CN100444519C - 同步受控振荡调制器 - Google Patents

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Abstract

一种同步受控振荡调制器(SCOM)，至少包括一个受控振荡调制器，以及连接到所述COM调制器的同步装置(1、6)。该调制器可以包括多个COM调制器，以及同步装置可以位于各COM系统之间，以便振荡调制器信号被用作同步信号。与现有技术相比，本发明在性能、拓扑简化、改善的健壮性、稳定性和效率方面具有显著的益处。

Description

同步受控振荡调制器
技术领域
本发明涉及一种自激振荡调制器，包括比较器和用于进行脉宽调制的功率放大级，以及较高阶振荡环路，包括第一反馈装置和第一前馈装置，用于获得稳定的振荡条件。
本发明还涉及一种切换功率转换系统，如DC-AC(例如，音频放大器)、DC-DC或AC-AC转换系统或上述系统(包括这样的调制器)的任何组合。有益地，本发明可以用于改善任何系统中的功率转换，特别是诸如高效音频放大之类的精确DC-AC转换系统。
背景技术
脉宽调制器是任何功率转换系统的中心元件。大多数切换功率转换器基于脉宽调制(PWM)作为控制域(DC或AC)之间的有效转换的手段。
典型的功率转换器可以包括PWM调制器、切换功率转换级、滤波器和控制系统。这种类型的现有技术系统在美国专利No.4724396和在Journal of the AES，Nov.1983中由Mr.Attwood在842-553页进行了描述。然而，PWM具有一些缺点(这是当前技术已知的)，主要是由于载波产生的实现方式。这就限制了系统带宽并使设计复杂化。此外，进行稳定和健壮的控制系统设计也是困难的。
为了克服这些缺点，在申请人的国际专利申请PCT/DK97/00497中介绍了一种受控振荡调制器(COM)。所公开的调制器不需要载波发生器，并具有一系列优点，在所说的文件中进行了详细的描述。
这种技术所存在的问题是，它只能合成标准的两级调制-因此在放大器的效率方面存在一些缺点。
在诸如多通道音频放大器之类的多通道系统中产生了另一个问题，即，振荡调制器将具有振荡频率变化，这将导致互调产物，在音频带宽内添加了失真分量。在美国专利No.6,297,693中说明了一种将振荡调制器与外部时钟同步的现有技术的系统。该现有技术的系统只能包括锯齿或三角形信号作为同步信号，消除了使用COM调制器信号作为同步信号的可能性。此外，该系统只能将调制器与外部时钟同步，导致在实现外部时钟生成器时更加复杂。
在诸如(但不局限于)PSCPWM系统的多级系统中(如申请人的国际专利申请PCT/DK98/00133所描述)，在输出中不存在载波的一次谐波，从而可以不使用所说的COM调制器。
发明内容
相应地，本发明的目的是在切换功率转换系统中提供一种卓越的调制技术，该技术克服了与传统技术相关的基本问题。
这些目的是通过上述类型的新颖的同步受控振荡调制器(SCOM)来实现的，并具有连接到所说的COM调制器的同步装置。
与现有技术相比较，本发明在性能、拓扑简化、改善的健壮性、稳定性和效率方面具有显著的优点。
本发明在信号源和单一的COM调制器之间或在多个COM调制器和信号源之间或在多个COM调制器之间提供同步，以便克服与失去同步的COM调制器相关的现有技术的问题。
COM调制器可以包括电压或电流测量装置以及反馈。
同步装置可以使用外部源作为同步信号，其中，外部源优选情况下可以但不一定是三角形、正方形或正弦信号。
或者，调制器包括多个COM调制器，同步装置位于COM系统之间，以便振荡调制器信号被用作同步信号。在此情况下，SCOM可用于将COM技术的优点与多级PWM的优点相结合。
根据此实施例，在一般功率转换系统中提供了脉冲调制，这种脉冲调制实现多级脉冲调制信号。因此，降低了输出开关噪声能量，并增强了控制系统实现的可能性。
根据本发明的SCOM调制器在所有类型的精确DC-AC转换应用中，如在音频放大以及马达或电动传感器驱动应用中非常适合。
优选情况下，SCOM可以在精确电压或电流控制的DC-AC转换中使用，例如，用于音频中的功率放大器。
功率放大级可以包括输出滤波器，然后，可以将第二反馈装置连接到来自所说的输出滤波器的输出。这就可以使电压被在反馈路径中反馈之前进行初次滤波。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的优选实施例。
图1显示了现有技术的基于电压反馈的受控振荡调制器。
图2显示了现有技术的包括电流反馈的受控振荡调制系统。
图3显示了根据本发明的第一个实施例的调制器的方框图。
图4显示了根据本发明的第二个实施例的3级调制器的方框图。
图5显示了图3和4中的同步装置的硬件实现方式。
图6显示了本发明的用于COM调制器的有源同步的另一个实施例。
图7显示了图6中的有源同步的实现方式。
图8显示了具有根据本发明被同步的两个COM调制器的功率转换系统。
图9显示了图8中的系统的开环增益。
图10显示了PSCPWM调制器结构中的根据本发明的同步的实现方式。
图11显示了通过另外的同步信号同步的N个(其中N是一个整数)COM调制器。
图12显示了通过公用COM同步信号同步的N个(其中N是一个整数)COM调制器。
具体实施方式
在下面的对优选实施例的详细描述中，COM调制器可以是电压控制的振荡调制器(图1)，如申请人的国际专利申请PCT/DK97/00497所描述，或电流控制的振荡调制器(图2)，如申请人的瑞典专利申请(No.0003342-3)所描述，两个专利在此都被引用。
