升压电路的自适应控制装置及控制方法与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种升压电路的自适应控制装置及控制方法。


背景技术：

2.数字音频芯片需要开关电源为功放级提供电源，目前应用于各种手持设备的数字音频芯片对电源效率的要求日益提高。
3.音频信号具有功率动态范围宽的特点，一般在40db到120db之间。例如常见的16bit cd音频，其功率动态范围为96db。因此，基于提升系统电源效率的考虑，为音频功放提供电源的升压电路(boost)不需要恒定工作在最高电压。
4.通过对升压电路(boost)中的电压进行控制，使其跟随音频信号幅度作出相应变化，自适应调节其电压，可以在确保音质的前提下，改善电源效率。
5.现有用于音频电路的升压电路(boost)中的电源或提供恒定的电压，或提供自适应电压而未对电压的切换过程进行控制。导致应用中通常面临以下问题：
6.1)单一boost电压工作模式下，由于音频信号多呈现突发式特征，在多数时间为小信号，boost电压不能充分利用；
7.2)boost自适应模式下，由于最佳boost电压实际上是音频信号幅度的函数，使用统一的电压裕量，则效率未能最优化；
8.3)boost自适应模式下，音频信号和与之匹配的boost电压难以有效对准，一般加以过多的时间裕量，影响最终的音质和效率；
9.4)boost自适应模式下，瞬间的电压切换会导致电磁干扰(emi)问题，并影响音质；
10.5)boost自适应模式下，不同的电压行程一般采用统一的切换速率，也会影响电源效率和导致电磁干扰(emi)问题。
11.因此有必要提供一种升压电路的自适应控制装置及控制方法，使升压电路能自适应、精确和高效地跟随数字音频信号的变化而变化，在提高电源效率的同时，减少输出电压的纹波，改善电磁干扰。


技术实现要素：

12.本发明的目的在于提供一种升压电路的自适应控制装置及控制方法，使升压电路能自适应、精确和高效地跟随数字音频信号的变化而变化，在提高电源效率的同时，减少输出电压的纹波，改善电磁干扰。
13.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种升压电路的自适应控制装置，包括：
14.音频解码设备，配置为对每一帧数字音频信号进行采集和解码；
15.固定延时缓冲器，配置为对解码后的数字音频信号进行缓存，并预设一固定延时；
16.目标电压计算设备，配置为将所需电压和电压裕量值相加得到目标电压，其中，所
需电压根据解码后的数字音频信号得到，电压裕量值根据解码后的数字音频信号的幅度预设得到；
17.时域优化设备，配置为预设一时间裕量，并根据目标电压得到行程方向、行程速率和启动延时，当行程方向为上升时，启动延时＝固定延时
‑
时间裕量
‑
目标电压/行程速率，当行程方向为下降时，启动延时＝时间裕量，以使所述目标电压和所述数字音频信号对齐；
18.优先级判决器，配置为根据连续的两个目标电压判断优先级，若连续的两个目标电压中前一个目标电压为下降，后一个目标电压为上升，此时上升动作的优先级大于下降动作，则仅执行电压上升动作，并且重新计算此时的行程方向、行程速率和启动延时；
19.电压步进设备，配置为启动延时的时间到达后，按照行程速率递增或递减电压值；
20.升压电路模块，配置为根据电压步进设备输出的递增或递减电压值，输出满足功放级要求的电压。
21.可选的，在所述升压电路的自适应控制装置中，优先级判决器中，若连续的两个目标电压均为上升、均为下降或先升后降，则按照顺序执行电压的上升动作或下降动作。
22.可选的，在所述升压电路的自适应控制装置中，预设多个行程速率，根据目标电压和当前电压的差值选择预设行程速率中最缓和且能达到目标电压的行程速率。
23.可选的，在所述升压电路的自适应控制装置中，预设电压裕量值的取值范围，根据目标电压从预设的取值范围内选取所述电压裕量值；
24.电压裕量值由目标电压进行区间映射得到，所述目标电压与所述电压裕量值成正比。
25.可选的，在所述升压电路的自适应控制装置中，所述自适应控制装置还包括：
26.倒计时器，配置为在电压步进设备按照行程速率递增或递减电压值之前，进行倒计时；
27.模数转换模块，配置为检测实时电源电压，将其转换为数字信号以参与运算和判决；
28.锁相环模块，配置为给升压电路模块提供基准时钟。
