CN101091307B

CN101091307B - 开关放大器

Info

Publication number: CN101091307B
Application number: CN2006800015759A
Authority: CN
Inventors: 朱昊
Original assignee: APEXONE MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: APEXONE MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: WO2008046247A1; CN101091307A; US20100188150A1; US8174316B2

Abstract

本发明揭示了一种开关放大器，它包括电源(Vcc)；输入电路(Va，Vb)；相互串联的开关管(M1，M2)；分别与开关管(M1，M2)耦合的驱动电路(I1，I2)；提供驱动电路(I1)工作电压的自举电路；该开关放大器还包含：泄放电路(M1a，M2a)或辅助开关电路(M1’，M2’)。本发明的开关放大器可以抑制自举电势的波动，防止开关放大器的信号失真。

Description

开关放大器

技术领域

本发明涉及一种开关放大器，尤其涉及一种D类开关放大器。

背景技术

目前，由于D类开关放大器在无输入信号时无电流在其中流过，而在导通时却快开快关，使得这类放大器具有低能耗、高效率的特点，因而D类放大器在用作开关器件时越来越受到人们的欢迎。

D类开关放大器一般采用N-MOS(N型金属氧化物半导体)开关管与P-MOS(P型金属氧化物半导体)开关管结合的结构设计。然而，由于P-MOS开关管的缺点是面积大，因而使用CMOS(互补型金属氧化物半导体)开关管的D类放大器无法适应当前电子设备趋于小型化或微型化的趋势。另一方面，由于N-MOS开关管完全可以用作P-MOS开关管，并且具有面积小且单位面积导通电阻小的优势，因而为了节省面积，D类开关放大器逐渐采用全N-MOS开关管结构以代替P-MOS和N-MOS相结合的开关管结构。

但是当采用这种全N-MOS开关管结构时，由于开关管的源端和整个放大器的电源相连而使得开关管完全导通，因而需要配备高于放大器电源电压的栅极驱动电压。为此，通常需要在芯片内部产生自举电势，以产生驱动电路所需的工作电压。

图1示出现有技术中具有驱动电路的D类开关放大器的示意图。如图1所示，Va、Vb表示输入端(它包括逻辑电路，还可以包括电平转换电路)，接收所输入的逻辑相反的脉宽调制(PWM)信号，M1与M2为开关管或开关电路。为了在输出处得到与Va、Vb相对应的脉宽调制信号，要求开关管M1与M2在导通与关断之间进行切换。其中，由用以补充能量的电路(一般为二极管Dboot)、储存能量的电路(电容Cboot)与起切换功能的开关管M1组成自举电路来产生自举电势Vh。

放大器开关管M1、M2分别由驱动电路I1、I2驱动。Vd为驱动电路I1、I2的工作电源。为了保证放大器开关管M1完全导通，必须使输出电压Vout接近电源电压Vcc，这又使得必须使驱动电压Vd大于电源电压Vcc。这是通过自举电势Vh来实现的。

同时，为了防止在上、下两个开关管M1和M2同时导通时产生大的电源到地的直通电流而损坏开关管，通常将开关管M1和M2的驱动逻辑设置为不交叠时钟。但是这样的设置会使串联的开关管出现同时关断的情况，为避免出现这样的情况，通常在电路中加入具有相同延时的延时电路Y1、Y2。

图2示出对应于图1所示电路中出现开关管M1、M2同时关断时的可能存在的两种电流状态，其不同电流状态对应于不同的输入信号。

如图2所示，当电感上存在电流Iout时，电流Iout在两个开关管M1和M2同时关断(称为“死区”)时不会消失，而是全部流过开关管M1或M2中的寄生电路(寄生体二极管D1或D2)，从而当输出电流Iout>0或Iout<0时，会出现如图3中所示的“过冲”现象。所谓“过冲”现象，即在死区时间，输出电压Vout会由于在外部电感上产生的电流Iout而出现高于电源电压Vcc或低于零的情况。当Iout>0，在死区期间，输出电压Vout低于零，电容Cboot继续充电，从而由于“过冲”而使得电容Cboot的电压Vc变大。电容电压Vc的这种波动导致开关管M1的导通电阻会随着输出电流极性的不同而不同，从而引起失真。其中，通常将输出电压Vout高于电源电压Vcc或低于零的那部分称为“过冲”电压。

如图3所示，Vout表示放大器的输出电压；h表示体二极管D1、D2正向导通压降，即“过冲”电压的深度；而w为非交叠时间，即“过冲”电压的持续时间宽度，也即“死区”的持续时间。