图3显示了根据本发明的第一个优选实施例的包括调制器的功率转换系统。该系统包括功率级2、具有反馈块3和前馈块4的控制系统。功率级2可以包括一个或多个半桥，优选情况下，可以是包括两个半桥的全桥。反馈块和前馈块构成振荡调制器5。一个外部信号源1，也被称为振荡信号发生器块，被连接到调制器5中的同步块6。
调制器5的同步是通过将来自源1的Osc信号添加到调制信号而获得的。同步信号可以基于电压信号或电流信号，这取决于调制器的类型(基于电压的反馈还是基于电流的反馈)。Osc信号可以是正弦信号或其他具有所需空闲切换频率(idle switching frequency)之频率的振荡信号，该信号用于使所说的调制器与Osc信号生成块1的所述Osc信号同步。
图4显示了本发明的第二个优选实施例，其中，两个COM调制器10、11通过来自同步块12的一个同步信号进行同步。此外，同步信号可以基于电压信号或电流信号，具体取决于调制器的类型(基于电压的反馈还是基于电流的反馈)。
该两个COM调制器被设计为以几乎相同的频率振荡，但切换频率中的变化可以通过同步装置来消除。
通过使用两个COM调制器10、11，可以制造3级调制器。负载14的每一侧都有其自己的2级COM调制器10、11，其中的每一个都被同步。
载波的一次谐波在理想情况下可经过负载消除。输入信号被位于第二COM 11前面的反相器13反相，以便能够在输出时生成差分音频信号。该频谱特性类似于NBDD调制的频谱特性。NBDD可以从KarstenNielsen的博士论文“Audio power amplifier techniques with energyefficient power conversion”中看到。
优选情况下，所说的3级调制的使用可用来直接驱动脉冲调制的转换器，而无需对PWM信号进行任何输出滤波，从而，与2级调制相比降低了转换器6中的涡流损失。
图5显示了图3和4中的同步装置的实现方式的示例。同步装置是作为两个串联电阻RA、RB的电路来实现，这两个电阻连接到包括电阻器ROSC和电容器COSC的并联电路的每一端。
通过使用此网络，一个小的振幅信号被添加到COM调制器，强制COM调制器以增加的小振幅信号频率振荡。因此，通过将具有所需空闲频率之频率的小振幅信号添加到每一个调制器，一个或多个COM调制器可以被同步。
电阻和电容的值可以由精通本技术的人来确定，并在具有好的同步以及不会对任何一个调制器造成负面影响之间进行折衷。
图6显示了本发明的另一个优选实施例，其显示一个用于获得COM调制器的同步的有源同步(active synchronization)系统。有源同步块15包括一个或多个有源高通滤波器。
图7给出了作为两个有源高通滤波器16、17实现的图6中的有源同步块15的示例。一个高通滤波器16将位于节点18的第一高通滤波COM调制器信号与位于节点19的第二COM调制器信号相加，从而使第二个COM调制器与第一个同步。如果也由第二个高通滤波器17将位于节点19的高通滤波第二调制器信号与位于节点18的第一调制器信号相加，则将获得最优的同步。
图8显示了具有根据本发明同步的两个COM调制器的功率转换系统。在前馈路径中插入了两个滞后块B1、B2，有助于以低频率产生较高的环路增益。不对系统施加任何高功率滤波，但一个负载(优选情况下为一个电动转换器)将充当电感负载，从而可以对PWM信号进行某种程度的滤波。从而，可以取消输出滤波器并可以提高效率。每一个功率级20、21都可以包括一个或多个半桥，优选情况下，包括单一的半桥。
图9显示了用于图8中的系统的开环增益。该系统是针对大致为325kHz的切换频率设计的。在325kHz时，开环增益是0dB，并且在该频率时，相位是-180度，从而可使振荡受到控制。图8所示的系统将能够在325kHz带宽内抑制噪声和失真。
系统输出是差分3级PWM信号，其高频频谱特性类似于NBDD调制的频谱特性，与具有差分2级PWM输出信号的调制拓扑相比，调制的效率更高。
如果图9所示系统中的调制器完全同步，则在空闲时，将会产生零振幅的差分输出。这是因为，负载的一个端子22在空闲时的信号等于负载的另一个端子23的信号，从而获得零振幅的差分信号。
同步可以通过如图5所示的同步装置(作为包括R、C或RC电路的同步网络)来获得。R、C或RC电路连接到前馈路径中的比较器。同步还可以如在图6和7中那样作为包括高通有源滤波器网络的有源网络来获得。
此外，调制深度还可以通过限制输入信号节点24上的输入信号的振幅来进行控制，从而会使波纹电流降低。
图10显示了根据本发明的SCOM，这是以多级PWM来实现的，包括PSCPWM调制器结构和MECC(N，M)控制系统，其中，N，M是整数。在申请人的国际专利申请PCT/DK97/00497描述了MECC(N，M)，这里引用了该专利。该系统包括一个或多个反馈路径和对PWM信号的低通滤波。在SCOM系统包括PSCPWM调制器的情况下，可以获得多级(两级以上)调制器，优选情况下，在输出中没有高频共模分量。每一个功率级包括一个或多个半桥。如果每一个功率级包括在全桥结构中的两个半桥，则可以获得多级(两级以上)调制器，在输出中没有高频共模分量。
在图11中，N个(其中N是一个整数)SCOM调制器通过另外的同步信号来进行同步。此同步信号可以是任何信号形状，但优选情况下是三角形、正方形或正弦，具有所需的空闲切换频率的频率。同步装置可以是上文所描述的任何一种。
在图12中，N个(其中N是一个整数)COM调制器通过它们的共用COM信号来进行同步。共用COM同步信号可以是任何信号形状，具有所需空闲切换频率的频率。同步装置可以是上文所描述的任何一种。
SCOM调制器可以在任何给定的AC-AC、DC-DC、AC-DC或DC-AC功率转换系统中来实现，特别是在高精度DC-AC音频功率转换系统中实现，其中，功率级元件以“开”或“关闭”状态操作。

