用于單端d類放大器的供電裝置制造方法
【專利摘要】用于單端D類放大器（1）的供電裝置，包括第一初級繞組（7）、第二初級繞組（9）和控制器（15），第一初級繞組在正供電軌道和地之間與第一開關（8）串聯連接，第二初級繞組與所述第一繞組同相并在負供電軌道和地之間與第二開關（10）串聯連接，控制器適于向所述第一開關和第二開關施加控制信號，所述控制信號（Q）具有由死區時間（dt）分隔的預定義脈沖時間（pt）的啟動脈沖。在使用中，通過相反的初級繞組，連接到具有最高數值電壓的供電軌道的初級繞組傳輸軌道電位差到具有最低數值電壓的供電軌道，因此減少繞組之間的任何電壓不平衡。
【專利說明】用于單端D類放大器的供電裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及音頻的DC-DC和DC-AC轉換，其中逆變器級(DC-AC)是單端D類放大器。
技術背景
[0002]現有技術中已知的且用于D類放大器的兩種主要技術是全橋和半橋拓撲結構。
[0003]對于低成本的消費產品，半橋拓撲結構比全橋拓撲結構有明顯的優勢，因為只需要一半數量的功率開關、驅動器和輸出電感器。盡管在半橋拓撲結構中功率開關的電壓額定值是雙倍的，仍然有制造和成本的降低的益處。與全橋拓撲結構相比，因為揚聲器輸出端子對地參考，過載保護和輸出感測變得更加容易。
[0004]半橋D類拓撲結構的缺點是需要雙軌供電，并且事實上這種拓撲結構將使電流從功率正在消耗的地方泵送回到相反的供電軌道。
[0005]文件W02010/022220公開了一種抵消供電泵送的方法。根據這種解決方法，一個邏輯模塊檢測最高電壓位置，并驅動兩個開關中的一個來轉移能量。
[0006]在來自 申請人:的更早的申請(US2009/0102295)中公開了有效解決軌道泵送問題的方法。通過那個發明已獲得在消費產品中應用單端D類放大器的優勢。
【發明內容】
[0007]本發明的一種實施方式特別涉及一種供電裝置，其包括帶有正供電軌道和負供電軌道來向單端D類放大器供電的供電單元；以及連接在正負電源軌道之間的變壓器裝置。該變壓器裝置包括第一初級繞組、第二初級繞組和控制器，第一初級繞組在正供電軌道和地之間與第一開關串聯連接，第二初級繞組與第一初級繞組同相并在負供電軌道和地之間與第二開關串聯連接，控制器適于向第一和第二開關提供控制信號，控制信號(Q)含有由死區時間分隔的預定義脈沖時間(Pt)的(啟動)脈沖。當第一和第二開關閉合(啟動)時，第一繞組將經歷第一電位差并且第二繞組將經歷第二電位差。如果第一電位差比第二電位差大，第二開關將充當整流器，并且能量將從第一繞組轉移到第二繞組，如果第二電位差比第一電位差大，第一開關將充當整流器，能量將從第二繞組轉移到第一繞組。
[0008]在正向循環期間，當兩個開關都閉合(啟動)時，與具有最高數值電壓的供電軌道連接的初級繞組將會通過相反的初級繞組向具有最低數值電壓的供電軌道傳輸軌道電位差以減少繞組之間的不平衡。此動作被稱為供電泵送抵消。泵送減少的動作將逐個循環地連續發生。(“最高數值電壓”意指軌道具有離零很遠的電壓。因此負電壓-31 “數值上大于”正電壓+29)。
[0009]通過主動消除或減少供電泵送，可以避免對大型軌道電容的需求，從而提高系統的緊湊性和供電質量，這內在地將導致更好的音頻性能。本發明將使單端放大器結構的所有好處得以實現，而不引入產生供電軌道泵送現象的傳統問題。
[0010]由于所述供電源的泵送抵消動作，起源于開關模式或線性供電的任意前端+/-供電軌道將起作用，因為供電只需要提供電流。
