專利名稱：具有電流感測的平面音頻放大器輸出電感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說明書描述了具有電流感測的平面音頻放大器輸出電感器。參考以引用的方式整體合并入本文的美國專利7，432，793。

發(fā)明內(nèi)容
在ー個方面，音頻放大器包括平面電感器結(jié)構(gòu)，該平面電感器結(jié)構(gòu)包括在第一電路板的層上形成的第一多個繞組(winding)和在第二電路板的層上形成的第二多個繞組。該音頻還可以包括輸出級和開關(guān)級。該第一多個繞組可以與該輸出級相鄰，并且該第二多個繞組可以與該開關(guān)級相鄰?？梢杂删哂泻穸鹊拈g隔結(jié)構(gòu)隔離該第一多個繞組和該第二多個繞組。電感耦合常數(shù)K可以與該厚度成正比。該間隔結(jié)構(gòu)可以包括介電(dielectric)材料層。該間隔結(jié)構(gòu)可以包括互連管腳。該第一多個繞組和該第二多個繞組可以由可以與該間隔結(jié)構(gòu)的該厚度成正比的耦合常數(shù)K表征。平面輸出電感器還可以包括基本上封住 該第一多個繞組和該第二多個繞組的鐵氧體芯(ferrite core)結(jié)構(gòu)。該鐵氧體芯可以包括由具有寬度的縫隙隔離的兩個相對面。該輸出電感器的電感量可以與該縫隙的寬度成正比。所要求的音頻放大器還可以包括第一芯結(jié)構(gòu)和第二芯結(jié)構(gòu)，其中該第一芯結(jié)構(gòu)包括鐵氧體，該第二芯結(jié)構(gòu)包括磁導(dǎo)率U在4到200范圍之內(nèi)的材料。該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)可以被配置為使得它們形成具有用于容納該第一多個繞組和該第二多個繞組的腔體的組合結(jié)構(gòu)，其中，該輸出電感器的電感量與U成正比。該音頻放大器還包括用于感測該電感器中的電流的感測線圈，該感測線圈在該第一電路板的層上形成且與該第一多個繞組中的一個繞組相鄰。在另ー個方面，音頻放大器包括平面電感器結(jié)構(gòu)，該平面電感器結(jié)構(gòu)包括在第一電路板的層上形成的第一多個繞組以及與該第一多個繞組中的一個繞組相鄰用于感測該第一多個繞組中的電流的感測線圈。該平面電感器結(jié)構(gòu)還可以包括在第二電路板的層上形成的第二多個繞組。當(dāng)結(jié)合附圖來閱讀以下詳細(xì)描述時，其他特征、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中


圖1、2、3和4A是D類放大器的框圖；圖4B是示出了耦合電容的效應(yīng)的D類放大器的框圖；圖5是顯示了耦合系數(shù)的效應(yīng)的f的圖；圖6A和6B是具有電流感測環(huán)路的平面電感器的示意性橫截面；以及圖7是電感器和感測線圈的俯視圖。
具體實(shí)施方式
附圖的多個視圖的元素在框圖中可以被顯示并且描述為離散元件并且可以被稱為“電路”，若非另外指示，這些元件可以被實(shí)現(xiàn)為模擬電路、數(shù)字電路或ー個或多個用于執(zhí)行軟件指令的微處理器中的一個或組合。軟件指令可以包括數(shù)字信號處理器(DSP)指令?？梢杂赡M電路或由用于執(zhí)行與模擬操作等效的算術(shù)或邏輯的軟件的微處理器執(zhí)行操作。若非另外指示，可以將信號線實(shí)現(xiàn)為離散模擬或數(shù)字信號線，實(shí)現(xiàn)為具有合適的信號處理以處理音頻信號的獨(dú)立流的單個離散數(shù)字信號線，或者實(shí)現(xiàn)為無線通信系統(tǒng)的元件。在框圖中可以描述ー些過程?？梢杂嫂`個元件或由多個元件并且可以在時間上分離地執(zhí)行每個框中的活動。用于執(zhí)行框的活動的元件可以 是物理上分離的。若非另外指示，可以用數(shù)字或模擬形式編碼并且發(fā)送音頻信號或視頻信號或者兩者；在附圖中可以不顯示常規(guī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖I顯示了 D類放大器10。Vhigh電壓源12由開關(guān)16耦合到開關(guān)節(jié)點(diǎn)14，并且由ニ極管20耦合到節(jié)點(diǎn)18。V1ot電壓源22由開關(guān)24耦合到開關(guān)節(jié)點(diǎn)14，并且由ニ極管26耦合到節(jié)點(diǎn)18。開關(guān)節(jié)點(diǎn)14可以經(jīng)過電容40(其無需表示組件電容器，并且可以是例如來自用于執(zhí)行開關(guān)16和24以及ニ極管20和26的功能的場效應(yīng)晶體管[FET]的寄生電容)耦合接地，并且耦合到節(jié)點(diǎn)18。