對揚聲器輸出的控制的製作方法

2023-05-23 11:08:41 4

專利名稱：對揚聲器輸出的控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及對揚聲器輸出的控制。
背景技術：
公知的是，揚聲器的輸出應當被控制為，以使其不是簡單地通過任意輸入信號來驅動。例如，揚聲器失效的重要原因是在揚聲器的振膜位移超出製造商通常提供的特定限制時出現的機械缺陷。繼續超出這種位移限制會立即破壞揚聲器，或者顯著縮短該揚聲器的預期使用壽命。同樣公知的是，揚聲器的驅動信號應避免熱損傷。揚聲器是將電能轉換成聲能的設備。但是，很多應用到揚聲器上的電能引起熱消散，熱消散造成很多普通揚聲器的故障。 為了阻止熱損傷(永久或暫時)，需要測量揚聲器的音圈(voice coil)溫度，並且使輸入處於正常狀態，以使溫度不超過特定限制。一種估計音圈溫度的方法是使用多個預估參數、使用揚聲器的數學模型，根據發送到揚聲器的電信號，來預測音圈溫度的值，例如參見Klippel, W.，2004. Nonlinear Modeling of the Heat Transfer in loudspeakers Audio Eng. Soc. 52,3—25。一種不同的方法是直接測量音圈中的電流和電壓，並且基於那些測量來估計音 _ 白勺 M 貞。
禾中 ^igBehler， Gottfried; Sp 汪tling, U. ；Arimont, T. Measuring the Loudspeaker' s Impedance During Operation for the Evaluation of the Voice Coil Temperature in Proceedings of the 98th AES Convention,5Paris,Paper number 4001 中採用。根據測量的電壓和電流，確定被稱為Re的揚聲器DC電阻。DC電阻被估計為超過了揚聲器諧振頻率的最小阻抗附近頻率的阻抗的實數部分的平均值。因為DC電阻取決於音圈的溫度，因此，溫度能夠根據DC電阻來確定。已知，使用上述接收音圈的電壓和電流測量的數位訊號處理器，來使音圈偏移 (excursion)保護和溫度保護結合。錐形(cone)偏移保護是基於普通揚聲器模型，並考慮了提供給揚聲器的音頻信號，但是通過電流測量信號和電壓測量信號來調諧。溫度保護基於根據電流和電壓測量對溫度的確定。本發明具體涉及揚聲器溫度檢測的精確性。為了很好地保護揚聲器，需要以大約 +/_5°C的精度來測量揚聲器的溫度。這樣做的背景在於最高的環境溫度典型地為85°C，並且最大允許的揚聲器線圈溫度典型地為105°C (根據材料，粘膠劑，磁體類型等)。因此，僅允許環境溫度(85°C)之上20°C的溫升，來允許揚聲器能夠管理熱消散。因此，實際系統需要針對揚聲器線圈的非常精確的溫度測量。如上所述，揚聲器中的溫度變化能夠通過測量揚聲器的dc電阻來檢測。該電阻依賴於溫度，溫度是由用於揚聲器線圈的導線的溫度係數而引起。然而，揚聲器具有由揚聲器生產過程所引起的阻抗擴展(spread)。對於典型的行動電話揚聲器，標稱阻抗定為8歐姆+/-10% .
