限制放大器输入电流以避免低压状况的方法与流程

本公开总体上涉及用于音频设备的电路，包括但不限于诸如无线电话和媒体播放器之类的个人音频设备，并且更具体地涉及用于预测性地防止个人音频设备中的掉电状况(brownoutcondition)的系统和方法。

背景技术：

包括无线电话(诸如移动/蜂窝电话、无绳电话、mp3播放器)和其他消费类音频设备在内的个人音频设备得到了广泛使用。这样的个人音频设备可以包括用于驱动一对耳机或一个或多个扬声器的电路。这样的电路通常包括功率放大器，用于将音频输出信号驱动到耳机或扬声器。

通常，个人音频设备的尺寸继续减小，但是许多用户期望这些个人音频设备发出更大的声音。这对用于给个人音频设备的组件供电的电池施加了物理尺寸限制，同时此类个人音频设备的音频子系统需要更多的输出功率。随着对更高的音频音量和质量的需求，通常会生成高于电池电压的升压电源电压，以便为音频放大器供电并向扬声器负载递送更多功率。随着更多的功率被递送到扬声器负载，个人音频设备的电池将承受更多的压力。

电池包括输出阻抗，并且因此电池上的重负载状况可能导致电池的输出电压下降。当电池电量低时，输出电压的这种下降可能会更加突出。这种负载事件产生的突然电压降有可能将电池的输出电压降低到设备上某些子系统不再能够正常运行的程度。当电池处于弱化状态或低电量状态且个人音频设备无法针对这种弱化状态或低电量状态提供保护时，通常最终结果是个人音频设备由于低电压状况而自行复位。这种自行复位状况可能会使个人音频设备的用户不满意，并且因此对于个人音频设备的提供商(例如，制造商、供应商、经销商或商业链中的其他提供商)来说是有问题的。发生无意的电压降的这样一种状况或多种类似状况通常被称为“掉电”状况。

缓解个人音频设备中的掉电状况的传统方法本质上是反应性的，这是因为反应性掉电减少系统典型地识别出发生电池电压下降到预定电压阈值以下的情况(例如，由个人音频设备的用户或提供商配置)，并响应于电池电压降至此阈值以下而做出反应。这种反应的一个示例是降低音量，以便减少音频放大器在电池上的负载。

该反应性方法基于以下概念：电池电源已经发生了不希望的事件，并且因此个人音频设备迅速采取行动以减少负载，以便防止个人音频设备掉电。除音频子系统之外的并由电池电源供电的子系统也可以独立反应，以便减少电池电源上的负载并使其返回到安全水平，以维护个人音频设备中更关键子系统的功能。这样的反应性方法很少或没有做任何事情来防止音频子系统、并且尤其是音频放大器成为电池电源下降到可能触发掉电状况的不期望水平的原因。反应性掉电减少系统典型地不知道音频内容，并且通过扩展，不知道由音频信号路径引起的实际电源负载。取而代之的是，这种现有系统典型地假定音频信号路径的输出放大器的负载是电源下降的来源，并且即使它不是减少电源的主要来源，也盲目地降低了输出放大器的负载。

在到音频放大器的音频信号衰减之前，反应性掉电减少系统需要一定量的时间来反应。一旦电池的供电电压下降，还需要花费额外的时间量来衰减音频信号，并使电池电源返回到“安全”操作电压。累积的初始反应时间、系统响应时间和电池电源恢复时间可能会导致系统花费大量时间低于电池电源的预配置阈值电压。

如果音频系统(尤其是音频放大器)是电池电源下降的主要原因，并且电池处于弱化状态，则这种反应性方法也有可能进入这样一种操作状态：音频音量反复衰减并且然后允许其恢复。从用户的角度来看，这可能会产生音频内容的“泵送”效果，其中音频音量反复变得更大声和更柔和，这是因为反应性掉电减少系统可能会将反应性掉电响应置于连续的循环中。

技术实现要素：

根据本公开的教导，已经减少或消除了与扬声器电识别相关联的某些缺点和问题。

根据本公开的实施例，一种用于向音频换能器提供音频输出信号的装置可以包括信号路径，该信号路径包括：音频输入端，其被配置为接收音频输入信号；音频输出端，其被配置为提供音频输出信号；电源输入端，其被配置为接收电源电压；以及衰减块，其可以被配置为：接收指示电源状况的自适应估计的信息，其中所述指示电源状况的自适应估计的信息包括关于从用于向电源提供电能以生成所述电源电压的电池的自适应电池模型接收到的电压分量和电阻分量的信息；基于由所述电池输出的被监视的电池电压和所述信号路径的负载事件并且排除由所述电池供电的除所述信号路径以外的组件的负载事件，来调整所述自适应电池模型；并且响应于确定出所述音频输入信号的一部分已经达到最大功率阈值，生成可选择的衰减信号以减小所述音频输出信号的幅度，使得所述信号路径衰减所述音频输入信号或其导数，以便在传播到所述音频输入信号的一部分的音频输出端之前防止掉电。

