CN100424994C - 数字功率转换器的衰减控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及切换功率转换系统中的一种衰减控制系统(9)，该转换系统包括数字调制器(4)，用于从(数字)源信号生成调制控制信号，还包括切换功率级(6)，所说的衰减控制系统包括：用于以数字方式衰减调制信号的装置，第一增益转换装置(7)，用于在多个预定的电压电平之间对所说的功率级的电源电压进行转换，所说的第一增益转换装置用于当调制信号的衰减超过预定的级别时降低功率级。本发明还涉及切换功率转换系统中的一种衰减方法，该系统包括数字调制器，用于从(数字)源信号生成调制控制信号，还包括切换功率级。

Description

数字功率转换器的衰减控制系统及方法

技术领域

本发明涉及诸如DC-AC、DC-DC或AC-AC转换系统之类的切换功率转换系统或上述各种系统的任何组合。具体来说，本发明涉及数字信号的衰减控制。

有益的，本发明可以用于改善任何数字输入系统中的功率转换，特别是诸如高效音频放大之类的高精度DC-AC功率转换系统。

背景技术

衰减控制系统(即，音频放大系统中的音量控制)可以是数字功率转换系统的中心元件。

大多数数字控制的功率转换器是基于数字调制器的，该数字调制器将从诸如CD播放器之类的源接收到的脉码调制信号(PCM)转换为(E.G)脉宽调制信号(数字PWM调制器)。或者，调制器是模拟的，并且其前面有D/A转换器。

数字调制器的输出信号被馈送到功率级，在此，它被放大。典型的功率转换器包括切换功率转换级、滤波器和控制系统。

调制器的数字输入，即，数字源，可以被表示为任何给定的位帧长度，这提供了恒定的动态范围。数字域中的衰减，如图1所示，将破坏衰减的数字信号的动态范围，因为有效的位帧长度将减小，以便降低信号振幅。另一方面，功率级中的衰减将不会破坏数字动态范围。

数字PMA(脉冲调制放大器)中的噪声和失真影响可由功率级中的脉冲的上升沿和下降沿的不准确性所引起。功率级输出PWM信号振幅的衰减将保持调制信号的动态范围，因为输出脉冲信号中的噪声将相同地被衰减。

切换输出功率级中的一般问题是电磁兼容性(EMC)，一般来说，该问题是功率级输出PWM信号的高振幅所引起的。在常规的PMA中，调制深度在数字信号的衰减级是低的，以便解调信号的振幅(即，低通滤波放大器输出)与功率级输出PWM信号的振幅相比较低。较高的调制深度同PWM信号的较低的振幅相结合可以导致相同的调制信号，但将减少EMC问题。

一般来说，当调制深度降低时，功率级的效率也会下降。这种效果是由于解调低通滤波输出信号的振幅和功率级输出PWM信号的振幅之间的比率缩小所造成的。较高的调制深度同PWM信号的较低的振幅相结合，可以保持相同的调制信号，但将会提高效率和动态范围。

因此，在功率级中实现衰减是理想的，如图2所示。在美国专利No.5,898,340中描述了包括衰减控制的数字放大器系统。然而，此系统包括复杂的功率级电压馈送，输出电压在一个宽范围内变化。如果一个系统的电源可以在一个宽的电压范围内连续地改变输出电压，那么，该系统非常复杂，也是非常昂贵的。所提及的系统还在反馈路径中包括根据模拟输出进行转换的A/D转换装置。这将进一步地增加系统的复杂性。

发明内容

相应地，本发明的主要目的是提供用于数字控制功率转换系统中的衰减控制技术，该技术克服了与现有技术相关的基本问题。

另一个目的是将衰减信号的动态范围限制在某一个范围内。

本发明的另一个目的是降低由于PWM信号中的脉冲波形的上升沿和下降沿的不准确性而造成的噪声。

再一个目的是减少衰减级(attenuated level)中的EMC问题。

本发明的再一个目的是提高所述功率转换系统在功率级PWM信号的衰减级下的效率。

这些目的是通过简介中提及的那种衰减控制系统来实现的，其包括用于以数字方式衰减解调输出信号的装置，以及第一增益转换装置，用于在多个预定的电压电平之间对所说的功率级PWM输出的电源电压输入进行转换，所说的第一增益转换装置被配置成用于当数字信号的衰减超过预定的级别时降低功率级。

衰减控制系统通过在预定的各级别之间转换电源电压可以获得功率级步进式增益档位(step gain shift)，从而使输出级PWM信号的振幅发生改变。当这些增益转换发生时，数字调制器将转换PWM信号的调制深度。

