Brevet FR2847741A1 — publié le 20040528

Domaine de l'invention La présent invention concerne un procédé de réglage de la tension d'alimentation d'un étage amplificateur, notamment d'une installation audio selon lequel on génère la tension d'alimentation à l'aide d'un circuit d'alimentation. Etat de la technique Dans le domaine de l'électronique grand public et en particulier de l'électronique audio pour les véhicules automobiles, on connaît des circuits amplificateurs travaillant en classe A ou en classe AB (touche pool) encore appelés mode analogique. Cela signifie qu'en général les composants semi-conducteurs utilisés pour amplifier le signal sont toujours traversés par un courant de repos important, indépendamment de la commande du circuit amplificateur et c'est pourquoi la puissance perdue est élevée et il en est de même de la chaleur dégagée. En particulier, dans le domaine de l'électronique grand public pour les véhicules automobiles, la difficulté est que les tensions du réseau embarqué des véhicules habituels qui sont à la valeur nominale actuelle de 12 V pour les véhicules de tourisme et de 24 V pour les camions, ne permettent pas d'obtenir actuellement des puissances de sortie élevées avec la technique d'amplification actuelle selon la classe A ou la classe AB. C'est pourquoi, lorsqu'on prévoit l'équipement complémentaire d'amplificateur, on utilise fréquemment des parties de réseau, en général des réseaux de commutation, pour générer des tensions d'alimentation plus importantes pour les circuits d'amplification proprement dits en partant de la tension du réseau embarqué. Pour réduire les puissances perdues dégagées par les amplificateurs travaillant comme indiqué ci-dessus en classe A ou en classe AB on a proposé en outre des amplificateurs en classe D (également classe X, classe T ou les amplificateurs numériques) qui se caractérisent par un fonctionnement en commutation (également appelé fonctionnement numérique) des semi-conducteurs utilisés pour amplifier le signal. Comme dans ce mode de fonctionnement, les semiconducteurs commutent principalement entre deux états de commutation, à savoir une résistance interne proche de O ohm et une résistance interne proche de l'infini, la puissance perdue dans de tels circuits amplificateurs est relativement faible. Mais leur inconvénient est que le fonctionnement commuté produit nécessairement une distorsion des signaux qu'il faut compenser par des constructions de filtres complexes pour lisser le signal amplifié et leur comportement est critique sur le plan de la compatibilité électromagnétique EMV, nécessitant des blindages compliqués du circuit amplificateur. Exposé et avantage de l'invention La présente invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on détermine la tension d'alimentation de l'étage amplificateur nécessaire pour amplifier un signal et on règle la tension d'alimentation en fonction de la tension d'alimentation de l'étage amplificateur. Ce procédé permet de combiner les avantages de la technique d'amplification analogique à faible distorsion et un comportement non critique du point de vue EMV avec la technique d'amplification numérique, c'est-à-dire présentant une perte de puissance particulièrement faible notamment dans le mode de fonctionnement en charge partielle. C'est pourquoi, selon l'invention, on fait fonctionner l'étage d'amplification en mode analogique, c'est-à-dire notamment en classe A ou en classe AB. Mais en même temps, on réduit la puissance perdue au moins dans le mode de charge partielle, c'est-à-dire pour une commande qui n'est pas maximale et ainsi on diminue de manière significative les moyens à mettre en oeuvre pour évacuer la chaleur dégagée ou pour refroidir les composants et l'appareil. Cela permet à son tour de réaliser des étages amplificateurs plus puissants, avec une distorsion moindre dans un volume de boîtier relativement petit et ainsi d'intégrer des étages amplificateurs puissants par exemple dans des boîtiers d'autoradio qui sont actuellement garnis de façon très dense d'un grand nombre d'ensembles. Un premier développement avantageux de l'invention prévoit de déterminer le niveau du signal à amplifier, à