用於製造行動電話揚聲器中的揚聲器線圈的典型銅/矽複合導線的溫度係數在 0. 38% /V量級。這意味著標稱dc揚聲器阻抗的10%的擴展已經造成了揚聲器線圈的溫度測量的 +/-25 °C不精確性。由於在揚聲器生產期間揚聲器阻抗可以擴展+/-10°C時，因此需要考慮實際連接的揚聲器阻抗能夠實時精確地測量揚聲器線圈溫度。

發明內容
根據本發明，提供了一種控制電子設備的揚聲器以提供音圈溫度保護的方法，包括當第一次激活電子設備的電源時，執行綁定(binding)步驟，綁定步驟包括實施測量以能夠確定揚聲器阻抗、以及測量溫度；在揚聲器的後續使用期間，實施測量以能夠監控揚聲器阻抗，以及使用測量的溫度和根據綁定步驟中實施的測量而確定的相應揚聲器阻抗來得到溫度。本發明涉及使揚聲器溫度與連接的揚聲器阻抗相關的問題。這個過程能認為是綁定過程。本發明使用溫度傳感器來執行在第一次連接電源(例如電池)時使用的精確和校準的溫度測量作為校準步驟的一部分。在該校準步驟期間，實施測量以能夠得到揚聲器阻抗以及精確地測量溫度。假設在該校準時刻期間揚聲器溫度與環境溫度相同，使得溫度傳感器不需要過於接近揚聲器音圈。例如，溫度傳感器可以是用於驅動揚聲器的放大器電路的一部分，編解碼器的一部分， 或者構成設備部分的任何其他集成電路的一部分。溫度傳感器能夠非常精確地提供精確綁定。例如，溫度傳感器能夠包括精整片上溫度傳感器(trimmed on-chip temperature sensor)0在綁定步驟中實施測量以能夠確定揚聲器阻抗可以包括使用音調信號驅動揚聲器。測量可以包括音圈電壓和電流，以及確定且監控的揚聲器阻抗可以包括音圈電阻。因此，已知的電壓和電流測量能夠用於執行阻抗監控。優選地，該方法包括在存儲器中存儲綁定步驟測量。這些用於後續溫度計算。然而，這也能夠用作確定綁定步驟是否完成的方法。例如，存儲綁定步驟測量可以包括蓋寫預設數據，使得缺少預設數據表示綁定步驟已經執行。優選地，當電子設備第一次由消費者終端用戶使用時，執行綁定步驟。這意味著在產品製造或測試階段(由製造商進行)不需要綁定，使得不需要對每個電子設備的單獨編程。在揚聲器的後續使用期間，實施測量以能夠監控揚聲器阻抗可以包括生成評估信號，以及將輸入聲信號與評估信號相組合。即使不存在響應於音頻輸入信號而生成的揚聲器信號(或生成的揚聲器信號不足)，評估信號也能夠實施測量。生成評估信號以及將該評估信號與輸入聲信號相組合因此確保了揚聲器信號包括適合於評估的信號，即，在頻率中具有足夠能量的信號，可以對這些頻率進行監控並且用於調整揚聲器信號。當調整揚聲器信號以響應測量的溫度時，這尤其依賴於對評估信號的監控響應。這樣，對音圈溫度的連續監控是可能的，允許更好且更快速的響應。例如，在輸入聲信號包括不足以使其它方法確定音圈溫度的能量期間，音圈可冷卻下來。冷卻的音圈允許聲壓稍微增加，並且需要進行檢測，使得可以正確修改對音頻輸入信號的調整。優選地， 評估信號具有特定的評估頻率，使得基於頻率的分析用於獲取測量。本發明還提供了一種揚聲器控制系統，包括揚聲器；傳感器，用於實施測量以能夠確定揚聲器阻抗；溫度傳感器；以及處理器；其中處理器適於實現綁定步驟，在綁定步驟期間，實施傳感器測量、得到揚聲器阻抗、以及實施溫度傳感器測量；在揚聲器的後續使用期間實現監控，在所述監控期間，實施監控傳感器測量，以及使用綁定步驟中測量的溫度和得到的揚聲器阻抗來確定溫度。本發明的方法可通過包含電腦程式代碼裝置的電腦程式以及運行該程序來執行。


參見附圖，現在將詳細地描述本發明的示例，在附圖中圖1示出了本發明的揚聲器控制系統；以及圖2示出了使用本發明的揚聲器系統的設備製造過程。