在电源电压中的这样的步进(增益档位)之间，数字调制器将衰减调制器PCM和/或PWM信号。由于数字衰减只能在步进式电压档位之间实现，衰减信号电平的动态范围与常规系统相比可以保持在比较高的级别，其中，模拟或数字信号的衰减将意味着缩小动态范围。

动态范围可以保持在所有衰减级中的比较高的级别，因为由于功率级放大(功率级电源电压)中的变化，数字域中的大衰减是不需要的。在高衰减级别，PWM信号的振幅可以大大地降低。

对于每一个增益档位，由于输出信号的上升沿和下降沿的E.G不准确性导致的噪声将会减轻，且效率会得到改善。

电源的复杂性也变低，因为电源电压的振幅只能获得少数几个值。

而且，当PMA以较低的电源电压操作并且输出功率级PWM信号振幅降低时，EMC问题也会减少。

此外，当功率级电源电压较低时，由于功率级元件中的电容组件消耗的能量降低，功率级的效率提高。此外，波纹电流也会降低，有助于使磁性组件中的AC损耗降低。

优选情况下，衰减控制系统包括第二增益转换装置，用于根据功率级增益档位转换反馈路径中的增益。此第二增益转换装置将导致功率级控制系统的反馈路径中的增益转换，从而补偿由输出功率级PWM信号中的不同水平所引起的作用。在功率级中的增益转换过程中，解调放大器输出将不会改变振幅。

电源电压输入可以通过能够输送单步可变电压(singlestep-variable voltage)的电源输送。或者，电源电压输入通过能够输送许多预定电压的电源输送。在这种情况下，电源能够在多个输出充电电容器上保持预定的电压。它还可以包括多个功率级，其中每一个都可以在不需要时关闭。

相应地，在优选实施例中，数字调制器是数字PCM(脉码调制)-PWM(脉宽调制)调制器，从数字脉码调制输入产生PWM控制信号。

或者，数字调制器可以包括D/A转换器和模拟调制器，如自激振荡调制器。此外，以数字方式衰减调制信号的装置可以在调制器硬件中来实现。

第一和/或第二增益转换装置优选情况下可以但不是必然受数字调制器的控制。这会产生小型而有效的系统体系结构。

根据本发明的另一个实施例，噪声/失真抑制控制系统包括用于延迟调制PWM信号并向功率级噪声/失真抑制控制系统提供延迟的调制PWM信号的装置。这就改善了噪声/失真抑制控制系统的环路整形(loop shaping)。

优选情况下，功率级控制系统是PEDEC(脉冲边缘延迟误差纠正)控制系统，在该PEDEC控制系统的反馈路径中提供了第二增益转换装置。因此，PEDEC控制系统不补偿功率级中的增益档位。

根据本发明的一个实施例，可能的增益档位例如可以对应于最大输出功率的衰减的8倍的一个值。

根据本发明的第二方面，上述目的是通过前面所述类型的数字功率转换器中的衰减方法来实现的，包括下列步骤：

在多个预定的电压电平之间转换所说的功率级的输入电源电压，以及

对于每一个电压电平，以数字方式在数字衰减范围内衰减调制信号，

从而取得大于所说的数字衰减范围的总衰减范围。

附图说明

下面将参考附图和仿真图详细描述现有技术的系统和本发明的优选实施例。

图1显示了一种现有技术的数字衰减系统，其中，当衰减调制信号时降低动态范围缩小。

图2显示了一种现有技术的系统，其中PWM信号的振幅连续地衰减。

图3以一般方框图的方式显示了本发明的第一个实施例。

图4显示了本发明的第二个实施例的方框图。

图5显示了本发明的第三个实施例的方框图。

图6显示根据本发明的在0 dB-C dB范围内衰减方案的一个示例，增益档位为A dB和B dB。

图7显示了作为衰减控制系统实现的本发明的另一个优选实施例。

图8显示了图7中的系统中实现的衰减方案。

图9显示了应用于图7的系统的20dB增益档位的仿真。

具体实施方式

图3以一般方框图的方式显示了本发明的第一个实施例，显示了数字调制器0和功率级1，带有可以转换输出电压的电源装置，控制系统2和衰减控制3，以便控制增益档位。

至数字控制的功率级的输入需要数字信号，如来自CD播放器等等的信号。数字调制器0将数字PCM输入信号转换为PWM信号。数字调制器0还例如从放大器的音量旋钮接收衰减信号。调制器充当数字衰减器，并能够以更类似于下文所描述的方式进行数字增益转换。

