本公开主张于2016年10月3日提交的美国非临时专利申请序列号15/283,839的优先权，美国非临时专利申请序列号15/283,839主张于2015年11月16日提交的美国临时专利申请序列号62/255,960的优先权，各案全部内容以引用方式并入本文中。
本公开大体上涉及音频设备电路，包括但不限于诸如无线电话和媒体播放器的个人音频设备，更具体地，涉及用于向放大器或其他负载提供电源电压的开关型电源。
背景技术：
个人音频设备，包括无线电话(诸如移动电话/蜂窝电话)、无绳电话、mp3播放器以及其他消费类音频设备，有着广泛应用。此类个人音频设备可包括用于驱动一对头戴式受话器或一个或更多个扬声器的电路。这种电路通常包括用于把音频输出信号驱动至头戴式受话器或扬声器的功率放大器。一般而言，功率放大器通过从电源中获取能量并控制音频输出信号以匹配输入信号形状(但振幅较大)来对音频信号进行放大。虽然许多放大器架构(例如，a类放大器、b类放大器和ab类放大器)只提供单个电源用于功率放大器，但是一些架构提供至少两个电源电压用于给功率放大器供电，以经由单个或恒定电源电压架构实现更大功率效率。
多电源电压放大器的一个示例是h类放大器。h类放大器可具有无限可变电压供给轨，该电压供给轨跟踪h类放大器的输出信号的包络。为了提供这种无限可变电压供给轨，可对输出供给轨进行调制使得输出供给轨在任何给定时间仅略大于音频输出信号的幅度。例如，开关型电源可以用于建立输出信号跟踪电压轨。因此，h类放大器可通过减小放大器的输出驱动晶体管处的功率浪费来提高效率。
技术实现要素：
根据本公开的教导，可以减少或消除与把音频输出信号驱动至音频换能器的现有方法相关联的一个或更多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种装置可包括功率转换器，该功率转换器具有用于接收由电源生成的输入电源电压的电源输入、用于向负载生成输出电压的输出和耦合在电源输入和输出之间的功率电感器，且还包括能量存储元件，该能量存储元件耦合到电源输入、功率电感器和输出，使得功率电感器的操作在把能量输送到能量存储元件和把能量输送到负载之间在时间上分开以及能量存储元件的操作在把能量输送到负载和从电源和负载中的一者或两者接收能量之间在时间上分开。根据本公开的--这些和其他实施例，一种方法可包括在功率转换器中操作功率转换器使得功率电感器在把能量输送到能量存储元件和把能量输送到负载之间在时间上分开以及操作功率转换器使得能量存储元件在把能量输送到负载和从电源和负载中的一者或两者接收能量之间在时间上分开，该功率转换器具有用于接收由电源生成的输入电源电压的电源输入、用于向负载生成输出电压的输出和耦合在电源输入和输出之间的功率电感器，且还具有耦合到电源输入、功率电感器和输出的能量存储元件。
本公开的技术优点对于本领域技术人员而言从本文中所包括的附图、说明书和权利要求书中可以很容易看出。实施例的目的和优点将至少通过权利要求范围中特别指出的要素、特征及组合来实现和达到。应当理解，上面大致说明和下面详细说明都是示例且是解释性的，而不是对本公开中所述的权利要求范围的限制。
附图说明
通过结合附图参照下面说明，可以获得对本发明实施例及其优点的更完整的理解，其中相同附图标记表示相同特征，其中：
图1示出根据本公开的实施例的示例性个人音频设备；
图2是根据本公开的实施例的个人音频设备的示例性音频集成电路的选定部件的方块图；
图3是根据本公开的实施例的示例性开关型电源的选定部件的方块图；
图4示出列出图3中根据本公开的实施例的开关型电源的多个有用开关配置的表；
图5示出具有经整流的正弦波形的示例性负载电压的曲线图，该曲线图表示图3中根据本公开的实施例的开关型电源的多种操作模式的示例性操作范围；
图6是根据本公开的实施例的另一个示例性开关型电源的选定部件的方块图；
图7是根据本公开的实施例的个人音频设备的另一个示例性音频集成电路的选定部件的方块图。
具体实施方式
图1示出根据本公开的实施例的示例性个人音频设备1。图1示出以一对耳塞式扬声器8a和8b的形式耦合到耳机3的个人音频设备1。图1所示的耳机3仅仅是示例，且应当理解，个人音频设备1可以结合多种音频换能器使用，包括但不限于头戴式受话器、耳塞、入耳式耳机和外置扬声器。插头4可以为耳机3和个人音频设备1的电气端子提供连接。个人音频设备1可向用户提供显示器并使用触摸屏2来接收用户输入，或可替换地，标准液晶显示器(lcd)可以与设置在个人音频设备1的正面和/或侧面上的多种按钮、滑块和/或拨号盘进行合并。同样如图1所示，个人音频设备1可包括用于生成发送给耳机3和/或另一个音频换能器的模拟音频信号的音频集成电路(ic)9。