由電感器30將節(jié)點(diǎn)18耦合到節(jié)點(diǎn)28。節(jié)點(diǎn)28由輸出電容器32耦合接地，并且耦合到輸出終端34。將輸出終端34耦合到負(fù)載36。將調(diào)制器38可操作地耦合到開關(guān)16和24以控制開關(guān)16和24。電感器30和電容器32形成輸出濾波器。開關(guān)放大器通常利用輸出濾波器來防止開關(guān)頻率及其諧波輻射以及對其他設(shè)備造成電磁干擾(EMI)。在操作中，由調(diào)制器38根據(jù)開關(guān)周期來閉合和打開開關(guān)16和24。閉合開關(guān)16以在ー個時間間隔內(nèi)經(jīng)過電感器30將負(fù)載連接到比需要的最高負(fù)載電壓更高的電壓源(Vhigh) 12，在該時間間隔結(jié)束時，打開開關(guān)16并且閉合開關(guān)24以在另ー個時間間隔內(nèi)經(jīng)過電感器30將負(fù)載連接到比需要的最低負(fù)載電壓更低的電壓源(V1ot) 22。電壓將平均為Vlmt與Vhigh之間與兩個開關(guān)的相対“接通”時間成正比的值。調(diào)制器顯著、連續(xù)地改變該比例(“占空比”)以便產(chǎn)生希望的輸出電壓。當(dāng)開關(guān)16接通時，電感器電流(向外的方向所參考的)將正向變化，并且當(dāng)開關(guān)24接通吋，電感器電流將反向變化，并且將平均為輸出電流，其中，開關(guān)周期變化被稱為“波紋電流”。大部分而言，波紋電流將流過輸出電容器32，并且平均電感器電流將等于負(fù)載中的電流。由于各種各樣的原因，包括減輕由包括電感器30和電容器32的輸出濾波器弓I起的畸變，希望在負(fù)載處在濾波器之后的輸出電壓周圍閉合反饋環(huán)路。由于該濾波器是第二級系統(tǒng)，并且在放大器控制系統(tǒng)中存在其他延遲以及對相位滯后的其他貢獻(xiàn)因素，所以這需要附加補(bǔ)償以給出穩(wěn)定的系統(tǒng)。在圖2中顯示了如此做的ー種方式。圖2的放大器包括輸出電壓環(huán)路，在該輸出電壓環(huán)路中，將在輸出終端34處的電壓反饋給包括電壓環(huán)路求和器11和電壓環(huán)路補(bǔ)償器13的電壓反饋電路。另外，包括用于感測電感器30、電流環(huán)路求和器15和電流環(huán)路補(bǔ)償器17中的電流的電流傳感器42的內(nèi)電流環(huán)路對外電壓環(huán)路的輸出進(jìn)行操作，以穩(wěn)定外電壓環(huán)路。該電流環(huán)路優(yōu)選地包括用于感測輸出電感器中的電流的高帶寬低噪聲方法。由于下文將解釋的原因，可能希望將電流傳感器42放置在電感器30的輸出級末端；但是，可以將該電流傳感器放置在任意合適的點(diǎn)上。ー種高帶寬AC電流傳感器基于對輸出電感器30兩端的電壓求積分。始于V[t] = L^M，然后丄=小]+c。因此，可以如圖3中所示地實(shí)現(xiàn)圖2的電流傳感器42。dt L
電流傳感器42包括被電感I禹合到輸出電感器30并且通過積分器53被電氣I禹合到輸出終端52的感測繞組50，從而可以從終端52的輸出得出輸出電感器30中的電流。然后可以向圖2的電流環(huán)路求和器15提供得出的電流。該電流傳感器僅意圖用于AC并且不意圖用于DC0圖4A顯示了具有附加特征的D類放大器的輸出部分。圖4A的放大器另外包括連接到輸出電感器上的抽頭的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)54 (包括串聯(lián)的電感器56、電容器58和電阻60)，如例如美國專利7，432，793的圖8中所顯示的，其中圖4A的電阻60是寄生電阻。以下將在圖5的討論中解釋調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)54的優(yōu)點(diǎn)。如果將調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)電感器56實(shí)現(xiàn)為常規(guī)繞磁結(jié)構(gòu)，則具有圖4A的配置的放大器可能具有ー些缺點(diǎn)。缺點(diǎn)可能包括感測繞組與輸出電感器30的繞組之間的耦合電容；由于調(diào)諧嚴(yán)重地受到輸出電感器30的兩個部分30A和30B之間的·磁耦合系數(shù)K的影響而導(dǎo)致的諧振網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧時的困難；由附加繞組、抽頭和管腳導(dǎo)致的額外成本；以及與電感器中匝數(shù)和線規(guī)完全不同的多個繞組相關(guān)聯(lián)的機(jī)械問題和變化?？