상태의 전력 소산과 실질적으로 동일하도록 설계될 수 있다. 이것은 허용 전력 곡선과 정상 상태 전력 소산의 플롯의 교차점에 의해 관념적으로 결정될 수 있다.

도 8은 허용 전력 곡선들(801), 즉 다수의 상이한 저장기 온도에 대한 허용 전력 한계 P_all를 갖는 보이스 코일 온도 T_VC의 전달 함수들의 패밀리의 일례를 예시한다. 각각의 경우에, 관련 허용 전력 곡선은 최대 허용 온도 T_max에서 정상 상태 전력 소산의 플롯과 교차하도록 배열되어 있다.

정상 상태 전력 소산은 라우드 스피커의 유형에 의존할 것이다. 보이스 코일 온도의 증가에 따른 이 플롯의 기울기는, 보이스 코일로부터 열 저장기들로의 열 흐름을 위한 흐름 경로의 열 저항에 의존하며, 저장기 온도는 오프셋의 양에 영향을 준다. 이것은 라우드 스피커의 구성 요소들에 의존할 것이지만, 열 저항은 라우드 스피커의 유사한 유형들과 비슷할 수 있다. 따라서 라우드 스피커에 대한 허용 전력 곡선들은 특정 라우드 스피커 또는 라우드 스피커 클래스에 대해 선택될 것이다.

허용 전력 한계는 주변 환경으로의 열 흐름에 기초하여 정의될 수 있고, 따라서 저장기 온도는 주위 온도일 수 있으며 열 임피던스 모델은 주변 대기(surrounding atmosphere)로의 열 흐름을 모델링할 것임에 주의해야 한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 상기 언급된 바와 같이, 열 저장기는 자석 또는 상대적으로 높은 열 용량을 갖는 소정의 다른 라우드 스피커 구성 요소로 식별될 수 있으며, 이는 상기 언급된 바와 같이 사용되는 열 모델을 단순화할 수 있다.

따라서, 허용 전력 곡선들은 임계 온도에서의 특정 허용 전력 P_all-th으로부터 최대 온도에서의 허용 전력 P_all-max까지 달라진다는 것을 도 8에서 알 수 있다. 최대 온도에서의 허용 전력 P_all-max은 저장기 온도의 추정치에 따라 달라지며, 해당 저장기 온도에서의 정상 상태 전력 소산에 대해 정의될 수 있다.

임계 온도에서의 허용 전력은 과열을 방지하기 위해 보이스 코일 온도가 증가함에 따라 임의의 필요한 이득 감소가 시간 내에 발생하는 것을 보장하도록 선택될 수 있다. 이득 제한이 임계 온도 미만에서 적용되지 않는 실시예에서, 임계 온도에서의 허용 전력은 온도 임계치에 도달할 때 갑작스러운 변화들로 인한 임의의 가청 아티팩트를 최소화하는 관점에서 선택될 수 있다.

온도 임계치에 도달하기 전에 전력 제한이 적용되지 않으면 세 가지의 다른 시나리오가 고려될 수 있다. 첫 번째, 보이스 코일 온도가 임계 온도에 도달하는 시점에, 현재의 실제 전력 소산은 허용 전력 소산 P_all-th에 실질적으로 대응할 수 있다. 이 경우, 초기에는 적용된 이득 감소가 없을 수 있고, 일정한 입력 신호를 가정하면, 온도가 증가함에 따라, 임의의 초기 단계 없이, 손실되는 전력 P_VC가 전력 허용 곡선에 따라 점진적으로 감소하도록 증가하는 이득 감소가 적용된다. 이것은 최적의 시나리오인데, 왜냐하면 열 제한기가 예상되는 시기에, 추정된 보이스 코일 온도 T_VC가 임계 온도 T_th에 도달하고 볼륨(volume)의 결과적인 변화가 들리지 않을 때 정확히 활성화되기 때문이다.

그러나, 임계 온도에 도달하는 시점에 보이스 코일에서 소산되고 있는 실제 전력 P_VC가 허용 전력 한계 P_all-th보다 큰 경우가 있을 수 있다. 이 경우, 비교적 갑작스러울 수 있는 초기 이득 감소가 있을 수 있고, 이는 결과적으로 리스너(listener)가 알아차릴 수 있는 볼륨의 갑작스런 변화를 초래할 수 있다. 이는 이득의 변화에 대해 비교적 느린 시상수를 사용함으로써 완화될 수 있지만, 이는 실제 전력 소산이 비교적 긴 기간 동안 허용 전력 한계를 초과한 상태로 남아있을 수 있으므로 과열을 방지하기 위해 라우드 스피커 보호 회로의 역량을 잠재적으로 감소시킬 수 있다. 보이스 코일 온도에 따라 시상수를 달라지게 하는 것은 가능하지만, 일단 시상수가 충분히 빨라지면 과열 및/또는 갑작스런 이득의 변화의 위험이 여전히 있다.

세 번째 시나리오는 보이스 코일 온도가 임계 온도에 도달하는 지점에서 실제 전력 소산이 허용 전력 한계보다 작다는 것이다. 이 예에서, 임계 온도에 도달하는 지점에서, 어떠한 이득 감소도 필요 없으며 전력 소산 P_VC는 허용 한계 P_all=th 미만이다. 이 경우, 허용 전력 한계 P_all가 현재의 전력 소산로 떨어지도록 보이스 코일 온도 도달 범위가 증가할 때까지 이득 감소는 적용되지 않을 것이다. 그 다음에 이득은 감소되기 시작할 것이지만, 이 경우에 만약 이 지점에서 보이스 코일 온도가 최대 온도에 가깝다면, 특히 느린 시상수들이 이전에 논의된 갑작스런 변화들을 피하기 위한 이득의 변화와 연관된다면, 과열을 방지하기에는 너무 늦게 이득 변화들이 일어나기 시작할 수 있다.

그러므로, 일부 실시예들에서 임계 온도에서의 허용 전력 한계는 또한 보이스 코일의 전력 소산의 추정치 P_VC에 기초하여 달라질 수 있다.

따라서, 예를 들어 임계 온도 미만에서 전력 제한이 적용되지 않으면, 임계 온도에 도달할 때, 보이스 코일에서의 현재의 전력 소산의 표시에서 임계 온도 T_th에서 시작하는 허용 전력 곡선이 정의될 수 있다. 이는 예를 들어 최종 추정 전력 소산 값 또는 최종 n개의 추정 값들의 평균의 최대값일 수 있다. 그 다음에 허용 전력 곡선은 P_all-th의 결정된 값과 최대 온도에서의 허용 전력, 즉 P_all-max 사이에서 정의될 수 있다. 상술한 바와 같이, 최대 온도에서의 허용 전력, 즉 P_all-max는 저장기 온도의 추정치에 따라 달라지도록 조정될 수 있고, 일부 실시예들에서 현재의 저장기 온도 T_res에서 최대 온도에서의 정상 상태 전력 소산을 초래하는 레벨로 설정될 수 있다.

