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(guān)（8）串聯(lián)連接，第二初級繞組與所述第一繞組同相并在負(fù)供電軌道和地之間與第二開關(guān)（10）串聯(lián)連接，控制器適于向所述第一開關(guān)和第二開關(guān)施加控制信號，所述控制信號（Q）具有由死區(qū)時(shí)間（dt）分隔的預(yù)定義脈沖時(shí)間（pt）的啟動(dòng)脈沖。在使用中，通過相反的初級繞組，連接到具有最高數(shù)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(shù)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及音頻的DC-DC和DC-AC轉(zhuǎn)換，其中逆變器級(DC-AC)是單端D類放大器。
技術(shù)背景
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中已知的且用于D類放大器的兩種主要技術(shù)是全橋和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0003]對于低成本的消費(fèi)產(chǎn)品，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)橹恍枰话霐?shù)量的功率開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器和輸出電感器。盡管在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率開關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，因?yàn)閾P(yáng)聲器輸出端子對地參考，過載保護(hù)和輸出感測變得更加容易。
[0004]半橋D類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是需要雙軌供電，并且事實(shí)上這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jù)這種解決方法，一個(gè)邏輯模塊檢測最高電壓位置，并驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)中的一個(gè)來轉(zhuǎn)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(gè)發(fā)明已獲得在消費(fèi)產(chǎn)品中應(yīng)用單端D類放大器的優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一種實(shí)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(fù)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(fù)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(guān)串聯(lián)連接，第二初級繞組與第一初級繞組同相并在負(fù)供電軌道和地之間與第二開關(guān)串聯(lián)連接，控制器適于向第一和第二開關(guān)提供控制信號，控制信號(Q)含有由死區(qū)時(shí)間分隔的預(yù)定義脈沖時(shí)間(Pt)的(啟動(dòng))脈沖。當(dāng)?shù)谝缓偷诙_關(guān)閉合(啟動(dòng))時(shí)，第一繞組將經(jīng)歷第一電位差并且第二繞組將經(jīng)歷第二電位差。如果第一電位差比第二電位差大，第二開關(guān)將充當(dāng)整流器，并且能量將從第一繞組轉(zhuǎn)移到第二繞組，如果第二電位差比第一電位差大，第一開關(guān)將充當(dāng)整流器，能量將從第二繞組轉(zhuǎn)移到第一繞組。
[0008]在正向循環(huán)期間，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都閉合(啟動(dòng))時(shí)，與具有最高數(shù)值電壓的供電軌道連接的初級繞組將會(huì)通過相反的初級繞組向具有最低數(shù)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(dòng)作被稱為供電泵送抵消。泵送減少的動(dòng)作將逐個(gè)循環(huán)地連續(xù)發(fā)生。(“最高數(shù)值電壓”意指軌道具有離零很遠(yuǎn)的電壓。因此負(fù)電壓-31 “數(shù)值上大于”正電壓+29)。
[0009]通過主動(dòng)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(tǒng)的緊湊性和供電質(zhì)量，這內(nèi)在地將導(dǎo)致更好的音頻性能。本發(fā)明將使單端放大器結(jié)構(gòu)的所有好處得以實(shí)現(xiàn)，而不引入產(chǎn)生供電軌道泵送現(xiàn)象的傳統(tǒng)問題。
[0010]由于所述供電源的泵送抵消動(dòng)作，起源于開關(guān)模式或線性供電的任意前端+/-供電軌道將起作用，因?yàn)楣╇娭恍枰峁╇娏鳌?br> [0011]根據(jù)所述的實(shí)施方式，供電裝置進(jìn)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(lián)連接的泵電流控制初級繞組、用于監(jiān)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(diào)節(jié)。
[0012]變壓器裝置進(jìn)一步包括空氣間隙和至少一個(gè)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(gè)次級電壓。
[0013]在這種情況下供電裝置適于在正向循環(huán)期間在變壓器空隙中存儲(chǔ)能量，并且存儲(chǔ)的能量被分配到次級繞組，以在第二循環(huán)階段(反激循環(huán))來提供反激電壓。次級電壓可能被用于各種“整理內(nèi)部事務(wù)”的目的，例如用于運(yùn)算放大器的供電和驅(qū)動(dòng)音頻放大器中場效應(yīng)晶體管。
[0014]這種實(shí)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(zhuǎn)換功率到次級繞組，而其它的初級繞組在正向循環(huán)中反射功率轉(zhuǎn)換初級繞組兩端之間的電壓，以實(shí)現(xiàn)泵送抵消，因此確保軌道電壓平衡。
[0015]根據(jù)此實(shí)施方式的供電裝置實(shí)質(zhì)上包括反激變換器，其設(shè)置有額外的初級線圈，以使其能夠提供連接于正向和負(fù)供電軌道的單端D類放大器的泵送抵消。
[0016]兩個(gè)初級繞組中的任何一個(gè)被用于功率轉(zhuǎn)換；相反的初級繞組將在正向循環(huán)期間以相反的極性反射轉(zhuǎn)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(diào)制得到有利地調(diào)節(jié)，此控制信號在變壓器裝置中提供給開關(guān)。
[0018]根據(jù)一種實(shí)施方式，供電裝置設(shè)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(lián)連接的第一反激控制初級繞組、與所述第二初級繞組串聯(lián)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(jiān)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(diào)制來調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)，泵送抵消循環(huán)和反激循環(huán)的電流信息可以被分別監(jiān)控。