déterminer une valeur de consigne ou une valeur réelle pour l'amplification et de déterminer la tension d'alimentation requise de l'amplificateur à partir du niveau du signal à amplifier et de la valeur de consigne ou de la valeur réelle de l'amplification. De manière avantageuse, le niveau du signal est formé à partir des valeurs maximales du signal à amplifier en particulier par un redresseur de valeurs maximales pour le signal à amplifier. Un mode de réalisation avantageux de l'invention prévoit de déduire la valeur de consigne de l'amplification de l'étage amplificateur à partir d'une valeur de consigne générée par un organe de réglage, notamment l'organe de réglage de volume, et de modifier la tension d'alimentation en fonction de la valeur de consigne, notamment de manière proportionnelle à cette valeur. Une variante de réalisation de l'invention prévoit de définir le facteur de distorsion du signal amplifié et de définir la tension d'alimentation nécessaire à l'amplification du signal à partir du facteur de distorsion ou en tenant compte de celui-ci. En ce qui concerne le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, il est caractérisé par des moyens pour déterminer la tension d'alimentation nécessaire à l'amplification d'un signal, le circuit d'alimentation commandé pour régler la tension d'alimentation que fournit ce circuit d'alimentation, et pour le circuit d'alimentation une commande qui règle la tension d'alimentation en fonction de la tension d'alimentation requise de l'étage amplificateur. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma par bloc d'une installation d'amplification selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, - la figure 2 est un schéma par bloc d'un mode de réalisation de la partie d'alimentation du réseau de l'installation de l'amplification de la Figure 1. Description des modes de réalisation La figure 1 montre un schéma par bloc d'une installation d'amplification 1 pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le signal à amplifier représenté ici par une tension d'entrée 22 rapportée à un potentiel de référence, par exemple potentiel de masse, est appliqué à l'entrée 19 de l'amplificateur 1 pour arriver à l'entrée 15 d'un étage amplificateur 12 de l'installation d'amplification 1. A la sortie 16 de l'étage amplificateur 12 on a un signal amplifié avec un coefficient d'amplification représenté ici par la tension de sortie 23 rapportée à un potentiel de référence, par exemple la masse 26. L'étage amplificateur 12 est relié à une tension d'alimentation 21 qui correspond à la différence de potentiel entre un premier potentiel 24 et un second potentiel 25. L'étage amplificateur 12 comporte une entrée de commande permettant de régler le coefficient d'amplification ou, plus simplement, l'amplification de l'étage amplificateur 12 en fonction d'un signal de commande d'amplification 32. L'amplification réelle de l'étage amplificateur 12 dépend de façon connue non seulement de l'amplification prédéfinie par le signal de commande d'amplification 32 mais également de l'amplitude du signal à amplifier 22 appliquée à l'entrée 16 de l'amplificateur en liaison avec la tension d'alimentation 21 de l'amplificateur. Ainsi, le coefficient d'amplification que l'on peut réellement obtenir avec l'étage amplificateur 12 présente sans la distorsion du signal amplifié 23 (écrêtage) occasionnée par des effets de limitation, ne peut dépasser une valeur qui correspond par le calcul au quotient de la tension d'alimentation 21 et de l'amplitude du signal à amplifier 22. De même, l'amplitude du signal à amplifier 23 est limitée par la tension d'alimentation 21 de l'étage amplificateur 12. La tension d'alimentation 21 comme différence de potentiel entre le premier potentiel 24 et le second potentiel 25 est générée de façon connue en soi par une partie de réseau 1 1 réalisée de préférence comme partie de réseau de commutation. Selon l'invention, la tension de sortie de la partie d'alimentation 11 qui donne la tension d'alimentation 21 de l'étage amplificateur 12 se règle selon la mesure d'un signal de commande de tension 21. Dans le cas de la réalisation de la partie d'alimentation 11 comme