도 9는 임계 온도에 도달했을 때 보이스 코일 전력 소산의 추정치에 기초하여 정의된 허용 전력 곡선이 어떻게 달라지는지 예시한다. 도 9는 하나의 특정 저장기 온도에서 상이한 시작 전력 소산에 대한 허용 전력 곡선들을 예시한다. 임의의 원하는 곡선 유형, 예를 들어 선형, S-형, 다항식은 보이스 코일 전력 소산 P_VC 및 저장기 온도 T_res의 결정된 추정치들에 기초하여 정의될 수 있는 전력 허용 곡선에 대해 사용될 수 있다. 대안으로, 상이한 종점(ends point) P_all-th 및 P_all-max를 갖는 여러 미리 정의된 P_all 곡선들이 메모리에 저장될 수 있으며, 저장된 곡선들 사이의 보간법에 의해 유도된 곡선 및/또는 이용 가능한 설정으로부터 가장 적절한 곡선이 유도될 수 있다.

임계 온도에서의 허용 전력이 추정된 전력 소산의 표시에 따라 변하는 경우 보이스 코일 온도에 대하여 허용 전력의 허용 전력 곡선을 정의하는 아이디어는 발명의 추가 신규 양태을 나타낸다는 점에 주의해야 한다. 이 양태는 허용 전력 곡선 또는 전달 함수를 정의하기 위해 저장기 온도의 추정치를 사용하는 것과 함께 적용될 수 있으며, 또는 일부 예들에서는 저장기 온도의 추정치 없이 적용될 수 있다. 따라서, 이러한 예들에서 허용 전력 곡선의 시작점 P_all-th은 보이스 코일에서의 전력 소산의 추정치 P_VC에 따라 변할 수 있지만, 최대 허용 온도에서의 허용 전력 P_all-max은 가정된 최악의 경우의 주위 온도에 대해 설정될 수 있다.

전달 함수, 예를 들어 허용 전력 곡선을 정의하기 위한 하나 이상의 파라미터, 예를 들어 P_allth, T_th, 및 T_max는 하드웨어로 고정되거나 적절한 비휘발성(nonvolatile) 메모리에 저장될 수 있다. 적절한 값들은 칩 제조 또는 후속하는 최종 사용자 디바이스 제조에서 설정될 수 있다. 일부 예들에서, 제어 회로는 오디오 구동 회로와 연관될 수 있지만, 라우드 스피커와 연관된 메모리로부터 하나 이상의 파라미터 값을 판독할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이들 파라미터들 중 적어도 일부는 구성 가능할 수 있으며, 예를 들어 제어 입력(도시되지 않음)에 의해 제어되는 것과 같이, 사용 중에 달라질 수 있다. 예를 들어, 임계 온도 T_th 미만에서는 P_allth의 온도 독립적인(temperature-independent) 값이 사용되고, 이 값이 적어도 부분적으로 사용자 귀 보호를 위해 설정되면, 이것은 모니터링된 노출의 주기가 증가함에 따라 시간이 지남에 따라 감소하도록 설정될 수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이, 이득 계산 블록(502)은 결정된 최대 허용 전력 레벨을 수신하고, 제2 전달 함수 G_tgt = f_G(P_VC, P_all)에 따라 현재 추정된 전력 소산에 기초하여 목표 이득 G_tgt를 결정한다.

도 10은 최대 허용 전력 P_all의 상이한 값들에 대해 추정된 전력 소산 P_d에 따라 목표 이득 값이 어떻게 조정될 수 있는지를 예시한다. 목표 이득 G_tgt는 P_VC의 값들이 증가함에 따라 소정의 공칭 값 G_nom으로부터 감소하도록 설정될 수 있다. 공칭 이득 값은 구동 신호의 출력 전력과 입력 오디오 신호, 예를 들어 디지털 입력 신호 D_in 사이에 요구되는 이득을 제공하기 위해 시스템의 다른 요소들의 이득과 일관되게 정의될 수 있다. 신호 처리 체인의 다른 이득들이 적절하게 정의된다면, 공칭 이득 값은 1(unity)로 간주될 수 있다.

도 10a는 목표 이득 G_tgt이 제로 전력(zero power)(또는 임계치 미만의 전력 소산)에서의 공칭 이득 G_nom으로부터 P_all에서의 제로 이득(zero gain)까지의 선형 보간법, 즉

으로서 정의될 수 있음을 예시한다. 선(1001)은 P_all의 제1 값, 즉 제1 보이스 코일 온도 T₁에서의 이러한 보간법을 예시한다. 보이스 코일의 온도가 시간이 지남에 따라 증가하면, 즉 T₂에서 P_all은 P_all(T₂)으로 감소할 것이다. 이것은 곡선(1002)에 의해 예시된 바와 같이 G_nom으로부터 0으로의 감소에서 가파른 기울기를 초래할 것이다.

(P_all의 주어진 값에 대한) G_nom과 0 사이의 선형 보간법 대신에, 곡선(1003)에 의해 예시된 바와 같이, 중간 온도들에서 더 많은 전력을 허용하기 위해 볼록 곡률을 갖는 보다 적극적인 곡선(more aggressive curve)이 이용될 수 있다. 예를 들어,

형태의 전달 함수는 전압 이득보다는 전력 이득의 선형 보간법을 제공하는 데 사용될 수 있다.

P_all의 값이 최대값, 예컨대 P_all-th에 있다면, 이득 조정은 바로 비활성화될 수 있으며, 즉 공칭 값 G_nom으로 설정될 수 있다. 사실상 이것은 임계 온도보다 낮은 보이스 코일 온도들, 즉 T_VC < T_th에 대해 목표 이득이 그것의 공칭 또는 최대값으로 설정된다는 것을 의미한다.

도 10a에 예시된 이득 곡선들은 P_all을 초과하여 소산시키도록 보이스 코일을 구동할 수 없게 만든다: 거의 무한대의 진폭 입력 신호는 P_all까지 전력을 제한하기 위해 거의 제로 이득으로 감쇠된다. 그러나 이것은 임의의 현실적인 입력 신호에 대해 실제로 전력이 P_all보다 상당히 적은 전력으로 제한될 것임을 의미한다.

도 10b는 임계 P_TH 미만의 전력 소산에 대해 공칭 이득 G_nom을 인가하고 나서 최대 허용 전력 P_all에서 선형적으로 0으로 감소하는, 목표 이득 G_tgt의 변조를 예시한다. 이것은 이득 제어 플롯(1004)에 의해 표현된다. 그러나, 도 10b는 또한 소산되는 보이스 코일 전력 P_VC가 일정한 입력 신호 전력 Ρ_in에 대해 목표 이득 값에 따라 어떻게 변하는지 보여주는, 예를 들어

인 곡선(1005)에 의해 예시된 바와 같이, 주어진 입력 신호에 대한 실제 보이스 코일 전력 소산이 인가된 전압 이득 변조 G_tgt에 포물선모양으로(parabolically) 의존할 것임을 예시한다. 따라서, 주어진 입력 신호에 대해, 시스템은 추정된 전력 소산에 대한 이득의 설계된 의존성을 나타내는 플롯(1004)과 이 곡선(1005)의 교차에 대응하는 평형 이득(equilibrium gain) G_eq 및 전력 소산 P_eq에 정착(settle)할 것이다. 따라서, 전달되는 최대 전력은 실질적으로 P_all보다 작을 수 있다.