图2是根据本公开的实施例的个人音频设备的示例性音频ic9的选定部件的方块图。在一些实施例中，示例性音频ic9可以用于实现图1的音频ic9。如图2所示，微控制器内核18可向数字-模拟转换器(dac)14提供数字音频输入信号dig_in，该dac14可把数字音频输入信号转换为模拟信号vin。dac14可向放大器级16提供模拟信号vin，该放大器级16可对音频输入信号vin进行放大或衰减以提供音频输出信号vout，该音频输出信号vout可操作扬声器、头戴式受话器换能器、线路电平信号输出和/或其他合适的输出。特别是如果放大器级16通过具有与接地大不相同的静态电压的单极电源进行操作，那么电容器co可以用于把输出信号耦合到换能器或线路电平输出。而且，如图2所示，音频ic9可包括控制电路20，该控制电路20被配置成基于数字音频输入信号dig_in使用一个或更多个控制信号(图2中标记为“voltagecontrol”)来控制放大器级16的电源电压。
如图2所示，放大器级16可包括h类放大器26，该h类放大器26具有用于接收模拟信号vin的输入、用于生成基于并表示模拟信号vin的输出信号vout的输出以及用于接收由可变电源28输出的可变负载电压vload的电源输入，其中可变电源28基于一个或更多个控制信号voltagecontrol来输出可变负载电压vload。由可变电源28输出的负载电压vload可选自多个离散电压，或可包括介于最小电压和最大电压之间的无限数量个电压。
图3是根据本公开的实施例的示例性开关型电源30的选定部件的方块图。在一些实施例中，示例性开关型电源30可以用于实现图2的可变电源28。如图3所示，开关型电源30可包括蓄电池40或被配置成输出蓄电池电压vbat的其他电压源。蓄电池40可包括任何合适的能量存储器件，包括但不限于被配置成把化学能转换为蓄电池40的端子处的电能的一个或更多个电化学电池。如图3所示，开关型电源30还可包括输出，开关型电源30可在该输出处生成单端负载电压vload。
开关型电源30可包括功率电感器42和多个开关31-37。功率电感器42可包括任何无源双端电气部件，该电气部件阻止通过它的电流变化并使得当流过它的电流变化时，根据法拉第电磁感应定律，时变磁场在功率电感器42中感应出电压，其与产生磁场的电流变化相反。各开关31-37可包括用于响应于由开关接收到的控制信号当开关启用(例如，有效、闭合或接通)时连接电路以及当开关停用(例如，无效、断开或切断)时断开连接的任何合适的器件、系统或装置。为了清楚地说明，未示出开关31-37的控制信号(例如，从控制电路20传递的控制信号)，尽管会存在此类控制信号以选择性地启用和停用开关31-37。在一些实施例中，开关31-37可包括n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
开关31可耦合在蓄电池40的正输入端子和功率电感器42的第一端子之间。开关32可耦合在蓄电池40的负输入端子(例如，接地电压)和功率电感器42的第一端子之间。开关33可耦合在功率电感器42的第二端子和开关型电源30的输出之间。开关34可耦合在功率电感器42的第二端子和蓄电池40的负输入端子(例如，接地电压)之间。开关35可耦合在功率电感器42的第二端子和电容器44的第一端子或另一个能量存储元件之间。开关36可耦合在功率电感器42的第一端子和电容器44的第一端子之间。开关37(在一些实施例中，开关型电源30中可能不存在)可耦合在开关型电源30的输出和功率电感器42的第一端子之间。
电容器44可在其第二端子处耦合到蓄电池40的负输入端子(例如，接地电压)。电容器44可包括用于把电能暂时存储在电场中的任何电气部件。在一些实施例中，电容器44可以用能够存储能量的任何其他部件来替代。例如，在一些实施例中，电容器44可以用充电式蓄电池来替代。
操作时，开关31-34可由控制电路20控制，使得开关型电源30在多个模式下操作，该多个模式至少包括开关型电源30生成大于其输入电源电压(例如，蓄电池电压vbat)的输出电压(例如，负载电压vload)的升压模式和开关型电源30生成小于其输入电源电压(例如，蓄电池电压vbat)的输出电压(例如，负载电压vload)的降压模式。例如，为了在降压模式下操作，控制电路20可启用开关33，停用开关34，并分别在充电阶段和放电阶段顺序地使开关31和32换向。为了在升压模式下操作，控制电路20可启用开关31，停用开关32，并分别在充电阶段和放电阶段顺序地使开关33和34换向。因此，开关型电源30其实用作功率转换器。