具體實施例方式本發明提供了一種控制電子設備的揚聲器來提供音圈溫度保護的方法。當第一次激活電子設備的電源時，執行綁定步驟，在綁定步驟中，確定揚聲器阻抗，以及精確測量溫度(例如環境溫度)。在揚聲器的後續使用期間，使用這些綁定步驟測量，以儘可能精確地進行溫度測量(基於音圈阻抗)。圖1以示意形式示出了揚聲器控制系統100，揚聲器控制系統100能夠根據本發明來控制。系統100從源獲得輸入聲信號120，可以在系統100的輸入處接收該信號。例如， 輸入聲信號120可以從系統外部的源獲得。輸入信號120也可以從存儲系統獲取。輸入信號可以是模擬的或數字的。在實施例中，系統包括用於存儲輸入信號的數字表示的存儲設備195(例如，硬碟或如快閃記憶體的存儲器)，以及相應的獲取裝置。聲音系統100還包括揚聲器130。揚聲器130被配置為接收揚聲器信號並且根據該揚聲器信號生成聲音。揚聲器130包括用於驅動揚聲器的音圈(未示出)。音圈的溫度依賴於揚聲器130接收到的揚聲器信號。聲音系統100包括連接在或者包含在揚聲器130中的監控器140，用於監控音圈對揚聲器信號的響應。特別地，監控器140可以被配置為測量通過音圈的電流和/或測量音圈上的電壓。取代監控電流，監控器140可以被配置為監控信號能量，S卩，在評估頻率處電流的頻率分量的平方。在所有的情形中，監控器用於實施測量以能夠確定或估計揚聲器阻抗。聲音系統100包括處理單元110，該處理單元110用於根據音圈對監控器140所獲得的揚聲器信號的電響應，來生成和/或調整揚聲器信號，從而控制音圈的溫度。處理單元110被配置為接收或獲取輸入聲信號120，並且連接到揚聲器，用於播放揚聲器信號以及產生聲音。處理單元110經由放大器190連接到揚聲器130。處理單元110 連接到監控器140，以接收監控的電響應。處理單元110包括信號調整單元180，信號調整單元180用於調整輸入聲信號120 來控制音圈的溫度。如果音圈的溫度太高或者看起來似乎變得太高，那麼信號調整單元180 可以調整信號以降低溫度，例如，信號調整單元180可以降低輸入聲信號的功率級。例如， 信號調整單元180可以被配置用於輸入信號的衰減、輸入信號的濾波操作等等。信號調整單元180可以被配置為對輸入聲信號120應用音頻壓縮，也被稱作動態範圍壓縮。可以採用用於確定阻抗的任何已知方法。這包括響應於用於驅動揚聲器的音頻信號，來測量音圈電流和電壓。但是，由申請人建議的優選方法是提供用於生成評估信號的信號發生器150。信號發生器150可以是用於在評估頻率處產生正弦波的正弦波發生器。另外，處理單元110包括用於將評估信號與輸入聲信號120相組合的組合單元160。例如，可以將評估信號與輸入聲信號相加。在該實施例中，組合單元160將從信號調整單元180接收到的調整輸入聲信號與評估信號相組合。組合器160經由放大器190將組合信號轉發到揚聲器130，作為揚聲器信號。評估信號可以與放大後的輸入聲信號相組合。評估正弦波始終或者僅當評估頻率處具有不足的輸入信號能量時，與調整的輸入聲音相組合。對於模擬硬體實現而言，正弦波發生器和信號能量檢測器(在評估頻率處) 被實現為電子電路，以及控制器，調整單元和組合器。處理單元110包括用於從控制器140接收監控的電響應的控制器170。控制器170
根據音圈的響應確定溫度。用於控制信號調整單元180的控制信號能夠從電壓和/或電流信號中得到，並用於控制輸入聲信號的調整，使得音圈溫度不會超過特定溫度閾值。為此，從控制器170向信號調整單元180發送控制信號，控制信號指示信號調整單元180針對溫度降低調整信號，或者不調整。例如，對揚聲器音圈上的電壓ν和流入揚聲器音圈的電流i進行監控，並且發送到控制器170，控制器170對音圈的溫度或其某些表示進行估計。從控制器170發送的控制信號可以包括對期望減小的幅度加以指示的值。控制器170和信號調整單元180的功能可以共享，例如，控制器170可以確定評估頻率處的阻抗，並且將該阻抗轉發到信號調整單元180。信號調整單元180可以調整輸入聲信號，使得音圈的溫度根據這個值(例如，與阻抗成反比)降低。數字實現可以使用附加的用於將電壓和電流信號轉換到數字域的模數轉換器 (ADC)和數模轉換器(DAC)。處理單元110可使用DSP或微控制器以軟體實現。對於數字實現，模數轉換器(ADC)位於監控器140與控制器170之間。數模轉換器(DAC)位於組合器160與放大器190之間。