따라서, 일부 실시예들에서, 도 10c에 예시된 바와 같이, 이득 제어 전달 함수는 적용되는 이득 G_tgt은 0이 아니고, 대신에 심지어 (일반적으로 업스트림(upstream) 회로의 동적 범위(dynamic range)에 의해 제한되거나, 일부 실시예들에서는 제어된 클리핑(clipping)의 대상이 될 수 있는) 최대 가능 입력 신호 및 나머지 신호 경로에 인가된 최대 이득 G_xx에 대해 출력 전력 소산을 P_all 이하로 감쇠시키는 것과 일관되는 어떤 값 G_eq가 되도록 설계될 수 있다. 따라서, 도 10c는 이득이 전력 소산이 임계치 미만인 경우에 공칭 값에 있고, 그 다음, 이 예에서는 선형적으로 P_all에서의 값 G_eq로 변하도록, 목표 이득 G_tgt이 플롯(1006)에 의해 예시된 전달 함수에 따라 변할 수 있다는 것을 도시한다. G_eq의 값은 최대 가능 입력 신호의 전력 소산 P_inmax 및 신호 처리 체인을 따르는 이득들에 관하여 정의된다. 따라서, 입력 신호가 최대 가능한 것인 경우, 목표 이득은 보이스 코일 전력 소산 P_VC가 최대 허용 전력 소산 P_all과 실질적으로 동일함(또는 바로 아래임)을 보장하는 레벨에 이를 때까지 감소될 수 있다.

도 10d에 예시된 바와 같이, 최대값 P_inmax보다 작은 신호가 인가되면, 주어진 목표 이득에 대한 실제 소산 전력은 최대 입력 신호에 대한 경우보다 낮을 것이다. 따라서, 이득 제어 함수(1006)와 목표 이득을 가진 소산 전력의 관계 사이의 교차점은 최대 허용 전력 P_all보다 낮은 전력 소산 P_VCy에 대응하는 목표 이득 G_eqy에 있게 된다. 그러나, 도 10e에서 플롯(1007)에 의해 예시된 바와 같이, 감소된 출력 전력 P_VCy는 보이스 코일 온도의 감소를 초래하는 경향이 있을 것이고, 이는 Ρ_all의 증가된 값, 즉 Ρ_allTx을 야기하는 경향이 있을 것이며, 이는 이득 제어 전달 함수의 변화를 야기한다. 따라서 목표 이득 및 출력 전력은 원래의 P_all에 더 가까운 새로운 평형점(G_eqx, P_VCx)으로 증가하는 경향이 있을 것이다.

단순화를 위해 이득 제어 곡선은 선형 전압 이득 대 전력 의존성으로 예시되었다. 도 10a의 곡선(1003)에 관해 위에서 언급한 바와 같이, 다른 의존성들이 가능하며, 예를 들어 전압 이득은 추정된 전력 소산의 역수 또는 역수의 제곱근으로서 변할 수 있다. 의존성은 대안으로 소정의 S-형 특성을 따를 수 있다.

소산되는 전력의 변화들은 비교적 빠른 타임스케일에 걸쳐 발생할 수 있고, 보이스 코일 또는 자석의 온도 변화의 시상수보다 빠르게 발생할 수 있다는 것을 다시 이해할 것이다. 따라서, 소산되는 전력의 급격한 변화들에 대해, P_all의 값은 실질적으로 변하지 않을 수 있고, 따라서 특정 목표 이득 대 소산 전력 함수는 실질적으로 고정될 것이다. 그러나 더 긴 타임스케일에 걸쳐 보이스 코일 온도가 변할 수 있고, 따라서 특정 이득 대 전력 프로파일이 또한 달라질 수 있다. 이것은 입력 신호 레벨이 안정화되고 나서 소정의 시간 후에, 인가되는 이득의 변화를 초래할 수 있다.

도 10a 내지 도 10e에 관한 논의는 열 보호에 대한 목표 이득 설정인 이득 제어 값, 즉 적용될 이득에 대응하는 값을 발생시키는 것에 초점을 맞추었다. 따라서 목표 이득은 전력 소산 P_VC의 값들이 증가함에 따라 떨어진다. 그러나, 마찬가지로 이득 제어 값은 전력 소산에 따라 증가하는 공칭 이득 설정에 대한 변조의 크기를 표시하는 이득 변조 값이 될 수 있다.

따라서, 일반적으로 본 발명의 실시예들의 스피커 보호 모듈은 라우드 스피커의 현재의 보이스 코일 온도의 측정치 또는 추정치, 라우드 스피커에서의 전력 소산의 표시, 그리고 또한 보이스 코일에서 발생된 열이 흐르는 열 저장기의 온도 표시에 기초하여 라우드 스피커를 구동시키는 데 사용되는 입력 오디오 신호에 적용되는 이득을 변조하기 위한 제어 신호를 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 적용되는 이득은 (적어도 예상 작동 온도의 범위에서) 라우드 스피커에서 소산되는 전력의 변화에 따라 달라질 수 있으며, 전력 소산의 주어진 변화로부터 야기된 이득의 변화량은 (P_all 의존성을 통해서) 보이스 코일 온도에 의존한다.

열 저장기의 온도의 표시는 상술한 바와 같이 적절한 열 임피던스 모델을 사용하여, 예를 들어 보이스 코일 온도의 추정치 및 전력 소산에 따른 보이스 코일 온도의 변화에 의해 결정되거나 추정될 수 있다. 그러나 다른 모니터링 목적들로도 또한 사용될 수 있는 소정의 적절한 온도 센서를 통해 저장기 온도의 표시를 결정하고, 저장기 온도의 측정에 기초하여 허용 전력을 조정하는 것이 가능할 것이다.

상술한 이득 계수들은 전력 변수에 관해 정의되더라도, 전력 이득(즉 전압 또는 디지털 신호 이득의 제곱)보다는 단순한 곱셈으로 신호에 적용하기에 적절한 전압 이득 계수로 정의됨을 주의해야 한다. 일부 실시예들에서, 이득 제어 신호는, 예를 들어 적절하게 구성된 이득 스테이지(103)에 결합된 요구되는 이득을 데시벨 단위 등으로 나타내는 비선형 이득 값으로서 발생될 수 있다.