[0011]根據所述的實施方式，供電裝置進一步包括泵電流控制裝置，其包括變壓器，此變壓器包括與第一初級繞組串聯連接的泵電流控制初級繞組、用于監控通過泵電流控制初級繞組的泵電流幅值的泵電流控制次級繞組、和用于從次級繞組向單端D類放大器的音頻信號控制路徑回饋泵電流信息的回饋路徑，所述單端D類放大器連接于供電裝置以啟用泵電流調節。
[0012]變壓器裝置進一步包括空氣間隙和至少一個次級繞組，此次級繞組與第一和第二初級繞組有180度的相移，用于提供至少一個次級電壓。
[0013]在這種情況下供電裝置適于在正向循環期間在變壓器空隙中存儲能量，并且存儲的能量被分配到次級繞組，以在第二循環階段(反激循環)來提供反激電壓。次級電壓可能被用于各種“整理內部事務”的目的，例如用于運算放大器的供電和驅動音頻放大器中場效應晶體管。
[0014]這種實施方式以非常簡單的和成本有效的方式提供了帶有泵送抵消功能的反激變換器。承受更大的電位差的初級繞組將形成反激變換器的一部分，并轉換功率到次級繞組，而其它的初級繞組在正向循環中反射功率轉換初級繞組兩端之間的電壓，以實現泵送抵消，因此確保軌道電壓平衡。
[0015]根據此實施方式的供電裝置實質上包括反激變換器，其設置有額外的初級線圈，以使其能夠提供連接于正向和負供電軌道的單端D類放大器的泵送抵消。
[0016]兩個初級繞組中的任何一個被用于功率轉換；相反的初級繞組將在正向循環期間以相反的極性反射轉換初級繞組兩端之間的電壓。
[0017]次級電壓可通過控制信號的電流型脈寬調制得到有利地調節，此控制信號在變壓器裝置中提供給開關。
[0018]根據一種實施方式，供電裝置設置有反激控制裝置，以檢測反激電流的幅值，所述反激控制裝置包括反激電流變壓器和回饋路徑，所述反激電流變壓器具有:與所述第一初級繞組串聯連接的第一反激控制初級繞組、與所述第二初級繞組串聯連接的并與第一反激控制初級繞組同相的第二反激控制初級繞組、以及與所述第一和第二反激控制初級繞組同相耦合的反激控制次級繞組，所述反激控制次級繞組監控通過反激控制初級繞組的反激電流幅值；回饋路徑從所述反激控制次級繞組向所述控制器回饋反激電流信息，用于通過控制信號(Q)的電流型脈寬調制來調節任何反激次級電壓。
[0019]通過將泵電流控制變壓器和反激控制變壓器兩者互相分開實現，泵送抵消循環和反激循環的電流信息可以被分別監控。
[0020]因此，對于供電泵送調節和次級反激調節兩者，可以逐個循環地獲得電流限制。電流限制等級在兩種模式中分別設置。
[0021]根據本發明的裝置被有利地嵌入到消費者或專業多媒體產品，包括音頻/視頻提供商。
[0022]根據本發明的一種供電裝置在任何消費者或專業產品中被實施，包括向用戶提供音頻的裝置，其包括但不限于:音頻/視頻系統、多媒體播放器、汽車、船只和類似物中的音頻/視頻設備。【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]本發明將參考附圖進行更詳細的描述，示出了此發明當前優選實施方式。
[0024]圖1示出了根據本發明的實施方式實現供電裝置的音頻放大器系統的方塊示意圖。
[0025]圖2示出了根據本發明的另一實施方式實現供電裝置的音頻放大器系統的方塊示意圖。
[0026]圖3示出了根據本發明的又一實施方式實現供電裝置的音頻放大器系統的方塊示意圖。
【具體實施方式】