將輸入聲信號施加到DSC或微控制器，或者輸入聲信號可以存儲在DSP或微控制器的存儲器中。評估信號始終或者僅當評估頻率處具有不足輸入信號能量時，通過DSP或微控制器與輸入聲信號相組合。組合信號通過數模轉換器(DAC)轉換到模擬域，其後，被放大並在揚聲器上播放。評估信號可以在DSP或微控制器上產生，並且組合、諸如信號能量檢測之類的監控以及估計步驟也可以在DSP或微控制器上執行。估計的音圈溫度可以存儲於DSP或微控制器的存儲器中。評估信號與調整的輸入聲信號相組合，並被轉換到模擬域且發送到放大器和揚聲器。對音圈上的電壓/或流入音圈的電流進行監控，並轉換到數字域(ADC)。電壓和電流用於計算控制信號。可選地，例如使用移動平均來平滑控制信號。上述系統提供基於對揚聲器的電測量來提供溫度確定。如上所述，揚聲器特性變化意味著，對於這些測量需要考慮各個單獨的揚聲器特性，以提供精確的溫度測量。本發明使得單元170中的溫度確定更精確。本發明提供綁定步驟。在這個綁定步驟期間，當第一次連接電源(電池)時，實施精確的溫度測量。這可以在放大器IC內或確實在設備的任何其它IC中使用非常精確和校準的溫度傳感器。溫度傳感器在圖1中示為組件198。溫度傳感器能夠具有任何適合的設計。優選地，使用構成IC測試設備的一部分的精確溫度傳感器來校準(另外也被稱作精整)。溫度傳感器可以是模擬設備，在這種情況下，精整可以包括通過接通或關斷電路電流源、電阻器或電容器的硬體校正。溫度傳感器可以包括數字設備，在這種情況下，精整可以包括數字增益調整。備選地，校正(delta)值可以存儲在該設備的存儲器中，使得當實施測量時，校正所實施的溫度測量。假定在校準步驟期間，揚聲器阻抗以上述方式來測量，例如，使用音調(評估)信號經由電壓和電流來測量。該阻抗與精整片上溫度傳感器索測量的精確放大器溫度相關聯。假定在該校準期間揚聲器溫度和放大器IC具有相同的溫度，以及這將會是環境溫度。特別地，由於電路操作不會發生內部發熱，使得假定所有組件在環境溫度下。測量的電壓和電流值(或者得到的阻抗值)與溫度值一起存儲在存儲器195中。該存儲器可以與片上閃速存儲器相同用於存儲輸入信號120。存儲的溫度和阻抗信息於是用作參考。據此，實際揚聲器線圈溫度可以使用該參考點以及由電壓和電流測量給出的阻抗變化來計算。電阻與溫度的斜率圖是已知的，因為用於揚聲器線圈的材料的溫度係數是已知的。參考點提供圖上的一個已知點，使得可以相對於參考點來分析後續的阻抗測量。因此，在揚聲器的後續使用期間，如上概述實施測量以能夠監控揚聲器阻抗，並且考慮參考信息來得到溫度。如上所述，綁定步驟在設備第一次供電時發生。當每次移除電源時(例如對於電池更換)不需要重複綁定。為了檢測綁定過程已經發生，範圍之外的預設值可以存儲在閃速存儲器中(例如溫度-270°C )。當連接電源電壓，放大器內的上電復位(POR)電路將保護放大器IC的啟動和初始化。
在這個過程期間，針對範圍之外的值檢查該閃速存儲器。如果閃速存儲器包括預設值，則綁定過程可以開始。然而，如果存儲器包含了正常值，那麼意味著系統已被綁定。對於可選的修復，可以提供重綁定命令作為系統的控制接口的一部分。然而，一種簡單的實現可以在每次連接電源時執行綁定。本發明使得設備測試和裝配對於所有設備是等同的。為了對設備的特定特徵進行更精確的控制，單獨設備的溫度控制系統的調整由用戶執行。但是，這不需要用戶任何主動幹預，以及可簡單地實現為用戶甚至不可能意識到的自動初始校準。圖2示出了製造和裝配過程。步驟200包括IC測試，並且可以包括對集成到放大器IC中的溫度傳感器進行精離