另外，控制电路20可控制开关31-37，使得功率电感器42的操作在把能量输送到电容器44和把能量输送到开关型电源30的输出处的负载之间在时间上分开以及使得电容器44的操作在把能量输送到开关型电源30的输出处的负载和从蓄电池40和开关型电源30的输出处的负载中的一者或两者接收能量之间在时间上分开。例如，当开关33启用且开关35停用时，经由功率电感器42的第二端子，能量可从功率电感器42输送到开关型电源30的输出处的负载，或能量可从开关型电源30的输出处的负载输送到功率电感器42。又如，当开关36启用时，能量可从电容器44输送到功率电感器42。另外，当开关37启用时，能量可从开关型电源30的输出处的负载经由功率电感器42的第一端子输送到功率电感器42。此外，当开关35和36都停用时，电容器44既不能从开关型电源30的其他部件接收能量又不能把能量输送到开关型电源30的其他部件。
作为开关31-37的控制示例，图4示出列出根据本公开的实施例的开关型电源30的多个有用开关配置的表。图4还列出对于多种配置中的各配置所提出的能量转移路径。关于图4中列出对于多种配置中的各配置所提出的能量转移路径，相关领域技术人员从图4中最右列列出的能量转移路径应当理解，存在于开关型电源30中的其他电压可改变进出功率电感器42的电荷转移。
在开关型电源30的各开关周期内，开关型电源30可以任何合适的顺序使用图4所列配置中的两个或更多个配置以对功率电感器42进行充电或放电和/或把能量从电容器44转移到开关型电源30的输出处的负载或把能量从开关型电源30的输出处的负载转移到电容器44。在开关周期期间使用这些开关配置中的两个或更多个配置的净效应可使负载电压vload降压或升压或使电容器44两端的电压vstr降压或升压。例如，开关型电源30可在开关周期期间使用如图4所示配置a、配置b、配置g和配置h的顺序，这可能具有把能量推到负载和存储电容器的净效应。在开关周期期间各个配置的确切持续时间可控制负载电压vload或电压vstr是大于还是小于蓄电池电压vbat的电压。
图5示出具有经整流的交流波形的示例性负载电压vload的曲线图，根据需要对电压进行修改以控制由蓄电池40提供的电流，同时维持负载电压vload的期望行为，该曲线图表示根据本公开的实施例的开关型电源30的多种操作模式的示例性操作范围。因此，对于交流满量程信号的各周期，开关型电源30可顺序地在降压模式(例如，对于vload<vbat+δv1，其中δv1可以是任意选定电压)、升压模式(例如，对于vload>vbat+δv2，其中δv2可以是可以等于电压δv1或可以不等于电压δv1的任意选定电压)然后再次在降压模式下操作。图5还示出当负载电压vload具有经整流的正弦波形时电容器44两端的电压vstr的示例性波形。从图5中可以看出，可能存在电容器电压vstr降至负载电压vload以下的某些时段。
因此，利用图4的开关顺序并如图5所示，在降压模式期间，能量可从蓄电池40转移到负载和电容器44各者，在升压模式期间，能量可从蓄电池40和电容器44两者转移到负载。因此，开关型电源30可以能够从蓄电池40中获取基本恒定的功率并把从蓄电池40中取得的不需要的能量存储在电容器44中。当负载处需要额外能量时，可以从蓄电池40和电容器44两者中获取能量，在一些情况下，而无需增加从蓄电池40中获取的功率。有利的是，这种架构和操作可使从蓄电池40中获取的峰值电流减到最小，这可以最大限度地减小电压下降和其他不良影响的发生。而且，在开关型电源30的架构中，与标准升压转换器不同，电容器44中的电压可以降至蓄电池电压vbat和负载电压vload以下，从而允许使用比升压转换器中的升压电容器更多的电容器44的存储能量。
虽然电容器44被示出为开关型电源30不可分割的一部分，但是在一些实施例中，单个电容器44可以电气耦合到多个开关型电源或其他部件，因此其功能如上所述可以在多个开关型电源之间共享。
虽然前面讨论设想与某些模式(例如，升压模式或降压模式)相关联的某些开关配置，但是应当注意，特定模式下的操作并不一定意味着任何特定的开关配置。例如，当负载电压vload约等于蓄电池电压vbat时，常用降压或升压配置下的操作由于这样的操作可能要求开关型电源30的开关的开关时间极小的事实可能不可行。因此，在这种情况下，伴随着电压升压或降压的新效应，可以使用降压-升压或三相开关配置。