[0027]圖1表明了包括連接到由電源3饋電的供電單元(PSU) 2的單端D類放大器I的音頻系統。電源3可能是AC或DC，供電單元可能是開關模式類型或簡單的線性PSU。PSU2有兩個供電軌道輸出，正軌道4和負軌道5，這兩個供電軌道與單端D類放大器I相連接并向它供電。
[0028]系統進一步包括變壓器裝置，其連接于軌道4、5之間。變壓器裝置包括在正軌道4和地之間與第一開關8串聯連接的第一初級繞組7、在負軌道和地之間與第二開關10串聯連接的第二初級繞組9。每一個初級繞組的匝數優選是相同的。不管電流和溫度，每個開關8和10優選有相同的電氣特性，從而有相同的壓降，因此確保軌道之間最好的合理跟蹤。開關8、10可以是例如MOSFET晶體管。
[0029]變壓器裝置進一步包括一個或多個次級繞組，示出了四個次級繞組11、12、13、14的情況，其與初級繞組有180度的相移。這些繞組形成了輔助電源供應裝置，用于提供大量的內部事務電壓(housekeepingvoltage)用于D類放大器操作。特別是繞組11和12向D類放大器I中的信號放大器(例如運算放大器)提供正向和負驅動電壓(典型地正和負5V)。繞組13提供單個電壓輸出以向低側D類放大器FET驅動器供電。這個電壓可以被自舉來為FET驅動器提供高側電壓。繞組14提供輔助反激電壓。可以增加任何額外的應用特定的反激輸出電壓。
[0030]開關8和10由來自控制器15的控制信號Q控制，這里，控制器15為電流型控制器。控制信號可以是矩形脈沖信號，包括被死區時間分隔的啟動脈沖。
[0031]變壓器裝置在單個的磁性結構中實現。根據一種實施方式，變壓器裝置是一個平面變壓器，其中繞組7、9、11、12、13、14在印刷電路板(PCB)上形成。
[0032]圖1中的系統進一步包括泵電流控制16，其包括連接在初級繞組7和正軌道4之間的初級繞組17、及檢測通過初級繞組17的雙向電流幅值的次級繞組18。泵電流控制16進一步包括具有全橋整流器19和電阻20的回饋路徑21，其適于將電阻20兩端之間的電壓回饋至連接于單端D類放大器I的放大器控制器22。這里，回饋路徑也與電流型控制器15相連。
[0033]系統進一步包括反激控制23，其具有與第一初級繞組7串聯連接的第一初級繞組24和與第二初級繞組9串聯連接的第二初級繞組25。初級繞組24和25是同相的。反激控制23進一步包括次級繞組26，其與初級繞組24、25同相耦合，以監控通過初級繞組24、25的電流幅值。反激控制進一步包括回饋路徑27，將電阻28兩端之間的電壓回饋至電流型控制器15。
[0034]初級繞組24、25被布置成如下方式:通過繞組24和25的泵電流相互抵消，確保只有反激電流被繞組26檢測到并被提供給電流型控制器15。
[0035]操作期間，放大器I由正向和負軌道4、5供電。開關8、10被控制器15控制，以在開關8、10兩者都閉合的正向循環和兩個開關都打開的反激循環之間切換。
[0036]在正向循環中，繞組7兩端之間將出現正供電軌道電壓，而繞組9兩端之間將出現負供電軌道電壓。繞組7和9兩端之間的電位差有相同的極性(也就是說在這兩種情況下點連接到正向的一側)。有最高電壓的軌道將在正向循環中改變到相反軌道。開關8和開關10將依據電流方向或充當開關或充當整流器。
[0037]因此，電位差將均等，泵送效應會得到限制或消除。
[0038]這被稱為供給泵送減少系統，通過迫使電流從具有最高數值電壓的供電軌道到具有最低數值電壓的供電軌道，此系統重新分配從單端D類放大器被回饋的任意泵送電荷。泵送減少行為將逐個循環地連續發生。
[0039]同時，隨著向具有較低數值電位的軌道轉移能量，承受最大的電位差初級繞組也將給變壓器裝置的空氣間隙充電。