iF. ο步驟210包括設備裝配，設備裝配包括PCB裝配以及安裝揚聲器。步驟220是最終產品的最終測試，但是沒有設備特定校準。然後在步驟230中封裝該設備。在行動電話的情形下，電池不在這個階段安裝。然後將設備裝運到商店。在步驟MO中用戶購買該設備。用戶連接電池，電池自動觸發綁定步驟。上述過程使用與音頻信號相加的評估信號，特別地使得能夠檢測揚聲器電特徵。 因此音圈的溫度始終基於特定信號而非在指定時間發生的信號。這使得電分析更健壯。評估信號具有特定的頻率。頻譜分析器然後可以用於分析揚聲器電特徵。可以使用多種頻譜變換，例如，小波變換等。傅立葉變換在頻譜分析器的使用中尤其有效。使用傅立葉變換(例如，DFFT)，對於頻率集合(例如在OHz和尼奎斯特頻率之間線性隔開的頻率集合)執行信號分量(component)，其後存在到特定期望頻率的限制，例如，到評估頻率的限制。在有限時間段期間(例如2秒的時間段)，評估信號可以與輸入聲信號相組合，在有限時間段期間對監控的電響應進行頻譜變換。在優選實施例中，僅在評估頻率處得到根據傅立葉變換的頻譜響應。可以在有限時間段內對響應進行平均。可以立即或在預定的等待間隔(5秒)之後重複或反覆有限時間段。平均和等待間隔均避免了太頻繁地調整輸入聲信號，這對於系統的聽眾來說可能是顯著的。此外，平均提高了溫度評估的精確性。優選地，與其它方式引起(比如由於揚聲器的有限保真度引起的或由於熱變形引起的)的失真相比，輸入聲信號引起的可聽失真至少對於實踐目的來說是可忽略不計的。 例如，評估信號可以被配置用於揚聲器，響應於評估信號不產生聲音或者產生不可聽的聲音。如果存在音圈對評估信號的電響應(依賴於音圈的溫度)就足夠了。例如，評估頻率可以在揚聲器的諧振頻率之下。例如，儘管揚聲器的音圈確實對揚聲器信號的頻率的信號分量做出電響應，但是揚聲器不可能有效地產生特定頻率(例如，100赫茲或更低)的聲音。 對於這樣的揚聲器，可以在特定頻率(例如，100赫茲)下選擇評估頻率。揚聲器可以配置有較低頻率界限，低於較低頻率界限，揚聲器被配置為響應於具有低於較低頻率界限的頻率的揚聲器信號中的信號分量，不產生聲音或者產生不可聽聲音。評估頻率可以低於較低頻率界限。這樣，評估信號將不會引起可聽響應；但是該評估信號產生電響應。電響應可以用於可靠且連續的溫度測量，而聲音系統的用戶聽不到評估信號的存在。本發明可以應用於易於產生發熱問題的所有類型的揚聲器。然而，因為這些，所述評估信號的使用對於具有高諧振頻率GOOHz以上)的揚聲器來說更具吸引力，這是因為評估信號在產生低頻方面效率較低。因此，本方法使用的評估信號將生成非常低的聲音輸出。評估信號也可以具有低振幅和低頻率的組合，該組合使評估信號不能在揚聲器中生成可聽響應。如上所述，本發明的系統和方法用於提供溫度保護。可以使用信號調整單元180來實現的揚聲器熱保護的方案可以使用例如子控制器170或信號調整單元180中計算的以下(反饋)控制信號中一個或多個-估計的音圈溫度，或其平滑版本，-評估頻率處阻抗的幅值，或其平滑版本，-評估頻率處電流的信號能量，或其平滑版本。這在假定評估頻率處的電壓分量為恆定的情況下是適宜的。反饋控制系統確保音圈溫度不超過特定閾值。這可以通過確保控制信號應該或不應該超過特定閾值來實現。這可以通過對信號調整單元180進行控制來獲得，信號調整單元180以控制信號控制的方式來調整輸入聲信號。該過程可是，但不限於-輸入聲信號的衰減，-輸入聲信號的濾波操作，-應用到輸入聲信號的音頻壓縮算法。能夠在用於估計音圈溫度的DSP或微控制器上實現該處理模塊，或者在模擬硬體中實現。本發明在應用於接近其熱極限而使用的揚聲器時尤其有益。特別地，結合用於最大化揚聲器的聲壓級(SPL)輸出的方法結合，本發明對於行動裝置是極具吸引力的。當然， 將揚聲器驅動到其極限以最大化SPL能夠引起揚聲器嚴重的發熱，並使熱保護方案變得有益的。然而，本發明能更普遍地應用於驅動任何類型揚聲器的任意IC。需要的電流感測已經由可以使用電流感測用於診斷反饋的放大器IC來提供。本發明尤其感興趣的行動裝置可以包括電話、桌上型電腦、筆記本，mp3播放器，移動導航單元。本發明不限於電池操作的設備，並能用於計算機，電視機，條形碼讀取器，電子 (口頭(spoken))書，以及汽車和家庭音響系統。本發明能夠減小揚聲器的損壞。本發明的方法可以被實現為軟體算法，以及本發明同樣提供包括適於執行該方法的電腦程式代碼裝置的電腦程式，以及電腦程式可以在諸如存儲器之類的計算機可讀介質上實施。對於本領域技術人員來說各種變體將是顯而易見的。