일부 실시예들에서, 열 보호를 위한 이득 제어는 사용자 볼륨 제어를 위해 적용된 이득 제어와 결합될 수 있다. 따라서, 이득 요소(103), 예를 들어 디지털 증배기는 열 보호를 위한 임의의 이득 변조 (및/또는 편위 제한 또는 귀 보호와 같은 임의의 다른 요구되는 이득 변조)와 함께 임의의 사용자 볼륨 제어기 이득을 적용하는 이득 변조를 입력 신호에 적용하도록 되어있을 수 있다. 따라서, 이득 제어기(106)는 또한 사용자 볼륨 제어 신호와 같은 부가적인 이득 제어 신호를 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공칭 이득 값 G_nom은 새로운 값 G_adj가 되도록 이러한 사용자 볼륨 제어 신호에 의해 변조될 수 있다. 이것은 이득이 임계치 P_all-th에 도달할 때까지는 G_adj로 유지되고 소정의 최대값 P_all-max에서는 제로까지 (또는 정의된 작은 0이 아닌 레벨까지) 감소되도록 전체 특성을 수직으로 스케일링할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 이득은 이전의 공칭 보간법 함수를 가로막을 때까지 G_adj와 동일하게 유지될 수 있어 더 높은 전력 레벨들까지 신호 감쇠가 필요하지 않다.

위에서 언급한 바와 같이, 이득 제어 블록(503)은 요구되는 이득 변화의 구현을 개선하기 위해 목표 이득 신호에 대해 소정의 시간 영역 처리를 적용할 수 있다. 이득의 변화는 일부 예에서 오디오 내에서 가청 아티팩트를 초래할 수 있고, 시간 영역 처리는 이러한 아티팩트들을 감소시키거나 제거하는 것을 목표로 할 수 있음을 이해할 것이다.

이러한 시간 영역 처리는 입력 신호 D_in의 제로 크로싱 검출(zero-crossing detection)을 포함할 수 있다. 예를 들어 신호의 0이 아닌 부분에 적용된 이득 변화들에 의해 도입된 단계들을 피하기 위해 이득 변화들은 오직 입력 신호가 0을 크로싱할 때만 적용된다.

시간 영역 처리는 부가적으로 또는 대안으로 임의의 가청 아티팩트들을 줄이기 위해 신호에 적용되는 임의의 이득 감소들의 변화율을 제한하기 위해 감쇠 시상수들을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 감쇠 시상수들은 오디오 신호 시상수들보다 길지만 임의의 열 시상수들보다 짧을 수 있다.

시간 영역 처리는 부가적으로 또는 대안으로, 예를 들어 (아마도 감소된 입력 신호 및/또는 적용되는 이득의 감소로 인한) 구동 신호의 진폭 감소에 후속하여 보이스 코일이 냉각될 때, 신호에 적용되는 임의의 이득 증가들의 변화율을 제한하기 위해 어택 시상수들을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 어택 시상수들은 오디오 신호 시상수들보다 더 길 수도 있다. 그들은 열 시상수들 중 적어도 하나보다 길 수 있다. 이는 가능한 열 진동들 및 결과적으로 불필요하거나 회피할 수 있는 이득 변조들을 줄일 수 있다.

그러나, 위에서 언급한 바와 같이, 허용 전력 곡선을 정의하기 위해 현재의 전력 소산의 추정치 P_VC를 사용하는 것은 리스너가 알아차릴 수 있는 이득의 갑작스런 변화의 가능성을 감소시킬 수 있는 반면, 과열의 위험을 증가시킬 수 있는 느린 어택 시상수들에 대한 필요성을 감소시킬 수 있다.

위에서 간략하게 언급한 바와 같이, 이러한 이득 프로파일은 예를 들어 현재의 보이스 코일 온도에 기초하여 가변적이고 변화할 수 있다. 예를 들어, 스피커에 인가되는 신호 때문에 보이스 코일의 온도가 증가하고 임계 온도 T_th을 초과하면, 열 제한기, 즉 라우드 스피커 보호 시스템은 출력 전력을 감소시키기 위해 이득 감소를 적용하기 시작할 것이다. 초기에 열 제한기는 온도가 T_th을 크로싱함에 따라 신호 레벨에서 비교적 점진적인 변화를 적용하기 위해 비교적 긴 어택 시간을 사용하도록 구성될 수 있다. 그러나 보이스 코일 온도가 T_th을 초과하여 계속 상승하고 T_max에 가까워지면, 온도가 최대 허용 레벨을 초과하는 것을 방지하기 위해 전력 소산이 보다 빠르게 감소되는 것을 보장하기 위해 빠른 어택 시간이 구현될 수 있다. 비슷한 접근 방식이 다른 홀드(hold) 및 릴리스(release) 시간을 설정하는 데 사용될 수 있다.

다양한 시상수들을 사용함으로써, 보호의 요구 사항들을 충족시키는 것이 가능한 반면, 동시에 음량을 최대화하고 이득 변화들의 기회를 줄여 사운드 레벨에서 현저한 점프를 초래할 수 있다. 보다 안전한 온도 영역에서, 인지되는 이득 변화를 감소시키는 한편 출력 전력을 최대화하기 위해 어택 시간들은 더 느려질 수 있고 릴리즈는 더 빨라질 수 있다. 온도가 T_max에 가까워지면, 허용된 전력량만이 시스템으로 들어오는 것을 보장하기 위해 어택은 더 빨라질 수 있고 릴리스는 더 느려질 수 있다.

부가적으로 또는 대안으로, 이득 제어(503)는 이득 업데이트들 사이의 타임 아웃들(time-outs) 또는 최소 간격들을 적용하기 위해, 이득 변화들의 최대 빈도 및 그에 따른 오디오 아티팩트들을 제한하도록 되어 있을 수 있다.

상술한 바와 같이, 출력 전력이 없거나 거의 없다면 코일 온도의 정확한 추정치를 얻기가 어려울 수 있으며, 이 경우 수정된 온도 추정치를 얻기에 충분할 만큼 이득이 회복되기 전에 타임 아웃이 부과될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 전력 제한 블록(501)의 다양한 파라미터들은 하드웨어로 고정되거나 메모리에 저장될 수 있고/있거나 사용 중에 구성 가능할 수 있다. 마찬가지로, 이득 계산 블록 및 이득 제어 블록의 파라미터들은 유사하게 하드웨어 또는 비휘발성 메모리에 고정될 수 있고, 칩 또는 최종 사용자 디바이스 제조에서 설정될 수 있다. 하나 이상의 파라미터가 사용 중 변할 수 있고, 예를 들어, 추가 제어 입력에 의해 제어될 수 있다. 함수들 f_P, f_G의 계산은 룩업 테이블들을 통해 또는 원하는 대수 공식(algebraic formulae)을 구현하는 맞춤형(customized) 또는 프로그래밍 가능한 처리 하드웨어에 의해 구현될 수 있다.

라우드 스피커 보호 제어 모듈(104)은 전용 전자 회로 구성 요소들에 의해, 및/또는 적절하게 프로그래밍된 범용 프로그래밍 가능 디지털 프로세서 또는 FPGA 어레이 등과 같은 다양한 처리 요소들에 의해 구현될 수 있음이 해당 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 전력 및 온도 추출 블록(105) 및/또는 제어기(106)는 적어도 부분적으로는 적절한 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어 모듈들로서 구현될 수 있다. 모듈들 및 블록이라는 용어는 따라서 소프트웨어 모듈들 또는 하드웨어 모듈들 또는 소프트웨어와 하드웨어 모두가 혼합된 것 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이들 구성 요소들의 회로에 대한 임의의 언급은 또한 적절한 일반 처리 회로를 의미할 수도 있다.