功率级控制块2补偿功率级1中的误差，并具有步进式可变反馈增益。反馈增益按各种增益档位变化。功率级块1包括切换功率转换级、解调滤波器，以及用于获得PWM信号的步进式可变振幅的控制系统。衰减控制块3以下文所描述的方式处理数字衰减器、衰减器内的增益档位以及反馈路径中的增益档位的一般控制。

图4显示了本发明的第二个优选实施例。该方框图包括数字PCM到PWM调制器4，用于将数字输入信号转换为脉宽调制信号、功率级6、以及PEDEC(脉冲边缘延迟误差纠正)控制系统5，用于补偿功率级6中的误差。在申请人的国际专利申请PCT/DK98/00133描述了PEDEC，这里引用了该专利。

这就要求增益档位8应用于反馈中，以防止PEDEC控制系统5补偿功率级中的增益档位。功率级6可以是单一的半桥或多个半桥。电源7必须能够在多个预定的电源电压之间转换，从而在功率级中获得不同的增益级别。电源7优选情况下可以包括单一的功率级。对精通本技术的工程师来说另一种可能的解决方案是包括多个功率级的电源，每一个功率级在不需要时都可以关闭，以便提高效率。

数字调制器4能够通过衰减控制9来进行数字衰减。衰减控制9处理数字衰减器4的一般控制，并控制电源7和反馈8中的增益档位。

图5显示了本发明的第三个优选实施例，包括数字PCM-PWM调制器12、衰减控制14、连接到多个电源11电压节点的功率级10、电源之间的内部开关，包括PEDEC控制系统13，以及反馈路径15中的增益开关。

与第二个优选实施例相比，电源11不在不同的电压之间转换，相反它为衰减控制系统14提供多个电压，以供选择。PMA功率级10通过在这些不同的电源电压之间转换来进行增益转换。

图6是可以用上文描述的本发明的实施例来实现的衰减方案的可视图。衰减范围可以自由地选择，但在此示例中，它包括两个增益档位：衰减级别A dB和B dB。衰减到A dB是通过数字衰减来实现的。在A dB衰减级别，至功率级的电源电压从X转换到Y，对应于A dB衰减，同时数字调制器从A dB转换到0dB数字衰减。衰减到B dB是通过从0到B-A dB范围内的数字衰减来实现的。在B dB衰减级别，电源电压从Y转换到Z，对应于B dB衰减级别，同时数字调制器从B-A dB数字衰减转换到0dB数字衰减。衰减到C dB是通过0到C-B dB范围内的数字衰减来实现的。

图7显示了一个完整的衰减控制系统，其是在PMA上实现的，该PMA包括数字调制器25、功率级16、输出滤波器18、VFC2PEDEC控制系统20、21、22、23，用于反馈增益的增益开关19，电源17，以及用于在不同的电源电压之间转换的增益开关24。数字调制器25包括一个衰减控制系统，包括控制信号28、29的生成，用于转换反馈增益19，并用于在电源之间转换24。此外，数字调制器25还包括PWM基准信号26的延迟27。

至数字调制器的输入是一个数字PCM信号30，该信号被调制为两个类似的PWM信号，其中一个比另一个信号延迟。延迟的PWM信号27用于改善所说的PEDEC控制系统20、21、22、23的环路整形。适当的延迟将使校正信号Ve上的高频波纹最小化。数字调制器25包括一种用于在不同的电源电压之间转换的装置24，还包括一个用于控制反馈增益的增益开关19。

调制器可以是模拟的，包括D/A转换器，以便将PCM信号转换为模拟信号。此外，衰减控制可以作为模拟解决方案通过转换模拟衰减块中的增益而不是使用数字解决方案来实现。

图9显示了由图7中显示的系统进行的20dB的增益档位示例的仿真。在顶部显示了PCM到PWM调制器之后的PWM信号。调制信号是20kHz，正弦。PWM信号的第一部分中的调制深度等于M＝0.8的调制指数。在增益转换之后调制指数是0.08。

图8显示了衰减方案。数字衰减器提供了0dB-20dB的衰减级别。在20dB衰减级别将发生增益转换，且数字衰减器将从20dB衰减转换到0dB衰减。到PMA功率级的电源电压将从50V转换到5V，且反馈增益将改变+20dB。