根据本公开的这些和其他实施例，一种用于向音频换能器提供音频输出信号的方法可以包括：接收指示音频输入信号的幅度的信息；接收指示信号路径的电源状况的信息，所述信号路径具有用于接收所述音频输入信号的音频输入端和用于提供所述音频输出信号的音频输出端；接收指示电源状况的自适应估计的信息，其中所述指示电源状况的自适应估计的信息包括关于从用于向电源提供电能以生成所述电源电压的电池的自适应电池模型接收到的电压分量和电阻分量的信息基于由所述电池输出的被监视的电池电压和所述信号路径的负载事件并且排除由所述电池供电的除所述信号路径以外的组件的负载事件，来调整所述自适应电池模型；并且响应于确定出所述音频输入信号的一部分已经达到最大功率阈值，生成可选择的衰减信号以减小所述音频输出信号的幅度，使得所述信号路径衰减所述音频输入信号或其导数，以便在传播到所述音频输入信号的一部分的音频输出端之前防止掉电。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本文所包括的附图、说明书和权利要求，本公开的技术优点可能显而易见。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中特别指出的元素、特征和组合来实现和获得。

应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是说明性示例，并且不限制本公开中阐述的权利要求。

附图说明

通过参考结合附图进行的以下描述，可以获得对示例、当前实施例及其某些优点的更完整的理解，其中相同的附图标记指示相同的特征，并且其中：

图1是根据本公开的实施例的示例个人音频设备的图示；

图2是根据本公开的实施例的个人音频设备的示例音频集成电路的所选组件的框图；

图3是根据本公开的实施例的在图2中描绘的音频集成电路内使用的预测性掉电预防系统的所选组件的框图；

图4是根据本公开的实施例的示例电池的模型的电路图；

图5是示出根据本公开的实施例的在图4中描绘的示例电池的模型的输出阻抗与电池电荷电压之间的示例关系的图；

图6是根据本公开的实施例的示例增益传递函数的图；

图7是根据本公开的实施例的另一示例增益传递函数的图；

图8是根据本公开的实施例的当预测性掉电控制系统触发音频信号的衰减以防止掉电时可能出现的各种信号相对于时间的图形表示；

图9是根据本公开的实施例的当预测性掉电控制系统不触发音频信号的衰减以防止掉电时可能出现的各种信号相对于时间的图形表示；

图10是根据本公开的实施例的个人音频设备的示例音频集成电路的所选组件的框图；

图11是根据本公开的实施例的描绘了大容量电容(bulkcapacitance)对线性调频信号(shirpsignal)的影响的功率相对于时间的绘制图；

图12是根据本公开的实施例的电源电压的底侧包络的图形表示；

图13是根据本公开的实施例的电源电压的上侧包络的图形表示；

图14是根据本公开的实施例的自适应电池模型的框图；并且

图15是根据本公开的实施例的个人音频设备的所选组件的框图。

具体实施方式

图1是根据本公开的实施例的示例个人音频设备1的图示。个人音频设备1是其中可以采用根据本公开的实施例的技术的设备的示例，但是应当理解，为了实践权利要求中叙述的主题，并不需要所示出的个人音频设备1或在随后的图示中描绘的电路中体现的所有元件或配置。个人音频设备1可以包括诸如扬声器5的换能器，其再现：由个人音频设备1接收到的远距离语音以及用于提供平衡的会话感知的其他本地音频事件(诸如铃声、存储的音频节目资料、近端语音的注入(即个人音频设备1的用户的语音))，以及需要由个人音频设备1再现的其他音频，诸如来自由个人音频设备1接收到的网页或其他网络通信的源以及诸如低电池电量指示和其他系统事件通知的音频指示。另外地或可替选地，头戴式耳机3可以耦合到个人音频设备1以生成音频。如图1中示出的，头戴式耳机3可以以一对耳塞式扬声器8a和8b的形式。插头4可以提供头戴式耳机3到个人音频设备1的电气端子的连接。图1中描绘的头戴式耳机3和扬声器5仅是示例，并且应理解，个人音频设备1可以与各种音频换能器结合使用，包括但不限于捕获或集成扬声器、耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器。

个人音频设备1可以使用触摸屏2向用户提供显示并接收用户输入，或者可替选地，可以将标准lcd与布置在个人音频设备1的正面和/或侧面的各种按钮、滑块和/或拨号盘组合。如图1中还示出的，个人音频设备1可以包括音频集成电路(ic)9，用于生成模拟音频信号以传输到头戴式耳机3、扬声器5和/或另一个音频换能器。

图2是根据本公开的实施例的个人音频设备的示例音频ic9的所选组件的框图。如图2中示出的，数字音频源18(例如，处理器、数字信号处理器、微控制器、测试设备或其他合适的数字音频源)可以将数字音频输入信号audio_in供应给预测性掉电预防系统20，其可以处理数字音频输入信号audio_in并将此类处理后的信号提供给数模转换器(dac)14，该dac14可以继而将模拟音频输入信号vin供应给功率放大器级a1，该功率放大器级a1可以放大或衰减音频输入信号vin并提供音频输出信号vout，其可操作扬声器、耳机换能器和/或线路电平信号输出端。尽管放大器a1被描绘为生成单端音频输出信号vout的单端输出端，但是在一些实施例中，放大器a1可以包括差分输出端，并且因此可以提供差分音频输出信号vout。