circuit de commutation, la commande de la tension de sortie 21 peut être commandée par changement du rapport de travail du com- mutateur du circuit en procédant de façon connue. En outre, on peut avantageusement prévoir une régulation de tension connue en soi de façon que la tension d'alimentation 21 générée par l'alimentation 11 soit mesurée et soit comparée à une valeur de consigne prédéfinie suivant la mesure du signal de commande de tension 31; en cas de déviation entre la valeur réelle et la valeur de consigne, on régule le rapport de travail, c'est-à-dire la durée de conduction du ou des commutateurs du circuit d'alimentation 11 en fonction de la durée de coupure pour réduire au minimum la déviation. La figure 2 montre des détails de la structure du circuit d'alimentation 11. Le circuit d'alimentation 11 comporte une borne d'entrée reliée à une tension d'alimentation 20; dans le cas de l'utilisation de l'installation d'amplification 1 dans un véhicule automobile, cette tension d'alimentation correspond à un niveau de 12 V (véhicule de tourisme) ou de 24 V (camion) par rapport à la masse 26. La borne de sortie 117 du circuit d'alimentation fournit la tension de sortie 21 réglée suivant le signal de commande de tension 31 appliqué à l'entrée de commande 116 du circuit d'alimentation 11. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 2, le circuit d'alimentation comporte un élévateur de tension 115 connu en soi (également appelé transformateur élévateur) composé principalement d'une inductance 113 et d'un commutateur commandé 112, de préférence sous la forme d'un commutateur semi-conducteur tel qu'un MOSFET ou un IGBT, une commande de largeur d'impulsion 111 pour commander le commutateur 112, une diode 114 et une capacité 115. L'inductance 113 est reliée par une première borne à la borne d'entrée du circuit d'alimentation 11 et par une seconde borne à l'anode de la diode 114. La cathode de la diode 114 est reliée à une première borne du condensateur 115 dont la seconde borne est reliée au potentiel de référence notamment à la masse 26. La cathode de la diode 114 est également reliée à la borne de sortie 117 du circuit d'alimentation 11. L'anode de la diode 114 et la seconde borne de l'inductance, notamment une bobine 113, sont reliées par le commutateur 112 à un potentiel de référence, de préférence la masse 26. Le fonctionnement de ce circuit élévateur de tension 115 est décrit de manière explicite dans la littérature et ne nécessite pas ici de description plus détaillée. Il est important pour l'invention que la tension de sortie du circuit élévateur de tension 115 et ainsi la tension de sortie 21 du circuit d'alimentation puissent être réglées par une commande appropriée de la commande de largeur d'impulsion 111 en fonction du signal de commande de tension 31 qui lui est fourni par la commande 13. Au cas o la tension du réseau embarqué (dans le cas d'un véhicule de tourisme, cette tension est de 12 V), diminué de la chute de tension sur la diode 114, est suffisante pour amplifier le signal à amplifier, ici par exemple un signal audio, on commande alors la commande de largeur d'impulsion 111 pour que celle-ci maintienne le commutateur 112 en permanence à l'état ouvert. A la sortie 117 de l'élévateur de tension 115 et ainsi du circuit d'alimentation 111, on aura la tension du réseau embarqué diminuée de la tension de passage de la diode; dans le cas d'un véhicule de tourisme et suivant le type de diode, on aura une tension comprise entre 11,3 V et 11,6 V. Dans le cas o la tension du réseau embarqué n'est pas suffisante pour amplifier le signal, alors le signal de commande de tension 31 agit sur la commande de largeur d'impulsion 111 pour ouvrir et fermer de manière cadencée le commutateur 112; la largeur d'impulsion et la tension 21 qui en résultent à la sortie 117 du circuit d'alimentation 11 sera réglée ou asservie en fonction du signal de commande de tension 31 qui est une mesure de l'amplification du signal 22. A la fois le signal de commande de tension 31 et le signal de commande d'amplification 32 sont fournis par l'installation de commande 13; celle-ci est de préférence réalisée sous la forme d'un