29.本发明还提供了一种升压电路的自适应控制方法，包括以下步骤：
30.对每一帧数字音频信号进行采集和解码；
31.对解码后的数字音频信号进行缓存，并预设一固定延时；
32.将所需电压和电压裕量值相加得到目标电压，其中，所需电压根据解码后的数字音频信号得到，电压裕量值根据解码后的数字音频信号的幅度预设得到；
33.预设一时间裕量，并根据目标电压得到行程方向、行程速率和启动延时，当行程方向为上升时，启动延时＝固定延时
‑
时间裕量
‑
目标电压/行程速率，当行程方向为下降时，启动延时＝时间裕量，以使所述目标电压和所述数字音频信号对齐；
34.根据连续的两个目标电压判断优先级，若连续的两个目标电压中前一个目标电压为下降，后一个目标电压为上升，此时上升动作的优先级大于下降动作，则仅执行电压上升动作，并且重新计算此时的行程方向、行程速率和启动延时；
35.启动延时的时间到达后，按照行程速率递增或递减电压值；
36.根据电压步进设备输出的递增或递减电压值，输出满足功放级要求的电压。
37.可选的，在所述升压电路的自适应控制方法中，优先级判断过程中，若连续的两个
目标电压均为上升、均为下降或先升后降，则按照顺序执行电压的上升动作或下降动作。
38.可选的，在所述升压电路的自适应控制方法中，预设多个行程速率，根据目标电压和当前电压的差值选择预设行程速率中最缓和且能达到目标电压的行程速率。
39.可选的，在所述升压电路的自适应控制方法中，预设电压裕量值的取值范围，根据目标电压从预设的取值范围内选取所述电压裕量值；
40.电压裕量值由目标电压进行区间映射得到，所述目标电压与所述电压裕量值成正比。
41.可选的，在所述升压电路的自适应控制方法中，还包括以下步骤：
42.在电压步进设备按照行程速率递增或递减电压值之前，进行倒计时；
43.在计算目标电压时，还检测实时电源电压，将其转换为数字信号以参与运算和判决。
44.本发明和现有技术相比，具有以下优点：
45.(1)可实现升压电路(boost)中电压的自适应，从而使升压电路(boost)中的电压精确、高效地跟随数字音频信号的变化而变化；
46.(2)减少升压电路(boost)输出电压的纹波，改善电磁干扰(emi)；
47.(3)通过自适应控制延时参数(包括时间裕量、行程速率等)，可使升压电路(boost)中电压贴近数字音频信号变化，保证音频功放不发生削顶的同时，致力于提升电源效率；
48.(4)本发明中的升压电路的自适应控制装置适用于集成boost电路的数字音频芯片，利用已有电路模块，实现非常简单可靠，适合亚微米或深亚微米bcd制造工艺。
附图说明
49.图1为本发明实施例提供的升压电路控制的模块流程图；
50.图2为本发明实施例提供的自适应升压电路中电压切换示意图。
具体实施方式
51.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
52.如果本文所述的方法包括一系列步骤，则本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法中。
53.现有用于音频电路的升压电路(boost)中的电源或提供恒定的电压，或提供自适应电压而未对电压的切换过程进行控制。导致应用中通常面临boost电压不能充分利用、电源效率低下、最终的音质差和存在电磁干扰等问题。
54.因此有必要提供一种升压电路的自适应控制装置，如图1所示，图1为本发明实施例提供的升压电路控制的模块流程图，所述控制装置包括：
55.音频解码设备，配置为对每一帧数字音频信号进行采集和解码。
56.固定延时缓冲器，配置为对解码后的数字音频信号进行缓存，并预设一固定延时，
其中，所述固定延时记为tdelay，优选的，所述固定延时可微调，用于精确对准目标电压和数字音频信号。
57.目标电压计算设备，配置为将所需电压和电压裕量值相加得到目标电压，其中，所需电压根据解码后的数字音频信号得到，电压裕量值根据解码后的数字音频信号的幅度预设得到；在越高的boost电压下，可能的负载变化越大，对应的boost电压波动也就越大，因此根据目标电压计算设备确定当前数据帧对应的电压裕量值，并进一步计算得到目标电压，输出至时域优化设备。