电源10可以将电源电压vsupply提供给放大器a1的电源轨输入端。电源10可以包括电荷泵电源、开关直流-直流转换器、线性调节器或任何其他合适的电源。

如本公开中其他地方更详细地讨论的，预测性掉电预防系统20可以被配置为防止音频输出信号vout的掉电。如本文中所使用的，术语“掉电”广义地是指个人音频设备1内的一个或多个电源电压的无意下降，这可能导致接收这样的一个或多个电源电压的一个或多个组件的不当或不期望的操作。为了执行该功能，预测性掉电预防系统20可以接收指示数字音频输入信号audio_in的幅度的信息(例如，通过监视指示数字音频输入信号audio_in的幅度的特性)。尽管本文公开的许多实施例设想了如通过从数字音频输入信号audio_in或其缓冲版本直接提取幅度信息来执行的这样的监视，但是在其他实施例中，这样的监视可以是数字音频输入信号audio_in的任何信号导数(例如，从数字音频输入信号audio_in到音频输出信号vout的信号路径中的任何信号)。预测性掉电预防系统20还可接收指示电源10的状况的信息。在一些实施例中，电源10的状况可指示可由放大器a1输出的音频输出信号vout的最大幅度、或由触发了掉电状况(发生或违反指示出掉电状况的用户定义的或其他类型的阈值)的放大器a1所消耗的电源电流。如贯穿本公开所使用的，术语“掉电状况”可以广泛地指基于由预测性掉电预防系统20测量出的参数，其中可能实际发生掉电的状况或情况、或者其中可能潜在发生掉电的状况或情况，如本公开中其他地方更详细地描述的。在这些和其他实施例中，电源10的状况可以由电源电压vsupply、电源10的电流、电源10的内部阻抗、电源10外部的阻抗和电源10响应于电源10的负载状况的预测行为中的至少一个来确定。

预测性掉电预防系统20可以从指示数字音频输入信号audio_in的幅度的物理量和指示电源10的状况的信息确定是否存在掉电状况，其中在从数字音频输入信号audio_in到音频输出信号vout的信号路径中没有衰减的情况下，音频输出信号vout将响应于数字音频输入信号audio_in而掉电。响应于确定存在掉电状况，预测性掉电预防系统20可以生成可选择的衰减信号以减小音频输出信号vout的幅度，使得信号路径衰减数字音频输入信号audio_in或其导数，以便防止在传播到具有掉电状况的数字音频输入信号audio_in的一部分的放大器a1的音频输出端之前掉电。在一些实施例中，这种衰减可以包括减小信号路径内的数字音频输入信号audio_in或其导数的音频音量。

在一些实施例中，衰减可以包括将非线性增益应用于信号路径内的数字音频输入信号audio_in或其导数。在一些实施例中，应用非线性增益可以包括将数字音频输入信号audio_in或其导数削波(clipping)到最大幅度。例如，这种衰减或削波可能发生在信号路径的数字路径部分中(例如，在数字音频源18和dac14之间)。可替选地或另外地，这种衰减(无论是线性的还是非线性的)或削波可以发生在信号路径的模拟路径部分中(例如，在dac14和输出节点之间)，诸如通过将可变增益应用于dac14的输出级和/或将可变增益应用于放大器a1。

在这些和其他实施例中，如下面更详细地描述的，衰减可以包括利用增益传递函数(其数学导数是连续函数)对音频输入信号或其导数进行软削波。例如，可以通过反正切滤波器将软削波应用于音频输入信号或其导数。

图3是根据本公开的实施例的示例预测性掉电预防系统20的所选组件的框图。在由图3表示的实施例中，预测性掉电预防系统20可以包括音频幅度检测和音量调节块110、电源监视块120和预测性控制状态机块140。

可以将包括音频用户配置102、电源用户配置106和/或预测性控制用户配置108的用户配置分别应用于音量调整块110、电源监视块120和预测性控制状态机块140。音频用户配置102可以包括但不限于操纵音频幅度检测器116的能力。这些用户配置可以允许用户设置这样的检测参数，其包括但不限于峰值水平阈值、均方根水平阈值、所关注的频率和/或持续时间、和/或放大器上的负载阻抗。电源用户配置106可包括但不限于用户设置电池电源的各种电压、阻抗、电流消耗和/或行为阈值和/或音频ic9的功率行为特性的能力。这些阈值可以允许用户自定义何时电池被认为处于弱操作状态，该弱操作状态在负载下可能会产生电压降。预测性控制用户配置108可以允许用户操纵预测性掉电预防系统20的响应的能力。这些可以包括但不限于音量调整、控制延迟、供应信息相对于音频内容的掩盖或加权、以及要预测性地衰减的音频内容的类型和阈值。

预测性掉电预防系统20的用户可配置性可能是期望的，这是因为便携式音频设备的每个不同设计可能具有不同的关注参数，包括但不限于不同的电池输出电压、不同的电池特性、不同的音频放大器和/或不同的音频负载。系统要求和参数的这种变化对于不同的个人音频设备可以规定：幅度检测和音量调节块110的音频监视、电源监视块120的供应监视以及由预测性控制状态机块140进行的控制应该是灵活的、可适应的和用户可配置的，使得可以针对每个个人音频设备适当优化预测性掉电预防。尽管在某些情况下用户灵活地“调谐”预测性掉电预防系统20的响应可能是期望的，但在一些实施例中，与音频用户配置102、电源用户配置106和/或预测性控制用户配置108相关联的一些或全部参数可以被固定为特定的值集(例如，通过个人音频设备的提供商)。