[0020]因此，對于供電泵送調(diào)節(jié)和次級反激調(diào)節(jié)兩者，可以逐個(gè)循環(huán)地獲得電流限制。電流限制等級在兩種模式中分別設(shè)置。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的裝置被有利地嵌入到消費(fèi)者或?qū)I(yè)多媒體產(chǎn)品，包括音頻/視頻提供商。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一種供電裝置在任何消費(fèi)者或?qū)I(yè)產(chǎn)品中被實(shí)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(tǒng)、多媒體播放器、汽車、船只和類似物中的音頻/視頻設(shè)備?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0023]本發(fā)明將參考附圖進(jìn)行更詳細(xì)的描述，示出了此發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施方式。
[0024]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)供電裝置的音頻放大器系統(tǒng)的方塊示意圖。
[0025]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)供電裝置的音頻放大器系統(tǒng)的方塊示意圖。
[0026]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)供電裝置的音頻放大器系統(tǒng)的方塊示意圖。
【具體實(shí)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(tǒng)。電源3可能是AC或DC，供電單元可能是開關(guān)模式類型或簡單的線性PSU。PSU2有兩個(gè)供電軌道輸出，正軌道4和負(fù)軌道5，這兩個(gè)供電軌道與單端D類放大器I相連接并向它供電。
[0028]系統(tǒng)進(jìn)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(guān)8串聯(lián)連接的第一初級繞組7、在負(fù)軌道和地之間與第二開關(guān)10串聯(lián)連接的第二初級繞組9。每一個(gè)初級繞組的匝數(shù)優(yōu)選是相同的。不管電流和溫度，每個(gè)開關(guān)8和10優(yōu)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(guān)8、10可以是例如MOSFET晶體管。
[0029]變壓器裝置進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)次級繞組，示出了四個(gè)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(yīng)裝置，用于提供大量的內(nèi)部事務(wù)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(yùn)算放大器)提供正向和負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓(典型地正和負(fù)5V)。繞組13提供單個(gè)電壓輸出以向低側(cè)D類放大器FET驅(qū)動(dòng)器供電。這個(gè)電壓可以被自舉來為FET驅(qū)動(dòng)器提供高側(cè)電壓。繞組14提供輔助反激電壓?？梢栽黾尤魏晤~外的應(yīng)用特定的反激輸出電壓。
[0030]開關(guān)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?？刂菩盘柨梢允蔷匦蚊}沖信號，包括被死區(qū)時(shí)間分隔的啟動(dòng)脈沖。
[0031]變壓器裝置在單個(gè)的磁性結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)一種實(shí)施方式，變壓器裝置是一個(gè)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(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(tǒng)進(jìn)一步包括反激控制23，其具有與第一初級繞組7串聯(lián)連接的第一初級繞組24和與第二初級繞組9串聯(lián)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(jìn)一步包括次級繞組26，其與初級繞組24、25同相耦合，以監(jiān)控通過初級繞組24、25的電流幅值。反激控制進(jìn)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(fù)軌道4、5供電。開關(guān)8、10被控制器15控制，以在開關(guān)8、10兩者都閉合的正向循環(huán)和兩個(gè)開關(guān)都打開的反激循環(huán)之間切換。
[0036]在正向循環(huán)中，繞組7兩端之間將出現(xiàn)正供電軌道電壓，而繞組9兩端之間將出現(xiàn)負(fù)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(diǎn)連接到正向的一側(cè))。有最高電壓的軌道將在正向循環(huán)中改變到相反軌道。開關(guān)8和開關(guān)10將依據(jù)電流方向或充當(dāng)開關(guān)或充當(dāng)整流器。
[0037]因此，電位差將均等，泵送效應(yīng)會(huì)得到限制或消除。
[0038]這被稱為供給泵送減少系統(tǒng)，通過迫使電流從具有最高數(shù)值電壓的供電軌道到具有最低數(shù)值電壓的供電軌道，此系統(tǒng)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(gè)循環(huán)地連續(xù)發(fā)生。
[0039]同時(shí)，隨著向具有較低數(shù)值電位的軌道轉(zhuǎn)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(huán)階段，當(dāng)開關(guān)8、10打開時(shí)，在正向循環(huán)期間存儲(chǔ)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(huán)和反激循環(huán)兩者中在功率轉(zhuǎn)換中是有效的。
[0041]關(guān)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(diào)節(jié)泵電流并提供過流保護(hù)。
[0042]關(guān)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(diào)制實(shí)現(xiàn)反激電壓的電流型調(diào)節(jié)。