microprocesseur exécutant un programme de commande. L'installation de commande 13 est réalisée pour que la tension d'alimentation 21 de l'étage amplificateur 12 nécessaire à l'amplification du signal 22 soit définie et que la tension d'alimentation 21 soit réglée en fonction de la tension d'alimentation nécessaire de l'étage amplificateur 12 à l'aide du signal de commande de tension 31 ou par un circuit de régulation de tension comme décrit, qui fournit une valeur de consigne. Le circuit de régulation de tension peut constituer avantageusement une partie de l'installation de commande 13, de sorte que le signal de commande de tension 31 sert avantageusement à l'asservissement de la tension de sortie du circuit d'alimentation 11. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, il est prévu de régler la tension de sortie du circuit d'alimentation 11 en déterminant le niveau du signal 22 à amplifier et en déterminant en outre une valeur de consigne (ou en variante une valeur réelle) de l'amplification et finalement en déterminant la tension d'alimentation requise 21 de l'amplificateur à partir du niveau du signal à amplifier 22 et de la valeur de consigne (ou de la valeur réelle) de l'amplification. Pour déterminer le niveau du signal 22 à amplifier, celuici traverse une ligne de mesure 41 d'un redresseur d'écrêtage réalisé pour déterminer la valeur maximale du signal 22 à amplifier. Le redresseur écrêteur peut être réalisé comme à la fFigure 1, avantageusement comme partie de l'installation de commande 13. Des variantes possibles pour déterminer le niveau du signal à amplifier sont envisageables et possibles. Par exemple on peut prévoir un redresseur suivi d'un circuit de formation de la valeur moyenne glissante; ainsi grâce à des valeurs d'expérience on peut conclure à partir de la valeur moyenne à la valeur maximale du signal 22 à amplifier. En outre, selon le mode de réalisation évoqué ci-dessus, la commande 13 peut également implémenter une routine pour déterminer la dynamique du signal à amplifier 22 d'une façon connue en soi. Pour déterminer la valeur de consigne de l'amplification de l'étage amplificateur 12, on peut exploiter le signal de commande d'amplification 32 comme indiqué; ce signal est fourni par la commande 13. Dans le cas d'une installation d'amplification 11 de signaux audio, on peut prévoir une interface d'utilisateur 14 avec des éléments de service et d'affichage notamment d'organes de réglage de volume 141 reliés de préférence à l'installation de commande 13 de l'installation d'amplification 1. Le signal de commande d'amplification 32 généré par l'installation de commande 13 représente alors de préférence une valeur de consigne d'amplification pour l'étage amplificateur 12. Cette valeur correspond à une certaine intensité de reproduction du signal audio à amplifier 23, réglable par l'organe de réglage de volume 141 par l'utilisateur. La tension d'alimentation 21 nécessaire à l'amplification du signal 22, ici le signal audio, et qui sert à obtenir un certain volume de reproduction, résulte selon le calcul du produit de la valeur de consigne d'amplification et de la valeur maximale mesurée du signal 22 à amplifier. La commande 13 génère ainsi un signal de commande de tension 31 qui correspond au produit de la valeur maximale du signal à amplifier 22 et de la valeur de consigne d'amplification; on ajoute de préférence à la valeur calculée de la tension d'alimentation 21, nécessaire, une réserve de sécurité correspondant par exemple à 10 % de la tension d'alimentation nécessaire selon le calcul. Cela permet de compenser de faibles variations du niveau du signal 22 à amplifier. Selon un mode de réalisation avantageux, on règle le complément à la valeur calculée de la tension d'alimentation et également en fonction de la dynamique obtenue par la technique de mesure du signal 22 à amplifier et/ou du temps de réaction du circuit d'alimentation 11 à des valeurs modifiées de la tension de consigne d'alimentation, représentée par le signal de commande de tension 31 choisi ou réglé par la commande 13. En particulier, on peut régler le complément à la valeur de la tension d'alimentation en fonction des grandeurs