Claims (16)

1.一种同步受控振荡调制器，包括
至少一个受控振荡调制器，该调制器具有功率级和较高阶振荡环路，该环路包括连接到所述功率级的输出的反馈块和连接到所述反馈块的前馈块，所述振荡环路用于获得稳定的振荡条件，以及
连接到所述受控振荡调制器的所述前馈块的同步装置。
2.根据权利要求1所述的调制器，其中，所述同步装置包括一个振荡信号发生器。
3.根据权利要求1所述的调制器，其由另一个同步受控振荡调制器进行同步，该另一个同步受控振荡调制器被提供有所需空闲切换频率之频率的任何振荡调制器信号。
4.根据权利要求1所述的调制器，包括第一和第二受控振荡调制器，所述同步装置连接在所述第一受控振荡调制器的前馈路径和所述第二受控振荡调制器的前馈路径之间，并被配置用于使各受控振荡调制器彼此同步。
5.根据权利要求3或4所述的调制器，其中，所述同步装置包括如下电路，在所述电路中，两个串联电阻连接到包括电阻器和电容器的并联电路的每一端。
6.根据权利要求5所述的调制器，其中，所述同步装置包括：
第一和第二串联电阻，
并联电阻器，以及
并联电容器，
其中，所述第一串联电阻连接到并联电容器和并联电阻器的第一端，以及，所述第二串联电阻连接到该并联电容器和并联电阻器的第二端，以及
其中，所述第一和第二串联电阻分别连接到每一个调制器的前馈路径中的比较器上。
7.根据权利要求3或4所述的调制器，其中，所述同步装置包括有源电路，其至少包括一个高通滤波器。
8.根据权利要求1所述的调制器，其由另一个以全桥配置驱动的同步受控振荡调制器来扩展，以实现三级脉冲输出。
9.根据权利要求8所述的调制器，其是在移相载波脉冲宽度调整系统中实现的，在三级输出中没有共模高频频谱影响。
10.根据权利要求1所述的调制器，其是在多环路多变量增强级联调制(N，M)控制系统中实现的，用于增强的噪声抑制，其中，N和M分别是代表本地和全局控制环路数量的整数。
11.根据权利要求1所述的调制器，包括N个受控振荡调制器，它们由另外的同步信号或由所述受控振荡调制器的共用受控振荡信号来进行同步。
12.根据权利要求1所述的调制器，进一步包括限制器装置，用以控制脉冲宽度调制的调制深度。
13.根据权利要求1所述的调制器，其是在通用功率转换系统中实现的。
14.根据权利要求13所述的调制器，其是所述通用功率转换系统是直流到交流音频功率转换系统。
15.根据权利要求1所述的调制器，用于直接驱动电动转换器负载。
16.根据权利要求1所述的调制器，其中，所述受控振荡调制器包括：一个比较器、一个功率放大级以及一个负反馈环路，适用于实现用于以预先确定的频率进行受控振荡的条件。
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