[0043]反激的次級輸出電壓和操作點(diǎn)被調(diào)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(wěn)態(tài)操作是優(yōu)選的。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式，圖2中所示，變壓器裝置包括兩個(gè)額外的鉗位二極管34和29。第一個(gè)二極管34其陽極與負(fù)軌道5連接，并且陰極連接開關(guān)8的源極節(jié)點(diǎn)。第二個(gè)二極管29其陽極與開關(guān)10的漏極節(jié)點(diǎn)連接，并且其陰極連接正軌道4。正向循環(huán)期間存儲(chǔ)于初級繞組7的漏電感中的任何能量將會(huì)在反激循環(huán)期間通過第一鉗位二極管34返回負(fù)軌道5。正向循環(huán)期間存儲(chǔ)于初級繞組9的漏電感中的任何能量將會(huì)在反激循環(huán)期間通過第二鉗位二極管29返回正軌道4。
[0045]因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中，軌道電壓水平得到調(diào)節(jié)，并且放大器的反激負(fù)載幾乎不變，控制開關(guān)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(dǎo)致的軌道不平衡的管理是最佳的。
[0046]然而，為了進(jìn)一步加強(qiáng)泵送抵消性能，如圖3所示的一個(gè)交錯(cuò)設(shè)計(jì)可以實(shí)施。
[0047]在此實(shí)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(guān)31。額外的開關(guān)32、33被控制信號Qnrt控制，其對于Q相移180度。也就是說，當(dāng)Q是啟動(dòng)，Qneg是關(guān)斷，反之亦然。這種交錯(cuò)將使正向泵送抵消占空比接近100%，從而獲得幾乎連續(xù)的泵送抵消。
[0048]將反激輸出進(jìn)行交錯(cuò)將部分地抵消反激輸出11、12、13、14上的紋波電流，因?yàn)榧y波頻率將是非交錯(cuò)頻率的二倍。
[0049]本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明絕不限于上述提出的實(shí)施方式。相反地，許多修改和變化可能是在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)。例如，可能使用其他類型的開關(guān)，電路細(xì)節(jié)可能與圖例有偏差。
【權(quán)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(fù)供電軌道(5)，所述變壓器裝置連接在正電源軌道和負(fù)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(guān)(8)串聯(lián)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(fù)供電軌道和地之間與第二開關(guān)(10)串聯(lián)連接，和 控制器(15)，其適于向所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)施加控制信號，所述控制信號Q具有由死區(qū)時(shí)間dt分隔的預(yù)定義脈沖時(shí)間Pt的啟動(dòng)-脈沖， 使得當(dāng)所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)(8，10)閉合(啟動(dòng))時(shí)，所述第一繞組將經(jīng)歷第一電位差并且所述第二繞組將經(jīng)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(guān)將充當(dāng)整流器，能量將從所述第一繞組轉(zhuǎn)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(guān)將充當(dāng)整流器，能量將從所述第二繞組轉(zhuǎn)移到所述第一繞組， 使得能量將逐循環(huán)地連續(xù)傳輸，從而減少供電泵送。
2.如權(quán)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(gè)都具有相同的匝數(shù)。
3.如權(quán)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(lián)連接，所述泵電流控制次級繞組(18)監(jiān)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(shí)現(xiàn)泵電流調(diào)節(jié)。
4.如上述任一權(quán)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(gè)次級繞組(11、12、13、14)，用于提供至少一個(gè)次級電壓。
5.如權(quán)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(diào)制調(diào)節(jié)。
6.如權(quán)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(lián)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(lián)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(jiān)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(diào)制來調(diào)節(jié)任何反激次級電壓。
7.如權(quán)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(xiàn)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(quán)利要求中所述的供電裝置，其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)(8、10)被所述控制器(15)控制，以在正向循環(huán)和反激循環(huán)之間切換，在所述正向循環(huán)期間，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)(8、10)都是閉合的(啟動(dòng))，在所述反激循環(huán)期間，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)(8、10)都是打開的(關(guān)斷)。
9.如上述任一權(quán)利要求中所述的電源供應(yīng)裝置，其中所述變壓器裝置有單個(gè)磁芯。
10.如上述任一權(quán)利要求中所述的供電系統(tǒng)，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(guān)(8)的源極節(jié)點(diǎn)和所述負(fù)供電軌道(5)之間，以便存儲(chǔ)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(fù)軌道。
11.如上述任一權(quán)利要求中所述的供電系統(tǒng)，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(guān)(10)的漏極節(jié)點(diǎn)和所述正供電軌道(4)之間，以便存儲(chǔ)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(quán)利要求中所述的供電系統(tǒng)，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(cuò)，其中所述第二變壓器裝置的開關(guān)(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(yōu)先權(quán)日:2011年5月25日
【發(fā)明者】邁茲·彼得·弗瑞姆 申請人:邦及奧盧夫森公司