梢詤⒖紙D4B解釋耦合電容問題，其中圖4B是圖4A的D類放大器的輸出部分，在圖4B中在開關(guān)16和24的輸出與到電流感測電路中的積分器的輸入之間增加了附加電容器62 (表示感測繞組50與輸出電感器30之間的寄生耦合電容)。該耦合電容置入差錯項(xiàng)。電流感測電路對該差錯項(xiàng)求積分，該差錯項(xiàng)產(chǎn)生了加到傳感器的輸出中的與放大器輸出電壓成正比的項(xiàng)。在我們依賴傳感器來給出放大器輸出電流的干凈圖像(clean image)的情況下，這是不希望的。如果將輸出電感器30的兩個部分30A和30B表不成由I禹合系數(shù)K I禹合的兩個電感器，Vin表示節(jié)點(diǎn)64處的電壓，并且Vwt表示在輸出終端34處的電壓，則f嚴(yán)重地受到
in
耦合系數(shù)K的值的影響。
V圖5顯示了^■的頻率響應(yīng)。曲線66表示無調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)54的頻率響應(yīng)。曲線68表
in
示具有調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)54并且耦合系數(shù)K為0. 99的頻率響應(yīng)。曲線70表示具有調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)54并且耦合系數(shù)K為0. 9的頻率響應(yīng)?？梢钥闯鱿禂?shù)K僅僅10%的變化導(dǎo)致大約6dB的系統(tǒng)響
應(yīng)差異。圖6A顯示了提供可重復(fù)性強(qiáng)的耦合系數(shù)K并且降低由圖4B的電容器62所表示的寄生電容的效應(yīng)的平面電感器的橫截面。具有符號(prime)(’ )指示符的附圖標(biāo)記表示在之前的附圖中具有對應(yīng)附圖標(biāo)記的電路元件的物理實(shí)現(xiàn)。電感器部分30A’表示電感器的“嘈雜”部分，即包括電感器中與之前的附圖的開關(guān)18和24相鄰的末端(“嘈雜末端”)的電感器部分。電感器部分30B’表示電感器的“安靜”部分，即包括電感器中與輸出級相鄰的末端(“安靜末端”)的電感器部分。在主印刷電路板(pcb)64的層上形成電感器的安靜部分30B’，該部分即為印刷電路板中用于在其上裝配其他組件并且用于在其中形成與其他電路元件的互連的部分。在由厚度為t (例如0.2mm)的間隔區(qū)70與主pcb 64相隔的額夕卜pcb結(jié)構(gòu)66的層上形成電感器的嘈雜部分30A?？梢杂芍鱬cb 64之中或之上的介電層、利用互連管腳或者以其他方式實(shí)現(xiàn)該間隔。間隔70在電感器的部分30A與30B之間提供可重復(fù)的耦合系數(shù)K。耦合量與間隔70的厚度反向變化，并且可以針對具體希望的耦合而定制。將用于生成電流感測信號的繞組50’放置在主pcb 64的頂部上，并且由電感器匝圈將其與電感器的“嘈雜”部分屏蔽。由圖4B的電容器62所表示的寄生電容小于具有常規(guī)配置的寄生電容。在美國專利7，432，793中描述了鐵氧體芯68。在圖6A的實(shí)現(xiàn)中，由鐵氧體芯的兩個相對表面之間的距離s確定平面電感器的電感量。圖6B顯示了提供可重復(fù)性強(qiáng)的耦合系數(shù)K并且降低由圖4B的電容器62所表示的寄生電容的效應(yīng)的平面電感器的另ー個實(shí)現(xiàn)的橫截面。除了由具有第一部分72和第二部分74的芯結(jié)構(gòu)代替圖6A的鐵氧體芯68之外，圖6B的實(shí)現(xiàn)與圖6A的結(jié)構(gòu)類似。第一部分72是鐵氧體結(jié)構(gòu)，并且第二部分74包括磁導(dǎo)率U在4到200的范圍之內(nèi)的低磁導(dǎo)率材料。一種合適的材料是可從美國加尼佛尼亞州的阿納海姆微金屬公司(Micrometals Inc.of Anaheim)商購的絕緣基體中的ー類微米級氧化鐵粉末。第一部分72和第二部分74被配置為使得它們可以匹配以形成具有用于容納嘈雜電感器部分30A’和安靜電感器部分30B’以及感測線圈50’的腔體的芯。第一部分72和第二部分74還被配置為使得當(dāng)它們匹配時，第一部分72至少部分地封住噪雜電感器部分30A’，并且使得第二部分至少部分地封住 安靜電感器部分30B’。第一部分72和第二部分匹配，以使得距離s為零。在圖6B的配置中，根據(jù)第二部分74的磁材料的磁導(dǎo)率y確定電感量。其他配置是可能的。例如，第一部分72可以包括低磁導(dǎo)率材料，并且第二部分可以包括鐵氧體芯。