如图3中示出的，电源监视模块120可以包括电压监视器122、电池阻抗监视器124和电源响应预测器126。电压监视器122可以被配置为接收电源信息104并执行用于为电源10供电的电池电压与例如电源用户配置106中设置的用户可配置阈值的比较。用户可以灵活地基于个人音频设备中的其他组件的要求来确定这种电压阈值并对其进行调整。在一些实施例中，可以在电源用户配置106内设置多个电压阈值，这将允许预测性控制状态机140监视来自音频幅度检测器116的不同级别的预测性音频负载并对其做出反应。

电池阻抗监视器124可被配置为接收电源信息104并记录最近的负载状况并跟踪可产生电池阻抗的对应变化的电流消耗的变化的影响。当电池经由其充电水平、放电电流、电池老化和/或环境影响而变得“较弱”时，其输出阻抗可能会增加。在空载时，电池的输出阻抗可能对电池的输出电压影响很小。然而，当正提供电流时，输出阻抗对在电池的输出端子上产生的电压具有显著影响。如果电源10包括直流-直流转换器，诸如升压转换器、降压转换器、线性调节器或电荷泵，以调节对放大器a1的vsupply电压，则直流-直流转换器的特性可以作为电源信息104、电池阻抗监视器124或电源响应预测器126的一部分包含在内。

图4是根据本公开的实施例的示例电池的模型40的电路图。如图4中示出的，可以将电池建模为具有输出电压videal的理想供电电压42和具有可变阻抗zout的输出阻抗44，该可变阻抗zout可以因电池充电水平、放电电流、电池老化和/或环境影响而变化。图5是示出根据本公开的实施例的图4中描绘的模型40的输出阻抗与电池电荷电压之间的示例关系的图，其示出了可变阻抗zout可由于电池充电水平的改变而变化。当从电池递送的电流iload增加时，它生成的输出电压vbatt(并且其可以被递送到电源10以向音频ic9的元件供电)可能会降低。电池阻抗监测器124可以监视该可变阻抗zout的变化，并且如果适用的话，监视电池外部的附加阻抗(例如，存在于至放大器a1的电源电压vsupply上的那些)。

电源响应预测器126可被配置为接收电源信息104，并基于对电池电源的最近行为历史的监视来预测电池电源在各种负载状况下的未来行为。音频放大器(例如，放大器a1)可能没有足够的系统级可见性，无法在任何给定时间内确定电池电源上的总绝对负载。然而，电源响应预测器126可以能够确定在电池电源上放大器的负载贡献是什么，并监视电池电源如何响应由放大器产生的负载变化。这样的信息使能电源响应预测器126估计当放大器a1消耗一定量的电流时可能发生多大的电源电压降。当电源响应预测器126的状态与电压监视器122的状态、电池阻抗监视器124的状态以及音频幅度检测器116的状态组合时，预测性控制状态机140可以确定在电池供电放大器a1中未产生足够大的电压降以触发掉电状况的情况下，放大器a1可以产生多大的音频输出信号vout。

如图3中示出的，音频幅度检测和音量调节块110可以包括音频缓冲器112、音量控制器114和音频幅度检测器116，并且可以被配置为监视和操纵数字音频输入信号audio_in或其导数。音频幅度检测和音量调节块110的部分(例如，音频缓冲器112、音量控制器114)可以集成到从数字音频输入信号audio_in到音频输出信号vout的信号路径。在一些实施例中，音频幅度检测和音量调节块110的全部或部分功能可以集成到放大器a1。在这些和其他实施例中，音频幅度检测和音量调节块110的全部或部分功能可以以软件或固件来实施。因此，音频幅度检测和音量调节块110的一个或多个特征可以被实施为软件或固件、相对于放大器a1的一个或多个单独的或集成的硬件块、或其任何组合。

音频缓冲器112可以是以下任何系统、设备或装置，其提供延迟以允许音频幅度检测器116和/或预测性控制状态机140在数字音频输入信号audio_in传播通过信号路径之前有足够的时间做出反应。例如，音频缓冲器112可以提供足够的延迟，使得其延迟加上直到音量控制器114的信号路径的群组延迟大于音频幅度检测器116、预测性控制状态机140和音量控制器114的处理时间。在一些实施例中，音频缓冲器112可以包括存储器。在这些和其他实施例中，音频缓冲器112可以包括音频路径的固有群组延迟、由音频处理引起的延迟和/或其他合适的延迟。

在更健壮的音频放大器系统中，音频数据路径存储缓冲器通常作为也可能需要前瞻或一些时间进行预处理的另一个特征的一部分可用。在这种情况下时，可以将相同的存储缓冲器用作音频缓冲器112以用于预测性掉电预防，只要其足够大并且具有足够的延迟以允许处理预测性掉电预防系统20的其他组件即可。