58.较佳的，预设电压裕量值的取值范围，根据目标电压从预设的取值范围内选取所述电压裕量值；电压裕量值由目标电压进行区间映射得到，所述目标电压与所述电压裕量值成正比。优选的，电压裕量值为覆盖所需电压而预留的最小电压。
59.时域优化设备，为保证音质，在classd输出处，boost电压任何时刻都不能低于数字音频信号的幅度。boost电压应提前上升到位，而滞后下降，因此，时域优化设备预设一时间裕量，记为tguard，优选的，时间裕量为提前上升到位或滞后下降中提前时间或滞后时间的最小值。所述时域优化设备在每一个目标电压更新时，需要计算切换所需的电压行程，并为此行程选取尽可能慢的行程速率；同时基于固定延时tdelay和时间裕量tguard计算出启动延时，作为倒计时器的计时依据。将所得的行程方向、行程速率和启动延时输出至优先级判决器。其中，启动延时的计算方式如下：当行程方向为上升时，启动延时＝固定延时
‑
时间裕量
‑
目标电压/行程速率，当行程方向为下降时，启动延时＝时间裕量，以使所述目标电压和所述数字音频信号对齐。
60.通常的，预设多个行程速率，根据目标电压和当前电压的差值选择预设行程速率中最缓和且能达到目标电压的行程速率。在一个实施例中，所述行程包括上升、下降，所述行程速率下降时取统一值，上升时作多级设置。
61.优先级判决器，配置为根据连续的两个目标电压判断优先级，若连续的两个目标电压中前一个目标电压为下降，后一个目标电压为上升，此时上升动作的优先级大于下降动作，则仅执行电压上升动作，并且重新计算此时的行程方向、行程速率和启动延时；
62.进一步的，优先级判决器中，若连续的两个目标电压均为上升、均为下降或先升后降，则按照顺序执行电压的上升动作或下降动作。
63.电压步进设备，配置为启动延时的时间到达后，按照行程速率递增或递减电压值，以对电压切换过程作精细控制；其中，电压步进包括起止电压设定和步进电压设定。优选的，所述电压步进设备以对应的步进速率完成电压行程，并按需切换升压电路模块的工作模式(boost或pass
‑
through模式，即升压或直通模式)。较佳的，所述电压步进设备中的步进值设计为可配置，用于定义电压切换过程中单步的变化值，以适应不同应用场景。
64.升压电路模块，配置为根据电压步进设备输出的递增或递减电压值，输出满足功放级要求的电压。
65.本发明通过对每一帧数字音频信号进行采集，从而可高速跟随数字音频信号的变化而变化，并通过采用优先级判决器对连续的两个目标电压进行优先级判断，可现实目标电压优化等特征。
66.优选的，所述音频解码设备适用于多种数字音频接口标准，数字音频接口包括但不限于i2s、pdm、tdm接口。
67.可选的，在所述升压电路的自适应控制装置中，所述自适应控制装置还包括：
68.倒计时器，配置为在电压步进设备按照行程速率递增或递减电压值之前，进行倒计时，以提升电源效率。boost电压波形力求贴近信号包络，因此所述倒计时器可设置为不同时长。所述倒计时器先于电压切换过程启动，完成倒计时之后真正启动切换。
69.模数转换模块(vbatadc)，配置为检测实时电源电压，将其转换为数字信号以参与运算和判决。
70.锁相环模块，配置为给升压电路模块提供基准时钟。
71.进一步的，如图2所示，图2为本发明实施例提供的自适应升压电路中电压切换示意图，从图中可以看出，若目标电压的行程方向为上升，则在初始阶段有启动延时，中间阶段为电压步进的行程，末尾阶段有时间裕量，三个阶段所有时间凑成总的固定延时，且实现提前上升到位；若目标电压的行程方向为下降，则在初始阶段有启动延时(即时间裕量)，后一阶段为电压步进的行程，两个阶段所有时间凑成总的固定延时，且实现滞后下降；若连续的两个目标电压中前一个目标电压为下降，后一个目标电压为上升，则判断此时上升动作的优先级大于下降动作，则仅执行电压上升动作，并且重新计算此时的行程方向、行程速率和启动延时。保证音频功放不发生削顶的同时，致力于提升电源效率。
72.本发明还提供了一种升压电路的自适应控制方法，如图1所示，图1为本发明实施例提供的升压电路控制的模块流程图，所述控制方法包括以下步骤：
73.s1：对每一帧数字音频信号进行采集和解码。
74.s2：对解码后的数字音频信号进行缓存，并预设一固定延时，其中，所述固定延时记为tdelay，优选的，所述固定延时可微调，用于精确对准目标电压和数字音频信号。