indiquées pour que la tension d'alimentation globale résultante suffise toujours pour amplifier le signal sans phénomène d'écrêtage. Selon un autre mode de réalisation avantageux, on peut déduire le complément à la valeur calculée de la tension d'alimentation également à partir d'une valeur autorisée pour le facteur de distorsion du signal amplifié 23. Pour cela, on détermine, par la mesure au cours d'un fonctionnement d'essai préalable, le facteur de distorsion du signal 23 amplifié à l'aide de l'installation d'amplification 1 ou d'une installation de même construction. Puis, on règle la valeur de la tension d'alimentation à un niveau pour lequel on aura une amplification du signal avec le facteur de distorsion maximum autorisé. Le complément résulte alors de la valeur de la tension d'alimentation obtenue par le calcul (produit de la valeur maximale du signal 22 et du coefficient d'amplification) rapportée à la différence de la valeur de la tension d'alimentation réglée et obtenue par le calcul et que l'on peut enregistrer de manière définitive dans le microprocesseur 13. Dans ce mode de réalisation, on peut également prévoir un complément de sécurité tenant compte de la dynamique respective du signal et/ou du temps de réaction du circuit d'alimentation 11. La réaction du circuit d'alimentation peut être enregistrée dans le microprocesseur 13 comme grandeur obtenue au préalable par des mesures. Selon une variante de réalisation de l'invention, à la place de la valeur de consigne d'amplification, on considère le signal amplifié 23 pour déterminer la tension d'alimentation requise 21, c'est-à-dire la tension de sortie du circuit d'alimentation 11. Pour cela, selon un mode de réalisation avantageux, le signal amplifié ou un signal de mesure qui en est déduit est transmis par une seconde ligne de mesure 42 à un moyen de détermination du facteur de distorsion. La détermination du facteur de distorsion est réalisée de préférence sous la forme d'un programme approprié faisant partie de la commande 13. Dans ce cas, la commande est réalisée pour donner la tension de sortie du circuit d'alimentation 11 par l'intermédiaire du signal de commande de tension 31 de façon que pour une certaine amplification ou un volume sonore réglé, le facteur de distorsion du signal amplifié 23 ne dépasse ni vers le haut ni vers le bas une valeur prédéterminée. On utilise le fait que dans le cas d'une tension d'alimentation 21 non suffisante pour l'amplification du signal, l'étage amplificateur 12 déforme le signal de sortie 23 (écrêtage). La tension d'alimentation 21 de l'étage amplificateur est ainsi relevée par la commande 13 à l'aide du signal de commande de tension 31 à une valeur à partir de laquelle les distorsions du signal amplifié 23 ne peuvent plus être mesurées à cause de l'écrêtage ou que les distorsions du signal amplifié passent en dessous de la valeur prévue. Selon un troisième mode de réalisation, on peut également combiner avantageusement entre le premier et le second mode de réalisation. Pour cela, la tension d'alimentation requise peut se déterminer par exemple selon le premier mode de réalisation, par le calcul à partir des valeurs extrêmes ou moyennes obtenues (avec en plus la réserve déterminée de manière empirique, comme cela a été décrit en liaison avec la détermination du niveau) et de la valeur de consigne d'amplification ou de volume sonore et en plus on peut surveiller le facteur de distorsion du signal amplifié 23; dans le cas o l'installation de commande estime que le facteur de distorsion trouvé est trop fort pour la tension d'alimentation 21, on relève au-delà de la valeur obtenue par le calcul. La commande est en outre réalisée pour que la tension de sortie du circuit d'alimentation 11, c'est-à-dire la tension d'alimentation de l'étage amplificateur 12, soit en permanence adaptée à la valeur de la tension d'alimentation effectivement nécessaire pour amplifier le signal 22. Pour cela, il est prévu avantageusement que le niveau du signal 22 à amplifier (dans le cas du premier mode de réalisation décrit) ou le facteur de distorsion du signal amplifié 23 (dans le cas du second mode de réalisation décrit) soit mesuré en