在一些实施例中，信号路径内的总延迟可以足够大，以允许由预测性掉电预防系统20的组件进行处理。在这样的实施例中，可以不存在音频缓冲器112。

在由图3表示的实施例中，音频幅度检测器116可以监视进入音频缓冲器112的数字音频输入信号audio_in。在这样的实施例中，音频幅度检测器116可以针对一个或多个阈值(例如，在音频用户配置102内设置的)评估这样的音频数据，以便识别以下任何传入的音频信号，其可产生足够大到对给电源10供电的电池电源施加压力的负载状况，产生了电压降以及冒掉电状况的风险(如果这样的音频信号由音频放大器a1再现的话)。由音频幅度检测器116生成并提供给预测性控制状态机块140的状态确定可以基于任何数量和类型的参数，包括但不限于音频信号的物理量(例如，频率、峰值幅度、功率等)、放大器a1的特性(例如效率)和/或放大器a1的输出的负载阻抗。

尽管图3描绘了音频幅度检测器116监视数字音频输入信号audio_in，但是在其他实施例中，音频幅度检测器116可以在音频ic9的信号路径内的其他地方检测数字音频输入信号audio_in的导数。

音量控制器114可以包括以下任何系统、设备或装置，其被配置为基于由预测性控制状态机140生成的音量控制信号，来控制由音频缓冲器112缓冲的音频信号的音量或以其他方式对由音频缓冲器112缓冲的音频信号应用可选择的增益(例如，在将音频信号传送到dac14之前)。因此，在预测性控制状态机140确定存在掉电状况的情况下，它可以传送音量控制信号，并且响应于此，音量控制器114可以使传播通过音频信号路径的音频信号衰减。在一些实施例中，音量控制器114可以通过减小音频信号的音频音量来衰减音频信号。在这些和其他实施例中，音量控制器114可以通过对音频信号应用非线性增益来响应于掉电状况衰减音频信号。例如，如图6中示出的，音量控制器114可以响应于掉电状况而对音频信号应用“硬削波(hard-clipping)”，使得音频信号的增益传递函数(例如，f|vout(|audio_in|)|)可以使得该增益传递函数的数学导数包括至少一个不连续点。作为另一示例，如图7中示出的，音量控制器114可以响应于掉电状况而对音频信号施加“软削波(soft-clipping)”，使得音频信号的增益传递函数可以使得增益传递函数的数学导数是连续函数。可以以任何适当的方式来实施这种软削波增益传递函数，包括通过将反正切滤波应用于音频信号。

如图3中示出的，预测性控制状态机140可以接收来自音频幅度检测器116、电压监视器122、电池阻抗监视器124和电源响应预测器126的状态信息，并基于这种状态信息来确定是否衰减(例如，经由音量控制器114减小音频音量)数字音频输入信号audio_in(或其导数)，以便防止电池电源电压下降(如果未衰减这样的信号可能会发生)。另外，一旦处于发生掉电预防衰减的状态，则预测性控制状态机140可以基于这样的状态信息来确定是否允许音频信号幅度返回到其非衰减水平。

如果电压监视器122、电源响应预测器126和电池阻抗监视器124的状态指示出电池处于弱化状态，并且音频幅度检测器116指示出即将出现高负载状况，则预测性控制状态机140可以通过将适当的音量控制信号传送到音量控制器114来做出反应，以致使音量控制器114衰减音频信号。因此，当潜在地导致掉电的音频信号被传送到放大器a1时，它可以被衰减到足够低的电平以防止掉电。

图8是根据本公开的实施例的当预测性掉电控制系统触发音频信号的衰减以防止掉电时可能出现的各种信号相对于时间的图形表示。在图8中，电压监视器122、电池阻抗监视器124和电源响应预测器126的状态被示出为指示为电源10供电的电池处于足够弱的状态，使得一旦音频信号传播到放大器a1并使为电源10供电的电池负担过重，其就不能在不触发掉电状况的情况下支持传入音频信号audio_in。这可能会导致预测性控制状态机140响应于分析从音频幅度检测器116和电源监视器120接收到的信息(例如，响应于音频幅度高于可能导致掉电状况的阈值水平的指示)而生成适当的音量控制信号以衰减音频信号。在一些实施例中，对于由音频幅度检测器116监视的音频信号的音频幅度保持在阈值之上的每个时间段tattack，音频信号可以以volstep1的幅度步进衰减。一旦由音频幅度检测器116监视的音频信号的音频幅度下降到阈值(或另一个阈值)以下，则衰减可以持续时间段twait，此后对于每个时间段trelease，音频信号可能会以volstep2的步进衰减，直到返回到音频衰减很小或没有音频衰减的正常的操作状态为止。

图9是根据本公开的实施例的当预测性掉电控制系统不触发音频信号的衰减以防止掉电时可能出现的各种信号相对于时间的图形表示。如图9中示出的，音频幅度检测器116指示出音频幅度低于可能导致掉电状况的阈值水平。但是，在图9中表示的场景中，仅当电压监视器122、电池阻抗监视器124和/或电源响应预测器126报告电源10能够处理由这种音频幅度引起的负载时，才可能出现大的音频幅度。如电压监视器122、电池阻抗监视器124和/或电源响应预测器126的状态所指示的，当给电源10供电的电池处于弱化状态时，可能不会出现这种大的音频幅度。因此，在这种情况集合下，预测性控制状态机140可能不会导致音频信号衰减。