도 11a는 상술한 바와 같은 발명의 일부 실시예들에 의해 구현되는 일반적인 방법을 예시하는 흐름도를 도시한다. 단계(1101)에서, 라우드 스피커 보호 제어 모듈은 모니터링된 보이스 코일 구동 전압 V_spka 및 보이스 코일 전류 l_spka를 표시하는 신호 V_spk 및 l_spk를 수신한다. 단계(1102)에서 라우드 스피커 보호 제어 모듈(104)은 저항 보이스 코일 저항 Re의 표시 또는 추정치를 유도한다. 단계(1103)에서, 보이스 코일 온도의 추정치(T_VC)는 추정된 보이스 코일 저항 Re으로부터 유도된다. 단계(1104)에서, 라우드 스피커의 현재의 전력 소산의 추정치 P_VC는 표시 전압 및 전류 신호 V_spk 및 l_spk로부터 (또는 임의로(optionally) 이들 신호들 중 적어도 하나 및 또한 추정된 보이스 코일 저항 Re로부터) 유도된다. 단계(1105)에서 열 저장기 온도의 추정치 T_res, 예를 들어 열 기준 또는 주위 온도는 열 임피던스 모델 Z_th와 함께 T_VC 및 P_VC로부터 유도된다.

그 다음, 목표 이득 제어 값은 보이스 코일 전력 소산 추정치 P_VC 및 보이스 코일 온도 추정치 T_VC 및 저장기 온도 추정치 T_res에 기초하여 유도될 수 있다(단계(1106)). 이러한 목표 이득 제어 값은 이득 제어 신호로서 직접 사용될 수 있거나, 임의로 단계(1107)에서 부가적인 처리가 이득 제어 신호 G_mod를 유도할 수 있다. 그 다음, 이득 제어 신호는 입력 신호에 인가될 수 있다(단계(1108)).

도 11b는 목표 이득을 계산하는 단계에서 적용될 수 있는 처리의 일부를 예시한 흐름도이다. 단계(1109)에서 보이스 코일 전력 소산 추정치 P_VC 및 보이스 코일 온도 추정치 T_VC 및 주위 온도 추정치 T_amb가 수신된다. 단계(1110)에서, 허용 최대 전력 P_all은 정의된 함수 f(T_VC, T_res)에 기초하여 유도된다. 그 다음, 허용 전력 P_all은 목표 이득 G_tgt을 유도하기 위해 보이스 코일 전력 소산 추정치 P_VC와 함께 사용된다(단계(1111)).

일부 응용들에서, 다른 이유들 때문에 라우드 스피커 보이스 코일 저항의 표시 및/또는 저장기 온도, 예를 들어 주위 온도의 표시를 결정하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어 임피던스의 추정이 라우드 스피커의 편위를 제한하는 데 유용할 수 있다. 따라서, 전력 및 온도 추출 블록(105)의 적어도 일부 블록들은 스피커 보호 회로의 다른 요소들, 예를 들어 도 2와 관련하여 기술된 바와 같은 임피던스 추출 블록(202)과 공유될 수 있다. 도 12는 발명의 실시예를 예시하며, 여기서 상술된 것들과 유사한 구성 요소들은 동일한 참조 번호들을 사용하여 식별되지만, 보호 모듈(104)은 또한 신호 처리 체인에서 추가 이득 요소(1202)를 제어하기 위한 편위 제어기(1201)를 포함한다.

전력 및 온도 추출 블록(105)은 전술한 바와 같이 보이스 코일 전류 및 구동 신호 전압의 표시를 수신한다(편리하게는 DAC 출력 스테이지(203)에 입력되는 디지털 입력 신호 D_SP을 수신함). 이 블록은 상술한 바와 같이 코일 저항의 추정치를 결정, 즉 계산하고, 또한 보이스 코일의 전력 소산과 보이스 코일 및 저장기 온도들의 추정치들을 결정할 것이다. 전력 및 온도 추정치들은 전술한 바와 같이 이득 변조 신호 G_mod를 발생시키기 위해 열 보호 제어기(106)에 제공된다. 그러나, 이 실시예에서, 전력 및 온도 추출 블록(105)의 임피던스 추출 블록은 또한 편위 제한 회로에 사용하기 위해 보이스 코일의 다른 임피던스 파라미터들을 추출한다. 코일 임피던스는 온도, 및 자석 등에 대한 그것의 위치에 의존하여 변한다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 편위 제어기는 안전한 한도 내로 라우드 스피커의 편위를 제한하기 위해 코일 임피던스의 표시를 수신하고 이득 요소(1202)에 의해 오디오 신호에 적용될 적절한 이득을 결정한다.

물론, 편위 제어기(1201) 및 열 보호 제어기(106)를 단일 기능 블록에 통합하는 것이 가능할 것이며, 일부 실시예들에서는 단일 이득 제어 신호가 생성되어 단일 이득 요소를 제어하는 데 사용될 수 있다.

위에서 실시예들은 하나의 출력 스피커를 위한 보호 모듈과 관련하여 기술되었다. 다른 실시예들은 복수의 출력 스피커를 위한 보호 모듈을 포함할 수 있는데, 그 복수의 출력 스피커 모두는 동일한 입력 신호를 모두 수신할 수 있고, 또는 일부 실시예에서 복수의 다른 입력 신호가 있을 수 있다. 보호 모듈은 각각의 입력 신호를 독립적인 채널로 처리하도록 구성될 수 있거나, 최악의 경우의 채널에 기초하여 모든 이득들이 함께 감소되도록 이득들이 집단화(gang)될 수 있다.

실제 출력 전력들과 코일 온도들이 사용되기 때문에 열 시상수들 등에 대한 매우 안전한 값을 가정할 필요가 없으므로 더 적은 마진(margin)이 필요하며 각각의 스피커는 그것의 안전한 작동 한계들에 가깝게 구동할 수 있다. 예를 들어 한 스피커가 좋지 못한 열 저항을 갖는 경우, 그러한 특정 스피커가 큰 신호를 수신하는 경우에만 입력 신호들을 제한할 필요가 있다.

따라서, 발명의 실시예들은 특히 필요한 경우에 구동 신호의 이득을 변조함으로써 안전 한계들 내에서 보이스 코일 온도를 제한하기 위한, 라우드 스피커의 열 보호를 위한 스피커 보호 회로에 관한 것이다. 실시예들에서, 회로는 허용 가능한 전력 한계를 결정하기 위해 라우드 스피커에서 소산되는 전력의 추정치와 현재의 보이스 코일 온도를 계산, 즉 결정하고, 현재의 전력 소산 및 허용 가능한 전력 한계의 상대적인 레벨에 기초하여 구동 신호의 이득을 감소시키고, 허용 가능한 전력 한계는 보이스 코일에서 발생된 열에 대한 저장기의 온도의 추정치에 기초하여 결정된다.