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權利要求
1.一種控制電子設備(100)的揚聲器(130)以提供音圈溫度保護的方法，包括當第一次激活電子設備的電源時，執行綁定步驟，所述綁定步驟包括實施測量以能夠確定揚聲器阻抗、以及測量溫度；在揚聲器的後續使用期間，實施測量以能夠監控揚聲器阻抗，以及使用測量的溫度和根據綁定步驟中實施的測量而確定的相應的揚聲器阻抗，來得到溫度。
2.如權利要求1所述的方法，其中，測量溫度包括使用構成了電子設備的集成電路的一部分的溫度傳感器(198)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，綁定步驟中實施測量以能夠確定揚聲器阻抗包括使用音調信號來驅動揚聲器。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，測量包括音圈電壓(V)和電流(I)，並且確定和監控的揚聲器阻抗包括音圈電阻。
5.如前述權利要求中任一項所述的方法，包括在存儲器(1%)中存儲綁定步驟中的測量。
6.如權利要求5所述的方法，其中，存儲綁定步驟中的測量包括蓋寫預設數據，使得缺少預設數據表示綁定步驟已經發生。
7.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，當電子設備第一次由消費終端用戶使用時，執行綁定步驟。
8.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，在揚聲器的後續使用期間，實施測量以能夠監控揚聲器阻抗包括產生評估信號，以及將輸入聲信號與評估信號相組合。
9.如權利要求8所述的方法，其中，評估信號具有特定的評估頻率。
10.一種揚聲器控制系統，包括揚聲器(130)；傳感器(140)，用於實施測量以能夠確定揚聲器阻抗；溫度傳感器(198)；以及處理器(170)；其中處理器適於實現綁定步驟，在綁定步驟期間，實施傳感器測量並得到揚聲器阻抗、以及實施溫度傳感器測量；在揚聲器的後續使用期間實現監控，在所述監控期間，實施監控傳感器測量，以及使用綁定步驟中測量的溫度和得到的揚聲器阻抗來確定溫度。
11.如權利要求10所述的系統，其中，溫度傳感器(198)構成電子設備的集成電路的一部分，其中所述電子設備合併了揚聲器控制系統。
12.如權利要求10或11所述的系統，包括評估信號發生器(150)，以及用於將輸入聲信號與評估信號相結合的裝置(160)。
13.—種包括電腦程式代碼裝置的電腦程式，所述電腦程式代碼裝置適於當所述程序在計算機上運行時，執行權利要求1至9中任一項的所有步驟。
14.如權利要求13所述的電腦程式，在計算機可讀介質上實現。
全文摘要
本發明提供了一種控制電子設備的揚聲器的方法，該方法提供了音圈保護。當第一次激活電子設備的電源時，執行綁定步驟，在綁定步驟中確定揚聲器阻抗，以及精確測量溫度(例如環境溫度)。這些綁定步驟測量在揚聲器的後續使用期間被使用，以實現儘可能精確的溫度測量(基於音圈阻抗)。
文檔編號H04R1/28GK102348147SQ20111016048
公開日2012年2月8日 申請日期2011年6月15日 優先權日2010年6月16日
發明者約翰·松貝裡, 讓-保羅·弗雷克·赫伊塞爾 申請人:Nxp股份有限公司