图10是根据本公开的实施例的个人音频设备的示例音频ic1300的所选组件的框图。该装置包括信号路径，该信号路径具有：音频输入端，其被配置为接收音频输入信号audio_in；音频输出端，其被配置为提供音频输出信号vout；电源输入端，其被配置为接收电源电压vsupply；以及衰减块1302。衰减块1302被配置为接收指示以下一项或多项的信息：1)电源状况的自适应估计；2)电源电容的预期影响；以及3)复负载阻抗的至少一种状况。响应于从接收到的信息确定音频输出信号的一部分可以达到最大功率阈值，衰减块1302可以生成可选择的衰减信号以减小音频输出信号的至少一部分的幅度，使得信号路径衰减音频输入信号或其导数，以便在传播到音频输入信号的部分的音频输出端之前防止掉电。指示电源状况的自适应估计的信息可以包括关于从如图14中描述的自适应电池模型接收到的电压分量和电阻分量的信息。这样的电压分量和电阻分量可以用于计算最大功率阈值。类似于图2并且如图10中示出的，数字音频源1301(例如，处理器、数字信号处理器、微控制器、测试设备或其他合适的数字音频源)可以将数字音频输入信号audio_in供应给衰减块1302，其可以处理数字音频输入信号audio_in并将此类处理后的信号提供给数模转换器(dac)1303，该dac1303可以继而将模拟音频输入信号vin供应给功率放大器级a2，该功率放大器级a2可以放大或衰减音频输入信号vin并提供音频输出信号vout，其可以操作扬声器、耳机换能器和/或线路电平信号输出端。尽管放大器a2被描绘为生成单端音频输出信号vout的单端输出端，但是在一些实施例中，放大器a2可以包括差分输出端，并且因此可以提供差分音频输出信号vout。电源1304可以将电源电压vsupply提供给放大器a2的电源轨输入端。电源1304可以包括电荷泵电源、开关直流-直流转换器、线性调节器或任何其他合适的电源。

将会理解，ic1300还可以包括如先前参考图2和图3所描述的预测性掉电预防系统。

在一些实施例中，衰减块的一些或全部功能可以集成到放大器a2。

在图10中，放大器a2可以接收音频输入信号vin，并且可以应用增益以通常以电压的形式增加信号幅度。对于音频和触觉放大器，可能会产生高电流。当被视为电压放大器时，放大器a2典型地可以表现为音频输入信号audio_in的缩放比例，并且可以具有频率影响，诸如高通或低通滤波。在不失一般性的情况下，放大器a2可以接收输入电压vin，并且可以提供增益以提供放大的输出电压vout。通过了解负载阻抗，可以通过欧姆定律(其也应用于通过卷积的复阻抗)来了解放大器a2的电流输出。在电压和电流都已知的情况下，衰减块1302可以将放大器的需求功率计算为电压和电流的乘积。

放大器a2可以被认为是功率转换器，实际上，它的功率转换比并不完美。衰减块1302可以估计放大器a2的需求功率和放大器a2的效率，并且根据该估计来计算放大器输入vin、电源电压vsupply和电源输入电流处的电特性。将估计的放大器需求功率插入具有电容元件的电池模型中，将模仿许多实际放大器电路配置的行为。在这个示例中，利用了简单的电池模型；但是，可以使用自适应电池模型，如参考图14描述的。然后可以使用音频输入信号audio_in对电源电压vsupply的影响进行建模。音频输入信号audio_in可能需要衰减，以确保电源电压vsupply保持在阈值vthresh以上。该衰减可以由衰减块1302计算。

对于阻性负载，电流和电压可能同相。但是，对于具有电抗的负载(诸如扬声器)，特定频率所需的实际功率可能小于均方根电压和电流的乘积。这种较低的功率要求意味着需要较少的衰减来确保满足电压(或电流)阈值但未超过，并且例如，允许将更多的功率递送给负载，从而导致扬声器的声压级更高以及触觉系统的振动强度。

对于给定的音频输入信号audio_in，衰减块1302可以利用复负载阻抗(zload)的估计值和脉冲编码调制至vin传递函数的估计值(通常是缩放常数h)，使用以下方程来计算放大器a2放大音频输入信号audio_in所需的需求功率(pload)：

pload＝电压*电流(1)

其中电压＝audio_in*h，并且电流＝电压/zload。由于放大器a2的低效率，因此放大器a2放大信号所需的源功率可能大于所需功率pload。将源功率psrc设置为放大器a2所需的源功率。源功率psrc通过效率参数n而与pload有关，该效率参数n在0到1之间：

psrc＝pload/n(2)

可以使用放大器a2所需的功率的估计值以及电压分量(vbatt)、电阻器分量(rbatt)和电源电容(cbulk)的估计值来预测电源电压。特别地，对于给定的电池模型，可以通过求解将电池模型与放大器所需的功率相关的联立方程组(simultaneoussystemofequations)来计算在保持高于电压阈值vthresh的同时可以获得的最大功率。

vsupply＝(vbatt+sqrt(vbatt^2-4*psrc*rbatt))/2(3)

其中vbatt是电池模型电压，是并且rbatt电池模型电阻。利用这个方程，对电源电压vsupply的影响可以被预测为放大器要求的源功率psrc的函数。如果电源电压vsupply要保持在阈值之上，则可以确定源功率psrc允许的最大功率。利用已知的最大允许功率以及从音频输入信号audio_in估计功率需求的能力，现在可以衰减音频输入信号audio_in以满足最大功率允许条件。