이러한 스피커 보호 회로는 도 13에 예시된 것처럼 전자 장치 또는 디바이스(1300), 예를 들어 이동 전화에 구현될 수 있다. 이 디바이스는 신호 처리 체인(101)의 적어도 일부를 형성하는 구동 회로 블록(1301)으로부터 구동되는 라우드 스피커(102)를 포함한다. 구동 회로 블록(1301)은 디지털 오디오 신호 D₃를 수신하고 스피커 양단에 결과 전압 V_spka를 전달한다.

이 구동기 회로 블록(1301)은 스피커의 임피던스를 구동시키기에 충분히 강한 DAC(가능하게는 오버샘플링된(oversampled) 예를 들어 델타-시그마(delta-sigma)) 및 아날로그 증폭기를 포함할 수 있다. 대안으로, 이것은 DAC로부터의 아날로그 입력을 가진, 하프 브리지(half-bridge) 또는 풀 브리지(full-bridge) 중 하나인 클래스 D 증폭기와, 또는 가능하게는 모든 디지털 클래스 D 변조기를 포함할 수 있다. 구동기 신호 처리 체인은 또한 가능하게는 아날로그 신호 처리를 포함할 수 있다.

스피커 전류 I_spka는 이 전류를 나타내는 신호를 제공하기 위해 모니터링된다. 아날로그 전류 감지 신호는 스피커에 국부적이고(아마도 국부적으로 버퍼됨(buffered)) 또는 증폭기와 함께 위치될 수 있는 감지 저항에 의해 발생될 수 있다. 증폭기는 스피커 패키지 안에 있거나 더 복잡한 코덱 내에 이산(discrete)되거나 내장(embedded)된 더 원격의(remote) 전력 증폭기일 수 있다. 감지 저항의 대안으로서 MOS 출력 트랜지스터 양단의 전압은 전류를 측정하기 위해 감지될 수 있다. 스피커 전류에 대한 아날로그 신호가 제공될 수 있지만, 일부 실시예들에서는 감지된 전류를 표시하는 디지털 신호 DI_spk를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 그러므로 감지 버퍼/디지타이징(digitising) 회로는 로컬 스피커 구동기 칩(1301)의 일부로서 제공될 수 있다. 감지 저항기 등이 전류 모니터링을 위해 사용되는 경우, 온도-감지 저항기의 소정의 상온 전기적 교정에 대한 요구가 있을 수 있다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 이러한 교정은 밀리세컨드 단위의 빠른 것이고, 그러한 교정은 온도 대 전력 측정들로부터의 열 저항을 결정하려는 시도와 관련된 긴 시상수들을 필요로 하지 않는다.

디지털 스피커 전류 신호 Dl_spk는 V_spka를 나타내는 디지털 신호 DV_spk와 함께 제공된다. 구동기 회로(1301)가 아날로그 처리를 포함하는 경우, 구동기 회로는 신호 DV_spk를 전달하기 위해 ADC를 포함할 수 있지만, 많은 경우에 D₃는 이미 적절한 표시 신호가 될 것이다.

디지털 신호 처리(digital signal processing; DSP) 블록(1302)은 스피커 보호 제어 모듈을 구현한다. DSP 블럭(1302)은 스피커(102)를 위해 의도된 디지털 입력 오디오 신호 D_in을 수신할 수 있다. 이것은 예를 들어 인터페이스(1303), 예를 들어 RF 라디오/무선 인터페이스 또는 모뎀으로부터 수신된 오디오 신호 D_in1일 수 있고, 이것은 예를 들어 음성/영상 통화(voice/video call) 및/또는 스트리밍 미디어(streaming media)에 대한 수신된 오디오일 수 있다. 다른 시간들에서, 입력은 예를 들어 기계적(mechanical) 또는 고체 상태(solid-state) 중 하나인 디스크 기억 장치 또는 소정의 다른 반도체 메모리와 같은 소정의 데이터 기억 장치(storage)(1304)로부터 수신될 수 있는 오디오 신호 D_in2일 수 있다. 이 기억 장치는 디바이스(1300)의 영구(permanent) 부분이거나, 메모리 카드 또는 USB 스틱 등과 같은 부착 가능한 기억 장치일 수 있다. DSP(1302)는 이득을 입력 신호 D_in에 적용하기 위해 이득 스테이지를 포함하고, 또한 가능하게는 구동기 블록(1301)에 공급되는 디지털 신호(D₃)를 발생시키기 위해 추가적인 신호 처리를 수행하기 위한 DSP 또는 증배기 블록들을 더 포함한다.

스피커 보호 제어 모듈은 DSP(1302) 상에서 실행되는 소프트웨어 코드에 의해 구현될 수 있다.

이 소프트웨어 코드는 (배터리가 방전되거나 교체를 위해 제거될 때 프로그램 데이터를 보존하기 위해) 소정의 비휘발성 메모리(1305), 예를 들어 EEPROM 상의 펌웨어(firmware)로서 디바이스에 저장될 수 있다.

라우드 스피커 보호 모듈을 실행하기 위한 관련 소프트웨어는, 예를 들어 대기 모드(standby mode)로부터 디바이스(1300)를 깨우는 것일 수 있는 파워업(power-up) 시에, 또는 스피커 구동기 기능의 스타트업(start-up) 시에, 예를 들어 라우드 스피커를 통해 사운드를 출력하기 시작하라는 사용자 명령을 수신할 때에, DSP에 로드될 수 있다.

별도의 프로세서, 예를 들어 애플리케이션 프로세서, AP, 또는 프로세서 코어(1306)가 이 스타트업을 제어할 수 있다.

일부 응용들에서, 적어도 일부 오디오 데이터(예를 들어, 벨소리(ring tone), 사전 녹음된 음성 경보 등)가 NVM(1305)으로부터 직접 또는 프로세서 AP(1306)를 통해 제공될 수 있다.

전술한 바와 같이 일부 실시예들에서, 스피커 보호 제어 모듈은 디바이스 스타트업 시에 결정될 수 있는 기준 보이스 코일 저항에 기초하여 보이스 코일의 저항을 결정할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 일부 실시예들에서, 온도 센서(1307)는 저장기 온도의 표시 T_res를 제공하기 위해 라우드 스피커 및/또는 호스트 디바이스와 연관될 수 있다.

물론, 도 13에 예시된 다양한 블록들 또는 그 일부들은 다른 블록들 또는 그 일부들, 또는 호스트 디바이스의 다른 기능들과 함께 통합될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, DSP(1302) 및 구동기 블록(1301)은 오디오 허브(Audio Hub)에 공동 통합될 수 있다.