图6是根据本公开的实施例的另一个示例性开关型电源50的选定部件的方块图。在一些实施例中，示例性开关型电源50可以用于实现图2的可变电源28。
如图6所示，开关型电源50可包括蓄电池61或被配置成输出蓄电池电压vbat的其他电压源。蓄电池61可包括任何合适的能量存储器件，包括但不限于被配置成把化学能转换为蓄电池61的端子处的电能的一个或更多个电化学电池。如图6所示，开关型电源50还可包括输出，开关型电源50可在该输出处生成差分负载电压vload。
开关型电源50可包括功率电感器62和多个开关51-60。功率电感器62可包括任何无源双端电气部件，该电气部件阻止通过它的电流变化并使得当流过它的电流变化时，根据法拉第电磁感应定律，时变磁场在功率电感器62中感应出电压，其与产生磁场的电流变化相反。各开关51-60可包括用于响应于由开关接收到的控制信号当开关启用(例如，有效、闭合或接通)时连接电路以及当开关停用(例如，无效、断开或切断)时断开连接的任何合适的器件、系统或装置。为了清楚地说明，未示出开关51-60的控制信号(例如，从控制电路20传递的控制信号)，尽管会存在此类控制信号以选择性地启用和停用开关51-60。在一些实施例中，开关51-60可包括n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
开关51可耦合在蓄电池61的正输入端子和功率电感器62的第一端子之间。开关52可耦合在蓄电池61的负输入端子(例如，接地电压)和功率电感器62的第一端子之间。开关53可耦合在蓄电池61的正输入端子和功率电感器62的第二端子之间。开关54可耦合在蓄电池61的负输入端子(例如，接地电压)和功率电感器62的第二端子之间。开关55可耦合在功率电感器62的第二端子和开关型电源50的正输出端子之间。开关56可耦合在功率电感器62的第一端子和开关型电源50的负输出端子之间。开关57可耦合在开关型电源50的正输出端子和蓄电池61的负输入端子(例如，接地电压)之间。开关57可耦合在开关型电源50的负输出端子和蓄电池61的负输入端子(例如，接地电压)之间。开关59可耦合在功率电感器62的第一端子和电容器64的第一端子之间。开关60可耦合在功率电感器62的第二端子和电容器64的第一端子之间。
电容器64可在其第二端子处耦合到蓄电池61的负输入端子(例如，接地电压)。电容器64可包括用于把电能暂时存储在电场中的任何电气部件。在一些实施例中，电容器64可以用能够存储能量的任何其他部件来替代。例如，在一些实施例中，电容器64可以用充电式蓄电池来替代。
操作时，开关51-58可由控制电路20控制，使得开关型电源50在多个模式下操作，该多个模式至少包括开关型电源50生成大于其输入电源电压(例如，蓄电池电压vbat)的输出电压(例如，负载电压vload)的升压模式和开关型电源50生成小于其输入电源电压(例如，蓄电池电压vbat)的输出电压(例如，负载电压vload)的降压模式。另外，与图3中可能只能够生成负载电压vload的正电压的开关型电源30相比，这样的开关51-58可由控制电路20控制，使得开关型电源50可输出负载电压vload的正电压或负电压。
为了说明，当生成正负载电压vload时，为了在降压模式下操作，控制电路20可启用开关55和58，停用开关53、54、56和57，并顺序地使开关51和52换向。当生成正负载电压vload时，为了在升压模式下操作，控制电路20可启用开关51和58，停用开关52、53、56和57，并顺序地使开关54和55换向。另一方面，当生成负负载电压vload时，为了在降压模式下操作，控制电路20可启用开关56和57，停用开关51、52、55和58，并顺序地使开关53和54换向。当生成负负载电压vload时，为了在升压模式下操作，控制电路20可启用开关53和57，停用开关51、54、55和58，并顺序地使开关52和56换向。因此，开关型电源30其实用作具有差分输出的功率转换器，该功率转换器可以生成负载电压vload的正值或负值。