在物理系统中，由于电容会瞬间供应电流而不是电池，因此电容效应会使电源电压vsupply的预测复杂化。电容效应的一个简单近似值是替代地将低通滤波器应用于放大器所需的估计功率，并且该低通滤波器的时间常数约为rbatt*cbulk，其中rbatt是电池模型的电阻，并且cbulk是与电源并联的大容量电容。因此，指示电源电容(cbulk)的预期影响的信息可用于可选地对预测的电源电压应用线性滤波器操作。

为了确保应用于输入音频信号的增益实际上保护系统免受掉电的影响，可以比所需要的更早应用增益(即，在高于实际上会发生掉电的电压阈值处)，并保持该增益。为了保持因果关系，必须延迟音频输入信号audio_in及其增益计算，以便向前看并尽早应用所需的增益信号。

在已知功率需求的情况下，可以使用电池模型的参数估计值将vsupply替换为vthresh并重新排列以给出以下方程，而从方程(3)计算出允许的最大功率，即音频输入信号的最大功率阈值pmax：

pmax＝(vthresh*vbatt–vthresh^2)/rbatt(4)

其中vthresh是允许的电源电压vsupply的目标最小电压值。使用最大允许功率pmax和放大器功率需求psrc的估计值，满足电源电压vsupply必须保持大于vthresh的条件所需的增益g为：

利用已知的增益值，受保护的信号幅度现在是已知的。该增益可以由衰减块应用于宽带信号或应用于包括宽带信号的带通滤波信号的总和。对于带通滤波信号，只要总和保持不变，就可以调整每个频带的增益值，这允许多频带压缩能力。

攻击时间和释放时间的概念是指所应用的增益接近防止掉电所需的增益的速率。可以配置这些攻击和释放速率，典型地以db/秒为单位。

为了避免来自电池的过量电流需求引起低压状况，可以将电容器并联添加到电源1304，以便缓冲瞬时电流尖峰。这些电容器可以充当对电源电压vsupply的低通滤波器。在物理系统中，由于其输入电容、布线拓扑等，因此将多个组件连接到电源1304的寄生效应也可能增加此电容。

在存在该大容量电容的情况下，放大器a2可能会从电容器和电池中汲取电流，这意味着与没有大容量电容的系统相比，电压降可能更少。通过考虑该大容量电容的影响，可以通过衰减块更准确地计算对电池电源的功率需求，并且可以在仍确保不出现掉电状况的同时，对音频输入信号audio_in应用较小的衰减。

图11是根据本公开的实施例的功率相对于时间的绘制图，其示出了大容量电容对线性调频信号的影响。图11示出了随时间增加的线性调频信号的频率。在较高的频率下，大容量电容可导致较少的功率需求。

如前面描述的，图4示出了示例电池模型。例如，如图4中示出的，电池模型(例如，并且可以用作图2中的电源10)包括具有输出阻抗zout的电池电压vbatt或为输出阻抗zout的子集的串联电池电阻rbatt的thevenin电路。随着系统电流需求的增加，可用电压由于串联电池电阻rbatt而降低，其中vsupply＝vbatt–rbatt*isupply。仅使用vsupply信号，就可以针对变化的isupply信号(即，基于负载阻抗的变化的电流需求)推断电池电压vbatt和电池电阻rbatt信号，在放大器a1的情况下，需求电流isupply将是放大器的输入电流isupply。

如果不存在要放大的信号，其转换成无输入电流(isupply＝0)，则电源电压vsupply将揭示有效的电池电压vbatt。如果与放大器a2分离的系统的其他部分汲取电流，诸如无线电或发光二极管(led)，则可能会有电源电压降。从放大器a2的电池模型的角度来看，该电源电压降相当于降低的有效电池电压vbatt。

当存在生成电流消耗的放大器a2的信号时，电源电压vsupply可能会下降。该电源电压降可能与电池电阻rbatt成比例。通过使用给定放大器音频输入信号audio_in的电源电压vsupply的估计值，可以在实际信号和预测信号之间进行比较，以调整电池电阻rbatt的估计值。这可以提高电池模型的精度，并因此可以导致减少的音频信号的不必要的衰减。

由于电容效应，相对于估计的电源电压vsupply信号，群组延迟可以被引入到实际电源电压vsupply中。该补偿可能需要精确地知道群组延迟效应，并且轻微的相位误差可能会放大或减弱电源电压vsupply与预测或估计的电源电压vest_supply之间的差异。为了避免这些相位影响，可以使用包络预测或估计。

如果电池模型与实际系统匹配，则实际电源电压vsupply与预测或估计的电源电压vsupply信号的包络可能几乎相同。但是，偏差可能会揭示出现实与模型之间的不匹配，并需要纠正响应。

在图12中，电源电压vsupply信号的底侧或底部包络可以提供关于电池电阻rbatt的值的信息。假设，如果电池电阻rbatt为零，则电源电压vsupply的底部包络和顶部包络将相同。然而，由于电池电阻rbatt不为零，所以如由相应的虚线vsupply和vest_supply示出的，底部包络将低于上包络。

如果预测的电源电压vest_supply没有下降的远到测量出的电源电压vsupply信号那么远，则必须增加电池电阻rbatt，并且反之亦然，以校正电池电阻rbatt的过高估计。