圖7是具有感測線圈不具有圖6A的鐵氧體芯或圖6B的芯結(jié)構(gòu)72、74的平面電感器的俯視圖。圖7中的附圖標(biāo)記指代之前的附圖中類似標(biāo)記的元素。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，典型而言，主pcb 64顯著大于電感器，并且具有許多其它組件裝配在其上?；ミB墊80用于將電感器線圈以美國專利7，432，793中所述的方式連接到其他電路元件或者經(jīng)由其將該電感器線圈與該pcb的其他層上的電感器線圈互連?；ミB墊82用于將感測線圈50’連接到其他電路元件。在不脫離本發(fā)明的概念的前提下可以做出對于本文所公開的具體裝置和技術(shù)的多種使用和偏離。因此，要將本發(fā)明解釋為包括本文公開的每個新穎特征和特征的新穎組合，并且僅受到所附權(quán)利要求的精神和范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種音頻放大器，包括 平面電感器結(jié)構(gòu)，其包括 在第一電路板的層上形成的第一多個繞組； 在第二電路板的層上形成的第二多個繞組。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的音頻放大器，其中，所述音頻放大器還包括輸出級和開關(guān)級，其中，所述第一多個繞組與所述輸出級相鄰，并且所述第二多個繞組與所述開關(guān)級相鄰。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的音頻放大器，其中，由具有厚度的間隔結(jié)構(gòu)將所述第一多個繞組和所述第二多個繞組隔離，并且其中電感耦合常數(shù)K與所述厚度成正比。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的音頻放大器，其中，所述間隔結(jié)構(gòu)包括介電材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的音頻放大器，其中，所述間隔結(jié)構(gòu)包括互連管腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的音頻放大器，其中，所述第一多個繞組和所述第二多個繞組由耦合常數(shù)K表征，其中K與所述間隔結(jié)構(gòu)的所述厚度成正比。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的音頻放大器，其中，所述平面輸出電感器還包括基本上封住所述第一多個繞組和所述第二多個繞組的鐵氧體芯結(jié)構(gòu)，所述鐵氧體芯結(jié)構(gòu)包括由具有寬度的縫隙隔離的兩個相對面，其中所述輸出電感器的電感量與所述縫隙的所述寬度成正比。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的音頻放大器，還包括 包括鐵氧體的第一芯結(jié)構(gòu)； 第二芯結(jié)構(gòu)，所述第二芯結(jié)構(gòu)包括磁導(dǎo)率U在4到200的范圍之內(nèi)的材料，所述第一結(jié)構(gòu)和所述第二結(jié)構(gòu)被配置為使得它們形成具有用于容納所述第一多個繞組和所述第二多個繞組的腔體的組合結(jié)構(gòu)，其中所述輸出電感器的電感量與U成正比。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的音頻放大器，還包括 感測線圈，用于感測所述電感器中的電流，所述感測線圈在所述第一電路板的層上形成且與所述第一多個繞組中的一個繞組相鄰。
10.一種音頻放大器，包括 平面電感器結(jié)構(gòu)，其包括在第一電路板的層上形成的第一多個繞組；以及 感測線圈，用于感測所述第一多個繞組中的電流，所述感測線圈與所述第一多個繞組中的一個繞組相鄰。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的音頻放大器，其中，所述平面電感器結(jié)構(gòu)還包括在第二電路板的層上形成的第二多個繞組。
全文摘要
一種包括平面電感器結(jié)構(gòu)的音頻放大器，該平面電感器結(jié)構(gòu)包括在第一電路板的層上形成的第一多個繞組和在第二電路板的層上形成的第二多個繞組。該平面電感器結(jié)構(gòu)還可以包括感測繞組。
文檔編號H01F27/28GK102792584SQ201180012280
公開日2012年11月21日 申請日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者M·努斯鮑姆 申請人:伯斯有限公司