따라서, 통상의 기술자는 상술한 장치 및 방법들의 일부 양태들, 예를 들어 프로세서에 의해 수행되는 계산들이 프로세서 제어 코드로서, 예를 들어 디스크, CD-ROM 또는 DVD-ROM, 판독 전용 메모리(펌웨어)와 같은 프로그래밍된 메모리와 같은 비휘발성 캐리어 매체 상에, 또는 광학 또는 전기 신호 캐리어와 같은 데이터 캐리어 상에 내장될 수 있음을 인식할 것이다. 많은 응용들에 대해, 발명의 실시예들은 DSP(Digital Signal Processor), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 상에 구현될 것이다. 따라서, 코드는 종래의 프로그램 코드 또는 마이크로 코드, 또는 예를 들어 ASIC 또는 FPGA를 설정하거나 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다. 코드는 또한 재프로그래밍 가능한 논리 게이트 어레이들(re-programmable logic gate arrays)과 같은 재구성 가능한 장치를 동적으로 구성하기 위한 코드를 포함할 수 있다. 유사하게, 코드는 Verilog^TM 또는 VHDL(Very high speed integrated circuit Hardware Description Language)과 같은 하드웨어 기술 언어에 대한 코드를 포함할 수 있다. 통상의 기술자라면 이해할 수 있듯이, 코드는 서로 통신하는 복수의 결합된 구성 요소 사이에 분배될 수 있다. 적절하다면, 실시예들은 또한 아날로그 하드웨어를 구성하기 위해 필드-(재)프로그래밍 가능 아날로그 어레이 또는 유사한 디바이스에서 실행되는 코드를 사용하여 구현될 수도 있다

발명의 실시예들은 오디오 처리 회로, 예를 들어 호스트 디바이스에 제공될 수 있는 오디오 회로의 일부로서 배열될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 회로는 집적 회로로서 구현될 수 있다. 하나 이상의 라우드 스피커가 사용 중인 집적 회로에 연결될 수 있다.

실시예들은 호스트 디바이스, 특히 예를 들어 이동 전화기, 오디오 플레이어, 비디오 플레이어, PDA, 랩톱 컴퓨터 또는 태블릿과 같은 모바일 컴퓨팅 플랫폼(mobile computing platform) 및/또는 게임 디바이스와 같은, 이동식 및/또는 배터리 전원 호스트 디바이스에서 구현될 수 있다. 발명의 실시예들은 또한 예를 들어 액티브 스피커들(active speakers) 또는 헤드셋들(headsets) 등과 같은 호스트 디바이스에 부착 가능한 액세서리들로 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있다.

위에서 언급한 실시예들은 발명을 제한하기보다는 예시하는 것이고, 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 첨부된 청구 범위들의 범주를 벗어나지 않고 많은 대안적인 실시예들을 설계할 수 있음을 주의해야 한다. "포함한다"라는 단어는 청구항에 나열된 것 이외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않으며, "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않으며, 단일의 특징 또는 다른 유닛은 청구항들에서 기재된 여러 유닛들의 기능들을 실현할 수 있다. 청구항들에서 임의의 참조 번호들 또는 라벨들은 그들의 범위를 제한하도록 해석되어서는 안 된다. 증폭 또는 이득과 같은 용어들은 가능하게는 신호에 1보다 작은 스케일링 인자를 적용하는 것을 포함한다.

Claims (44)