另外，控制电路20可控制开关51-60，使得功率电感器62的操作在把能量输送到电容器64和把能量输送到开关型电源50的输出处的负载之间在时间上分开以及使得电容器64的操作在把能量输送到开关型电源50的输出处的负载和从蓄电池61和开关型电源50的输出处的负载中的一者或两者接收能量之间在时间上分开。例如，当开关55和56中的任一个开关启用且开关59和60停用时，能量可从功率电感器62输送到开关型电源50的输出处的负载，或能量可从开关型电源50的输出处的负载输送到功率电感器62。又如，当开关55和60启用时，能量可从电容器64输送到开关型电源50的输出处的负载，或能量可从开关型电源50的输出处的负载输送到电容器64。又如，当开关59和60中的任一个开关启用时，能量可从电容器64输送到功率电感器62。此外，当开关59和60都停用时，电容器44既不能从开关型电源30的其他部件接收能量又不能把能量输送到开关型电源30的其他部件。
开关型电源50可以看成等同于开关型电源30的单端实现的差分输出。虽然前面讨论已经设想开关型电源30和开关型电源50可以用作用于处理音频信号的音频放大器的可变电压电源，但是在一些实施例中，开关型电源30和/或开关型电源50可以用于生成放大器内的音频输出信号而不是向这种放大器提供用于操作放大器的电源电压。例如，图7是根据本公开的实施例的示例性开关型放大器70的选定部件的方块图。在一些实施例中，可以使用开关型放大器70来代替就图2所述的放大器16。如图7所示，开关型放大器70可包括环路滤波器72、开关型转换器控制器74和开关型电源76。
环路滤波器72可包括被配置成接收输入信号(例如，数字音频输入信号dig_in或其导数)和反馈信号(例如，音频输出信号vout、其导数或表示音频输出信号vout的其他信号)并基于这样的输入信号和反馈信号来生成将传递到开关型电源控制器74的控制器输入信号的任何系统、器件或装置。在一些实施例中，这样的控制器输入信号可包括表示输入信号和反馈信号之间的积分误差的信号。在其他实施例中，这样的控制器输入信号可包括表示将作为输出电流iout驱动至耦合到开关型电源76的输出端子的负载的目标电流信号或将作为输出电压vout驱动至耦合到开关型电源76的输出端子的负载的目标电压信号的信号。
开关型电源控制器74可包括被配置成基于控制器输入信号在开关型电源76的多个开关配置中顺序地选择并基于输入信号(例如，数字音频输入信号dig_in)、输出信号vout和/或开关型放大器70的其他特性把多个控制信号传递给开关型电源76以根据输入信号从开关型电源76的开关(例如，开关31-37或开关51-60)的多个开关配置中应用开关配置来选择性地使多个开关中的各开关有效或无效以把电能从蓄电池或提供电压vbat的其他电源转移到开关型放大器70的负载的任何系统、器件或装置。
开关型电源76可在其输入处接收电压vbat，并可在其输出处生成音频输出信号vout。虽然图7中未明确示出，但是在一些实施例中，电压vbat可经由包括正输入端子和可耦合到接地电压的负输入端子的输入端子接收。开关型电源76可包括功率电感器(例如，功率电感器42或功率电感器62)和多个开关(例如，开关31-37或开关51-60)，该多个开关由从开关型电源控制器74接收到的控制信号控制以把电压vbat转换为音频输出信号vout，使得音频输出信号vout是环路滤波器72的输入信号的函数。开关型电源76可以通过开关型电源30、开关型电源50或任何其他合适的电路来实现。
如本文中使用，当两个或更多个元件被称为彼此“耦合”时，这样的术语表示这样的两个或更多个元件处于电子连通或机械连通，适用时，无论是间接连接还是直接连接，有或无中间元件。
本领域普通技术人员应当明白，本公开包括对本文中示例性实施例的所有更改、替换、变动、变形和修改。同样地，本领域普通技术人员应当明白，在适当的情况下，所附权利要求包括对本文中示例性实施例的所有更改、替换、变动、变形和修改。此外，所附权利要求中对装置或系统或装置或系统的部件的引用包括该装置、系统或部件，该装置、系统或部件适应执行特定功能，被布置成执行特定功能，能够执行特定功能，被配置成执行特定功能，被启用为执行特定功能，可操作为执行特定功能或操作为执行特定功能，无论其或特定功能是否启动、打开或开启，只要该装置、系统或部件适应执行特定功能，被布置成执行特定功能，能够执行特定功能，被配置成执行特定功能，被启用为执行特定功能，可操作为执行特定功能或操作为执行特定功能。
本文中所述的所有示例和条件性语言都旨在教学目的，以帮助读者理解本发明以及发明人为深化技术而提出的概念，且被解释为并不限于这样具体陈述的示例和条件。虽然已经对本发明的实施例进行详细说明，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可对本发明的实施例进行多种更改、替换和变形。