[0040]在反激循環階段，當開關8、10打開時，在正向循環期間存儲于空氣間隙的能量將通過次級繞組和整流二極管重新分配，引起次級回饋電壓。變壓器裝置因此在正向循環和反激循環兩者中在功率轉換中是有效的。
[0041]關于泵電流的信息通過回饋路徑21回饋到放大器控制器22和電流型控制器15，以調節泵電流并提供過流保護。
[0042]關于反激電流的信息通過回饋路徑27回饋到電流型控制器15，以通過控制信號Q的電流脈寬調制實現反激電壓的電流型調節。
[0043]反激的次級輸出電壓和操作點被調整以與某些要求匹配。接近50%的占空比的恒流模式邊界之上穩態操作是優選的。
[0044]根據本發明的進一步實施方式，圖2中所示，變壓器裝置包括兩個額外的鉗位二極管34和29。第一個二極管34其陽極與負軌道5連接，并且陰極連接開關8的源極節點。第二個二極管29其陽極與開關10的漏極節點連接，并且其陰極連接正軌道4。正向循環期間存儲于初級繞組7的漏電感中的任何能量將會在反激循環期間通過第一鉗位二極管34返回負軌道5。正向循環期間存儲于初級繞組9的漏電感中的任何能量將會在反激循環期間通過第二鉗位二極管29返回正軌道4。
[0045]因為在大多數應用中，軌道電壓水平得到調節，并且放大器的反激負載幾乎不變，控制開關8、10的控制信號Q最好有接近于50%的占空比，這對因泵送抵消而導致的軌道不平衡的管理是最佳的。
[0046]然而，為了進一步加強泵送抵消性能，如圖3所示的一個交錯設計可以實施。
[0047]在此實施方式中，除了上述的裝置30，變壓器裝置包括額外一組變壓器繞組和開關31。額外的開關32、33被控制信號Qnrt控制，其對于Q相移180度。也就是說，當Q是啟動，Qneg是關斷，反之亦然。這種交錯將使正向泵送抵消占空比接近100%，從而獲得幾乎連續的泵送抵消。
[0048]將反激輸出進行交錯將部分地抵消反激輸出11、12、13、14上的紋波電流，因為紋波頻率將是非交錯頻率的二倍。
[0049]本領域技術人員會發現本發明絕不限于上述提出的實施方式。相反地，許多修改和變化可能是在所附權利要求范圍內。例如，可能使用其他類型的開關，電路細節可能與圖例有偏差。
【權利要求】
1 .一種供電裝置，包括供電單元(2 )和變壓器裝置，所述供電單元(2 )具有用于向單端D類放大器(I)供電的正供電軌道(4)和負供電軌道(5)，所述變壓器裝置連接在正電源軌道和負電源軌道之間，所述變壓器裝置包括: 第一初級繞組(7)，其在所述正供電軌道和地之間與第一開關(8)串聯連接， 第二初級繞組(9)，其與所述第一初級繞組同相并在所述負供電軌道和地之間與第二開關(10)串聯連接，和 控制器(15)，其適于向所述第一開關和所述第二開關施加控制信號，所述控制信號Q具有由死區時間dt分隔的預定義脈沖時間Pt的啟動-脈沖， 使得當所述第一開關和所述第二開關(8，10)閉合(啟動)時，所述第一繞組將經歷第一電位差并且所述第二繞組將經歷第二電位差， 其中，如果所述第一電位差比所述第二電位差大，則所述第二開關將充當整流器，能量將從所述第一繞組轉移到所述第二繞組，并且 其中，如果所述第二電位差比所述第一電位差大，則所述第一開關將充當整流器，能量將從所述第二繞組轉移到所述第一繞組， 使得能量將逐循環地連續傳輸，從而減少供電泵送。
2.如權利要求1中所述的供電裝置，其中所述第一初級繞組和所述第二初級繞組(7、9)每個都具有相同的匝數。