1. 라우드 스피커(loudspeaker)의 열 보호(thermal protection)를 위한 시스템으로서,
   상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인(signal processing chain)의 이득(gain)을 변조(modulating)하기 위한 제어 신호를 생성하도록 구성된 제어기(controller)를 포함하고,
   상기 제어기는 상기 제어 신호가:
   상기 라우드 스피커의 보이스 코일 온도의 표시;
   상기 라우드 스피커의 상기 보이스 코일에서의 전력 소산(power dissipation)의 표시; 및
   상기 보이스 코일로부터의 열 흐름을 위한 열 저장기(thermal reservoir)의 저장기 온도의 표시
   의 각각의 함수로서 생성되도록 구성되며,
   상기 제어기는,
   상기 저장기 온도의 표시에 기초한 보이스 코일 온도로 허용 전력 소산의 허용 전력 함수를 결정하도록 구성된 전력 제한 모듈(power limit module); 및
   상기 보이스 코일 온도의 표시, 상기 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 표시, 및 상기 허용 전력 함수에 기초하여 이득 설정을 결정하도록 구성된 이득 계산 모듈(gain calculation module)
   을 포함하고, 상기 제어 신호는 상기 이득 설정에 기초하고,
   상기 전력 제한 모듈은 상기 보이스 코일의 최대 허용 온도에서의 상기 허용 전력 소산이 상기 저장기 온도의 표시에 의존하도록 상기 허용 전력 함수를 결정하도록 구성되고,
   상기 전력 제한 모듈은 상기 최대 허용 온도에서의 상기 허용 전력 소산이, 관련된 상기 저장기 온도에서의 상기 보이스 코일의 정상 상태(steady state) 온도를 초래하는 전력 소산에 대응하도록 상기 허용 전력 함수를 결정하도록 구성된, 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 전력 제한 모듈은 임계 온도(threshold temperature)와 상기 최대 허용 온도 사이의 보이스 코일 온도 범위에 대한 상기 허용 전력 함수를 결정하도록 구성된, 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전력 제한 모듈은 상기 임계 온도 미만의 임의의 보이스 코일 온도에 대해 허용 전력에 대한 제한이 적용되지 않도록 상기 허용 전력 함수를 결정하도록 구성된, 시스템.
7. 제5항에 있어서,
   상기 전력 제한 모듈은 상기 임계 온도에서의 허용 전력 소산이 상기 라우드 스피커의 상기 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 표시에 기초하도록 상기 허용 전력 함수를 결정하도록 구성된, 시스템.
8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
   상기 이득 계산 모듈은 상기 허용 전력 함수 및 상기 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 표시에 따라 결정된 허용 전력 소산에 기초하여 상기 이득 설정을 결정하도록 구성된, 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 이득 계산 모듈은 이득 제어 전달 함수에 따라 상기 이득 설정을 결정하도록 구성되고,
   상기 이득 제어 전달 함수는 상기 라우드 스피커의 상기 보이스 코일에서의 제1 전력 소산 값에서의 제1 이득 설정으로부터 상기 보이스 코일에서의 제2 전력 소산 값에서의 제2 이득 설정으로 상기 이득 설정을 변경시킬 수 있으며, 상기 제1 이득 설정은 최대 이득 설정에 대응하고 상기 제2 이득 설정은 상기 최대 이득 설정보다 더 낮은 이득 설정에 대응하고,
   상기 보이스 코일에서의 상기 제2 전력 소산 값은 상기 허용 전력 소산에 대응하고, 상기 제2 이득 설정은 상기 라우드 스피커를 구동하는 상기 신호 처리 체인에 대한 입력 신호가 최대 레벨에 있는 경우에 상기 허용 전력 소산과 동일한 전력 소산을 초래하는 이득 설정에 대응하는, 시스템.
10. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 보이스 코일의 상기 전력 소산의 표시에 기초하여 상기 저장기 온도의 표시를 결정하도록 구성된 추정(estimation) 모듈을 포함하는, 시스템.
11. 라우드 스피커(loudspeaker)의 열 보호(thermal protection)를 위한 시스템으로서,
    상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인(signal processing chain)의 이득(gain)을 변조(modulating)하기 위한 제어 신호를 생성하도록 구성된 제어기(controller) - 상기 제어기는 상기 제어 신호가:
    상기 라우드 스피커의 보이스 코일 온도의 표시;
    상기 라우드 스피커의 상기 보이스 코일에서의 전력 소산(power dissipation)의 표시; 및
    상기 보이스 코일로부터의 열 흐름을 위한 열 저장기(thermal reservoir)의 저장기 온도의 표시
    의 각각의 함수로서 생성되도록 구성됨 -; 및
    상기 보이스 코일의 상기 전력 소산의 표시에 기초하여 상기 저장기 온도의 표시를 결정하도록 구성된 추정(estimation) 모듈
    을 포함하고, 상기 추정 모듈은,
    상기 보이스 코일과 상기 열 저장기 사이의 열 경로의 열 임피던스 모델 및 상기 보이스 코일의 상기 전력 소산의 표시에 기초하여 추정된 온도 상승치를 결정하도록 구성된 온도 상승 모듈; 및
    상기 추정된 온도 상승치 및 상기 보이스 코일 온도의 표시에 기초하여 상기 저장기 온도의 표시를 결정하도록 구성된 저장기 온도 추정 모듈
    을 포함하는, 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 추정 모듈은 상기 라우드 스피커의 상기 보이스 코일에 인가되는 전압을 표시하는 제1 신호 및 상기 보이스 코일에 흐르는 전류를 표시하는 제2 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력을 포함하고, 상기 제1 및 제2 신호들에 기초하여 상기 보이스 코일의 상기 온도의 표시 및 상기 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 표시를 결정하도록 구성되며; 적어도 상기 온도의 추정치는 상기 제1 및 제2 신호들에 기초하여 결정된 상기 보이스 코일의 저항의 추정치에 기초하는, 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 추정 모듈은:
    상기 추정된 보이스 코일 저항과 기지 온도(known temperature)에서의 기준 저항 값 간의 차이; 및
    상기 라우드 스피커의 코일에 대한 온도 계수
    에 기초하여 상기 보이스 코일 저항의 추정치를 결정하도록 구성된, 시스템.
14. 제12항에 있어서,
    상기 추정 모듈은 상기 추정된 보이스 코일 저항 및 상기 보이스 코일에 흐르는 전류를 표시하는 상기 제2 신호에 기초하여 상기 전력 소산의 표시를 결정하도록 구성된, 시스템.
15. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 저장기 온도의 표시는 상기 라우드 스피커에 대한 주위 온도(ambient temperature)의 표시인, 시스템.
16. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 저장기 온도의 표시는 상기 보이스 코일 이외의 상기 라우드 스피커의 구성 요소의 온도의 표시인, 시스템.
17. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어기는 제어 신호를 제공하기 위해 시간 영역 처리(time domain processing)를 상기 이득 설정에 적용하도록 구성된 이득 제어 모듈을 포함하는, 시스템.
18. 제17항에 있어서,
    상기 시간 영역 처리는 상기 제어 신호를 생성하기 위해 어택 시상수(attack time constant) 및 감쇠 시상수(decay time constant) 중 적어도 하나를 상기 이득 설정에 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 이득 제어 모듈은 상기 어택 시상수 및 감쇠 시상수 중 적어도 하나가 상기 보이스 코일 온도의 표시에 기초하여 변경되도록 구성된, 시스템.
19. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어기는 적용된 이득 변화들의 최대 빈도(frequency)가 미리 결정된 한계 미만으로 유지되도록 구성된, 시스템.
20. 제9항에 있어서,
    상기 입력 신호에 이득을 적용하기 위한 이득 요소(element)를 포함하고, 상기 이득 요소는 상기 제어기에 의해 제어되고,
    상기 제어기는 상기 제어 신호 및 적어도 하나의 다른 이득 설정에 기초하여 상기 이득 요소의 이득을 제어하는, 시스템.
21. 전자 장치로서,
    제1항 또는 제5항에 따른 시스템을 포함하는 전자 장치.
22. 라우드 스피커의 열 보호를 위한 시스템으로서,
    라우드 스피커의 보이스 코일에 대한 온도에 대비하여 전력 소산의 허용 전력 함수를 결정하기 위한 전력 제한 블록을 포함하고, 상기 전력 제한 블록은 상기 보이스 코일에서 생성된 열에 대한 열 저장기의 온도의 표시를 수신하기 위한 입력을 갖고, 상기 허용 전력 함수는 상기 열 저장기의 상기 온도에 의존하고,
    상기 전력 제한 블록은 최대 허용 온도에서의 상기 전력 소산이, 관련된 상기 저장기 온도에서의 상기 보이스 코일의 정상 상태(steady state) 온도를 초래하는 전력 소산에 대응하도록 상기 허용 전력 함수를 결정하도록 구성된, 시스템.
23. 라우드 스피커에 대한 열 보호 시스템으로서,
    상기 라우드 스피커의 보이스 코일에 인가되는 전압을 표시하는 제1 신호 및 상기 보이스 코일에 흐르는 전류를 표시하는 제2 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력;
    온도 및 전력 추정 모듈 - 상기 온도 및 전력 추정 모듈은,
    상기 제1 및 제2 신호들에 기초하여 결정된 상기 보이스 코일의 저항의 추정치에 기초한 상기 보이스 코일의 온도의 추정치;
    상기 제1 신호, 제2 신호들, 및/또는 상기 보이스 코일의 상기 저항의 추정치에 기초한 상기 보이스 코일에서의 전력 소산의 추정치; 및
    상기 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 추정치 및 열 스피커 모델에 기초한 코일 온도의 상승의 추정치와 상기 보이스 코일의 상기 온도의 추정치의 비교에 기초한 상기 보이스 코일에서 발생한 열에 대한 열 저장기의 온도의 추정치
    를 결정하도록 구성됨 - ; 및
    상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인의 이득을 변조하기 위한 이득 제어 신호를 생성하도록 구성된 이득 제어기 - 상기 이득 제어 신호는 열 저장기의 상기 온도의 추정치, 상기 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 추정치, 및 상기 보이스 코일의 상기 온도의 추정치의 각각의 함수로서 발생함 -
    를 포함하는, 시스템.
24. 라우드 스피커의 보이스 코일의 열 보호를 위한 시스템으로서,
    상기 보이스 코일을 통해 흐르는 전류 및 상기 보이스 코일에 인가된 전압에 기초하여 상기 보이스 코일에서 생성된 열에 대한 열 저장기의 온도의 추정치, 상기 보이스 코일에서의 전력 소산의 추정치, 및 상기 보이스 코일의 온도의 추정치를 생성하고, 상기 라우드 스피커를 구동하는 신호 처리 체인의 이득을 변조하기 위한 이득 제어 신호를 생성하도록 구성된 모듈을 포함하며, 상기 이득 제어 신호는 상기 보이스 코일의 상기 온도의 추정치, 상기 보이스 코일에서의 상기 전력 소산의 추정치, 및 상기 열 저장기의 상기 온도의 추정치에 기초하는, 시스템.
25. 삭제
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