如果来自数字调制器的PWM信号是9位384kHz信号，则数字动态范围是115dB。在10dB衰减，动态范围是115dB-10dB＝105dB。在20dB衰减有一个增益档位，改善了动态范围20dB，且动态范围将是115dB+20dB-20dB＝115dB。在30dB衰减级别，动态范围是115dB+20dB-30dB＝105dB。因此，衰减控制系统能够获得范围从0dB-40dB的衰减，并具有95dB的最小动态范围。当收听衰减级别低于-20dB的信号时，这对应于没有电源的变化的放大器，具有115dB+20dB＝135dB的最大动态范围。

此外，由于电源电压的振幅降低，在各衰减的级别电磁兼容性提高。优选情况下，电源电压可以降低到一个对应于输出功率的8倍衰减的值，以便克服EMC需求。

图9的顶端的仿真2显示了功率级输出PWM信号，可以看出，在增益转换的前后，振幅中有10倍(20dB)差异，还可以看出，在增益转换的前后调制深度的差异。在图9的底部，显示了放大器的输出信号，除了高频信号分量以外，调制信号的振幅在增益转换时没有改变。高频信号分量被衰减20dB。

该衰减控制系统可以单独地或在调制器硬件中实现，优选情况下，调制器硬件可以在DSP、FPGA、或在硅衬底上实现。

此外，该衰减控制系统可以在任何给定功率转换系统中来实现，如在AC-AC、DC-DC、DC-AC或AC-DC或上述系统的任何组合中实现，优选情况下，在DC-AC高精度音频功率转换系统中来实现，其中，功率级元件以“开”或“关”状态操作。

Claims (16)

1. 一种切换功率转换系统中的衰减控制系统(3；9；14)，该切换功率转换系统包括数字调制器(0；4；12；25)，用于从源信号生成调制控制信号，还包括切换功率级(1；6；10；16)，

所说的衰减控制系统包括：

用于以数字方式衰减调制信号的数字衰减器，

第一增益转换装置(7；11；24)，用于在多个预定电压电平(17)之间转换所说的功率级的电源电压，

所说的第一增益转换装置(7；11；24)被配置成当调制信号的衰减超过预定级别时降低功率级增益。

2. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其中，该切换功率转换系统进一步包括功率级控制系统(2；5，8；13，15；19-23)，用于抑制功率级中的噪声和失真，包括来自所说的功率级的反馈路径，

第二增益转换装置(8；15；19)，用于根据功率级增益档位转换反馈路径中的增益。

3. 根据权利要求1或2所述的衰减控制系统，其中，所说的电源电压由能够传送单步可变电压的电源(11)来传送。

4. 根据权利要求1或2所述的衰减控制系统，其中，所说的电源电压由能够传送多个预定电压的电源(7；24)来传送。

5. 根据权利要求4所述的衰减控制系统，其中，所说的电源能够在多个输出充电电容器上保持预定电压。

6. 根据权利要求5所述的衰减控制系统，其中，所说的电源进一步包括多个功率级，其中每一个都可以在不需要时关闭。

7. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其中，数字调制器是数字脉码调制-脉宽调制调制器，用于从数字脉码调制输入产生脉宽调制控制信号。

8. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其中，数字调制器包括D/A转换器和模拟调制器。

9. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其中，所说的用于以数字方式衰减调制信号的数字衰减器是在调制器硬件中实现的。

10. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其中，所说的第一和/或第二增益转换装置是由所说的数字调制器进行控制的。

11. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，进一步包括用于延迟所说的调制控制信号并向所说的控制系统提供延迟的调制控制信号(27)的装置。

12. 根据权利要求2所述的衰减控制系统，其中，所说的功率级控制系统是脉冲边缘延迟误差纠正控制系统(23)，以及，在所说的脉冲边缘延迟误差纠正控制系统的反馈路径中设置所说的第二增益转换装置。

13. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其中，可能的增益转换对应于最大输出功率的衰减的8倍的一个值。

14. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其是在硅衬底上实现的。

15. 根据权利要求1所述的衰减控制系统，其是在一般功率转换系统中实现的，其中功率级元件是以“开”或“关”状态操作的。

16. 一种用于衰减切换功率转换系统的方法，该切换功率提供系统具有一个数字调制器，用于从源信号生成调制控制信号，以及具有一个切换功率级，所说的方法包括下列步骤：

在多个预定增益级别之间转换所说的功率级的增益，以及

对于每一个增益级别，以数字方式在所述调制信号的数字动态范围内衰减调制信号，

从而取得大于所说的数字动态范围的总衰减范围。

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