3.如權利要求1中所述的供電裝置，還包括泵電流控制裝置(16)，該泵電流控制裝置(16)包括: 泵電流控制裝置，其具有泵電流控制初級繞組(17)和泵電流控制次級繞組(18)，所述泵電流控制初級繞組(17)與所述第一初級繞組串聯連接，所述泵電流控制次級繞組(18)監控通過所述泵電流控制初級繞組的泵電流的幅值，和 回饋路徑(21)，其從所述次級繞組(18)向泵控制器(22)回饋泵電流信息來實現泵電流調節。
4.如上述任一權利要求中所述的供電裝置，其中所述變壓器裝置還包括空氣間隙和與所述第一初級繞組和所述第二初級繞組(7、9)有180度相移的至少一個次級繞組(11、12、13、14)，用于提供至少一個次級電壓。
5.如權利要求4中所述的供電裝置，其中所述次級電壓由所述控制信號Q的電流型脈寬調制調節。
6.如權利要求4或5中所述的供電裝置，還包括反激控制裝置(23)，該反激控制裝置(23)包括: 反激控制變壓器，其具有第一反激控制初級繞組(24)、第二反激控制初級繞組(25)和反激控制次級繞組(26)，所述第一反激控制初級繞組(24)與所述第一初級繞組串聯連接，所述第二反激控制初級繞組(25)與所述第二初級繞組串聯連接并與所述第一反激控制初級繞組同相連接，所述反激控制次級繞組(26)與所述第一反激控制初級繞組和所述第二反激控制初級繞組同相耦合，以監控通過所述反激控制初級繞組的反激電流的幅值，和 回饋路徑(27)，其從所述反激控制次級繞組向所述控制器回饋反激電流的信息，用于通過所述控制信號Q的電流型脈寬調制來調節任何反激次級電壓。
7.如權利要求6中所述的供電裝置，其中所述反激控制初級繞組(24、25)被布置成使得來自通過所述反激控制初級繞組(24、25)的泵電流的貢獻相互抵消，確保只有所述反激電流被所述繞組(26 )檢測到并被提供給所述電流型控制器(15)。
8.如上述任一權利要求中所述的供電裝置，其中所述第一開關和所述第二開關(8、10)被所述控制器(15)控制，以在正向循環和反激循環之間切換，在所述正向循環期間，所述第一開關和所述第二開關(8、10)都是閉合的(啟動)，在所述反激循環期間，所述第一開關和所述第二開關(8、10)都是打開的(關斷)。
9.如上述任一權利要求中所述的電源供應裝置，其中所述變壓器裝置有單個磁芯。
10.如上述任一權利要求中所述的供電系統，還包括第一鉗位二極管(34)，該第一鉗位二極管(34)連接在所述第一開關(8)的源極節點和所述負供電軌道(5)之間，以便存儲于所述初級繞組(7)的漏電感中的任何能量通過所述鉗位二極管(34)被返回到所述負軌道。
11.如上述任一權利要求中所述的供電系統，還包括第二鉗位二極管(29)，該第二鉗位二極管(29)連接在所述第二開關(10)的漏極節點和所述正供電軌道(4)之間，以便存儲于所述初級繞組(9)的漏電感中的任何能量通過所述鉗位二極管(29)被返回到所述正軌道。
12.如上述任一權利要求中所述的供電系統，還包括第二變壓器裝置(31)，該第二變壓器裝置(31)與所述第一變壓器裝置30相互交錯，其中所述第二變壓器裝置的開關(32、33)由第二控 制信號Qneg控制，所述第二控制信號Qneg對于所述第一控制信號Q有180度相移。
【文檔編號】H02M3/337GK103548249SQ201280024234
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年5月21日 優先權日:2011年5月25日
【發明者】邁茲·彼得·弗瑞姆 申請人:邦及奧盧夫森公司