在图13中，电源电压vsupply信号的上侧或顶部包络可用于调整电池电压vbatt估计值。电源电压vsupply的峰值可以提供与实际电池电压vbatt值最接近的值。如果预测峰值和实际峰值不同，则电池电压vbatt可能需要校正。

大容量电容的存在混淆了电池电压vbatt和电池电阻rbatt适应性，对于特定频率的大容量电容可同时视为电池电压vbatt和电池电阻rbatt的减小。通过在功率估计中包括大容量电容，电池电压vbatt和电池电阻rbatt估计可以变得更加准确，从而进一步减少了音频信号的任何不必要衰减。

图14示出了可以被包括在衰减块1302和/或放大器a2之内或与其分离的自适应电池模型1600的示例。电池模型1600可以包括包络跟踪器1601，其可以被配置为接收电源电压vsupply和电源电压的估计值vest_supply。包络跟踪器1601可以在第一跟踪块1602中跟踪电源电压vsupply的上侧包络，并且将得到的包络的峰值与来自第二跟踪块1603的预测的电源电压上侧包络的上侧包络进行比较。该比较可以用于在更新块1604中更新vbatt值。第三跟踪块1605可以跟踪电源电压vsupply的底侧包络，并且将所得到的包络的局部最小值与来自第四跟踪块1606的预测电源电压的底侧包络进行比较。该比较用于在更新块1607中更新rbatt值。rbatt和vbatt的更新值可以被提供给衰减块1302，以计算最大功率阈值。

随着音频输入信号audio_in的幅度增加，需要更多的电源电流来提供放大。电源电流过多可能导致掉电状况。音频输入信号audio_in的幅度必须衰减，以避免掉电。动态范围压缩机和限制器可以衰减并限制电源电流。

本公开的实施例还：1)提供电池状况的自适应估计；2)预测电源电容的影响；以及3)使用负载(而不是电阻器)的复阻抗模型来确定所需的功率，这是因为负载电抗会降低所需的功率(例如，负载阻抗的状况)。

作为预测性掉电预防系统20的应用的示例，参考图15。图15是根据本公开的实施例的个人音频设备1的所选组件的框图。如图15中示出的，个人音频设备1可以包括类似于图2中描绘的音频ic9，其中图2的电源10可以利用用于向音频ic9和其它组件14提供电能的功率转换器11和电池来实施。如图15中示出的，根据图4的电池模型40将电池12建模为具有理想电压videal和输出阻抗zout。

功率转换器11可以包括合适的直流-直流转换器，用于生成作为电池输出电压vbatt的倍数的电源电压vsupply。功率转换器11可以包括升压转换器、电荷泵、降压转换器或任何其他合适类型的功率转换器。在一些实施例中，可能不存在功率转换器11，并且放大器a1可以直接从电池12汲取电能。

取决于从电池12汲取的电流，电池12生成输出电压vbatt。应用欧姆定律：

vbatt＝videal–(iother+iamp)*zout

其中，iamp等于从电池12递送到功率转换器11的电流，并且iother表示从电池12递送到其他组件14的剩余电流。改写上述方程：

vbatt＝videal–iother*zout–iamp*zout

根据上述方程，可以将视在理想电压(apparentidealvoltage)videal’定义为：

videal’＝videal–iother*zout

使得：

vbatt＝videal’–iamp*zout

如图15中示出的，预测性掉电预防系统20可以能够容易地测量或感测输出电压vbatt和电流iamp，但是可能不能容易地测量电流iother。然而，预测性掉电预防系统20可以通过考虑电池12上电源10的负载事件(例如，递送到电源10的电流iamp和电源10可用的输出电压vbatt)但是忽略电池12上其他组件14的负载事件来防止掉电。为此，预测性掉电预防系统20可以忽略电流iother，并且代替地假设电源10由建模为具有代替理想电压videal的视在理想电压videal’以及可变输出阻抗zout的电池供电，并且基于音频ic9的各种测量出的参数来自适应地更新电池模型的视在理想电压videal’和电池模型的可变输出阻抗zout，如上面更详细地解释的。

因此，当电流iother增加时，视在理想电压videal’可以减小，并且预测性掉电预防系统20可以减小电流iamp的最大电流汲取，并且当电流iother减小时，视在理想电压videal'可以增加并且预测性掉电预防系统20可以增加电流iamp的最大电流汲取。

为了进一步说明，预测性掉电预防系统20可以直接测量电流iamp并测量输出电压vbatt，并且基于对测量出的电流iamp和/或测量输出电压vbatt的改变，细化电池模型的阻抗zout和视在理想电压videal’的估计值，因此可提供电池模型的准确性以及对与当前iother有关的加载事件的鲁棒性。

本公开包括本领域普通技术人员将理解的对本文的示例性实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求包括本领域普通技术人员将理解的对本文的示例性实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中对装置、系统或装置或系统的组件的引用适用于、布置为、能够、配置为、使能、可操作或操作以执行特定功能，包括该装置、系统或组件，无论它或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该装置、系统或组件如此适配、布置、能够、配置为、使能、可操作或操作即可。

本文叙述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本公开和发明人为进一步推进本领域而贡献的概念，并且被解释为不限于这种具体叙述的示例和条件。尽管已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。