75.s3：将所需电压和电压裕量值相加得到目标电压，其中，所需电压根据解码后的数字音频信号得到，电压裕量值根据解码后的数字音频信号的幅度预设得到；在越高的boost电压下，可能的负载变化越大，对应的boost电压波动也就越大，因此根据目标电压计算设备确定当前数据帧对应的电压裕量值，并进一步计算得到目标电压，输出至时域优化设备。
76.较佳的，预设电压裕量值的取值范围，根据目标电压从预设的取值范围内选取所述电压裕量值；电压裕量值由目标电压进行区间映射得到，所述目标电压与所述电压裕量值成正比。优选的，电压裕量值为覆盖所需电压而预留的最小电压。
77.s4：为保证音质，在classd输出处，boost电压任何时刻都不能低于数字音频信号的幅度。boost电压应提前上升到位，而滞后下降，因此，需要预设一时间裕量，记为tguard，优选的，时间裕量为提前上升到位或滞后下降中提前时间或滞后时间的最小值。在每一个目标电压更新时，需要计算切换所需的电压行程，并为此行程选取尽可能慢的行程速率；同时基于固定延时tdelay和时间裕量tguard计算出启动延时，作为倒计时器的计时依据。将所得的行程方向、行程速率和启动延时输出至优先级判决器。其中，启动延时的计算方式如下：当行程方向为上升时，启动延时＝固定延时
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时间裕量
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目标电压/行程速率，当行程方向为下降时，启动延时＝时间裕量，以使所述目标电压和所述数字音频信号对齐。
78.通常的，预设多个行程速率，根据目标电压和当前电压的差值选择预设行程速率中最缓和且能达到目标电压的行程速率。在一个实施例中，所述行程包括上升、下降，所述行程速率下降时取统一值，上升时作多级设置。
79.s5：根据连续的两个目标电压判断优先级，若连续的两个目标电压中前一个目标
电压为下降，后一个目标电压为上升，此时上升动作的优先级大于下降动作，则仅执行电压上升动作，并且重新计算此时的行程方向、行程速率和启动延时；
80.进一步的，优先级判断过程中，若连续的两个目标电压均为上升、均为下降或先升后降，则按照顺序执行电压的上升动作或下降动作。
81.s6：启动延时的时间到达后，按照行程速率递增或递减电压值，以对电压切换过程作精细控制；其中，电压步进包括起止电压设定和步进电压设定。优选的，所述电压步进设备以对应的步进速率完成电压行程，并按需切换升压电路模块的工作模式(boost或pass
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through模式，即升压或直通模式)。较佳的，所述电压步进设备中的步进值设计为可配置，用于定义电压切换过程中单步的变化值，以适应不同应用场景。
82.s7：根据电压步进设备输出的递增或递减电压值，输出满足功放级要求的电压。
83.本发明通过对每一帧数字音频信号进行采集，从而可高速跟随数字音频信号的变化而变化，并通过采用优先级判决器对连续的两个目标电压进行优先级判断，可现实目标电压优化等特征。
84.可选的，在所述升压电路的自适应控制方法中，还包括以下步骤：
85.在电压步进设备按照行程速率递增或递减电压值之前，进行倒计时，以提升电源效率。boost电压波形力求贴近信号包络，因此所述倒计时器可设置为不同时长。所述倒计时器先于电压切换过程启动，完成倒计时之后真正启动切换。
86.在计算目标电压时，还检测实时电源电压，将其转换为数字信号以参与运算和判决。
87.本发明和现有技术相比，具有以下优点：
88.(1)可实现升压电路(boost)中电压的自适应，从而使升压电路(boost)中的电压精确、高效地跟随数字音频信号的变化而变化；
89.(2)减少升压电路(boost)输出电压的纹波，改善电磁干扰(emi)；
90.(3)通过自适应控制延时参数(包括时间裕量、行程速率等)，可使升压电路(boost)中电压贴近数字音频信号变化，保证音频功放不发生削顶的同时，致力于提升电源效率；
91.(4)本发明中的升压电路的自适应控制装置适用于集成boost电路的数字音频芯片，利用已有电路模块，实现非常简单可靠，适合亚微米或深亚微米bcd制造工艺。
92.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。