permanence pour en déterminer la tension d'alimentation actuellement nécessaire. Il est en outre prévu d'augmenter la tension d'alimentation 21 très rapidement mais de diminuer la tension d'alimentation, au contraire, avec un retard et/ou une constante de temps importante, c'est-à-dire d'une faible valeur par unité de temps. Selon un autre développement avantageux, le signal à amplifier est retardé après son introduction à l'entrée 19 du circuit amplificateur 11, avant d'être fourni à l'entrée de l'étage amplificateur 15 dans un élément de temporisation 18 et cela d'une durée prédéterminée. On peut ainsi améliorer la réaction de la régulation de tension d'alimentation en particulier suivant une tension d'alimentation croissante, nécessaire. Dans le cas du premier mode de réalisation, la première ligne de mesure 41 détecte le signal 22 à amplifier de préférence entre l'entrée 19 et le circuit amplificateur 1 et l'entrée de l'élément de temporisation 18, de sorte que l'unité de commande 13 reçoit le signal à amplifier, non retardé. Les informations recueillies à propos du niveau du signal amplifié 23 peuvent servir avantageusement par exemple pour commander la vitesse de rotation d'un ventilateur 17 servant à refroidir il l'installation d'amplification 1, selon l'indication d'un signal de commande de vitesse de rotation de ventilateur 33 généré de façon correspondante par l'installation de commande 13. De manière avantageuse, on utilise les connaissances psycho-acoustiques pour déterminer les plages de fréquence dans lesquelles l'oreille humaine est la moins sensible et les plages de fréquence occupées de préférence par le signal amplifié 23 sont connues à partir de la détermination du facteur de distorsion selon le second ou le troisième mode de réalisation ou peuvent être déterminées avec la mise en oeuvre de moyens réduits. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Procédé de réglage de la tension d'alimentation d'un étage amplificateur, notamment d'une installation audio selon lequel on génère la tension d'alimentation à l'aide d'un circuit d'alimentation, caractérisé en ce qu' on détermine la tension d'alimentation de l'étage amplificateur nécessaire pour amplifier un signal et on règle la tension d'alimentation en fonction de la tension d'alimentation de l'étage amplificateur. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine le niveau du signal à amplifier, on détermine une valeur de consigne ou une valeur réelle de l'amplification et on détermine la tension d'alimentation nécessaire de l'amplificateur à partir du niveau du signal à amplifier, de la valeur de consigne ou de la valeur réelle de l'amplification. ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on forme le niveau du signal à partir des valeurs maximales du signal à amplifier, en particulier par une installation de redressement des valeurs maximales du signal à amplifier. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on déduit la valeur de consigne de l'amplification de l'étage amplificateur à partir d'une valeur prédéterminée générée à l'aide d'un organe de réglage, notamment de l'organe de réglage de volume et on modifie la tension d'alimentation en fonction de la valeur prédéterminée, de préférence proportionnellement à cette valeur. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine le facteur de distorsion du signal à amplifier et à partir de ce facteur de distorsion on détermine la tension d'alimentation nécessaire à l'amplification du signal.. ) Dispositif d'amplificateur notamment pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comportant un étage amplificateur (12) et un circuit d'alimentation (11) pour fournir une tension d'alimentation (21) à l'étage amplificateur (12), caractérisé par des moyens (13, 41, 32; 13, 42) pour déterminer la tension d'alimentation (21) nécessaire à l'amplification d'un signal (22), le circuit d'alimentation (11) commandé pour régler la tension d'alimentation (21) que fournit ce circuit d'alimentation (11), et pour le circuit d'alimentation (1 1) une commande (13) qui règle la tension d'alimentation (21) en fonction de la tension d'alimentation requise de l'étage amplificateur (12).