从图3中可以看出，当Iout>0时，过冲电压出现在输出电压Vout波形的下方；而当Iout<0时，“过冲”电压则出现在输出电压Vout波形的上方。正是因为“过冲”电压的存在，使得当Iout>0时，输出电压Vout小于零，从而使得电容Cboot上的电压Vc发生“过充”而变大，并进而出现人们通常所不希望的电压Vout的波动，进一步引起开关管M1的导通电阻变化而引起失真。

发明内容

针对现有技术D类开关放大器中存在的上述缺陷，本发明提供了一种具有自举电势波动抑制功能的开关放大器。

按照本发明的一个方面，提供了一种开关放大器，它包含：电源(Vcc)；具有两个电压输入端(Va，Vb)的输入电路，用来接收逻辑相反的脉宽调制信号；分别与所述输入电路耦合的两个驱动电路(I1)和(I2)，所述驱动电路(I1)耦合在所述输入电路(Va)与所述电源(Vcc)之间，而所述驱动电路(I2)耦合在另一所述输入电路(Vb)与地之间；分别与所述驱动电路(I1)和(I2)耦合并且相互串联的开关管(M1，M2)；与驱动电路(I1)耦合并为驱动电路(I1)提供工作电压的自举电路；并联连接在所述开关管(M1，M2)的公共输出端与所述电源(Vcc)之间的泄放电路(3)以及并联连接在所述开关管(M1，M2)的公共输出端与地之间的泄放电路(3’)。

按照本发明的另一个方面，提供了一种开关放大器，它包含：电源(Vcc)；具有两个电压输入端(Va，Vb)的输入电路，用来接收逻辑相反的脉宽调制信号；分别与所述输入电路耦合的两个驱动电路(I1)和(I2)，所述驱动电路(I1)耦合在所述输入电路(Va)与所述电源(Vcc)之间，而所述驱动电路(I2)耦合在另一所述输入电路(Vb)与地之间；分别与所述驱动电路(I1)和(12)耦合并且相互串联的开关管(M1，M2)；与所述开关管(M1)耦合的辅助开关电路(M1’)；与驱动电路(I1)耦合并为驱动电路(I1)提供工作电压的自举电路；以及与所述开关管(M2)耦合的辅助开关电路(M2’)，并且其中，所述辅助开关电路(M1’)和所述辅助开关电路(M2’)相互串联。

按照本发明的又一个方面，提供了一种开关放大器，它包含：电源(Vcc)；具有两个电压输入端(Va，Vb)的输入电路，用来接收逻辑相反的脉宽调制信号；分别与所述输入电路耦合的两个驱动电路(I1)和(I2)，所述驱动电路(I1)耦合在所述输入电路(Va)与所述电源(Vcc)之间，而所述驱动电路(12)耦合在另一所述输入电路(Vb)与地之间；分别与所述驱动电路(I1)和(I2)耦合并且相互串联的开关管(M1，M2)；与驱动电路(I1)耦合并为提供驱动电路(I1)工作电压的自举电路；所述开关放大器还包含：分别与所述开关管(M1，M2)耦合的可抑制驱动电路(I1)工作电压波动的辅助电路。

按照本发明的又一个方面，提供了一种开关放大器，接收并处理脉宽调制信号，包括：接收脉宽调制信号的输入端及输出端；相互串联的用以处理脉宽调制信号的开关电路；与上述信号输入端及开关电路相耦合，并为开关电路提供驱动电压的驱动电路；以及与驱动电路耦合并为驱动电路提供工作电压的自举电路；所述开关放大器还包含：与所述开关电路、驱动电路及自举电路耦合的可抑制驱动电路工作电压波动的辅助电路。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更好地理解本发明的各个方面及其优点。其中，

图1是示出现有技术中具有驱动电路的开关放大器的示意电路图；

图2说明对应于图1中的开关管M1、M2同时关断时电感上出现输出电流Iout>0或Iout<0时的情形；

图3是说明对应于图2中输出电流I＝0、Iout>0和Iout<0时输出电压(Vout)出现“过冲”电压和“死区”的示意图；

图4是按照本发明第一种实施例的具有自举电势波动抑制功能的开关放大器的电路图；

图5是图4所示第一种实施例的开关放大器当输出电流I＝0、I>0和I<0时的输出电压(Vout)的波形；

图6是按照本发明第二种实施例的具有自举电势波动抑制功能的开关放大器的电路图；

图7是图6所示按照本发明第二种实施例的具有自举电势波动抑制功能的开关放大器当输出电流I＝0、I>0和I<0时电压(Vn)的波形；以及

图8是采用本发明第一种实施例和第二种实施例的开关管与现有技术的开关放大器在输出电流(Iout)变化时，电容电压(Vc)变化的比较图。

具体实施方式

下面参照附图，详细描述本发明的具体实施方式。类似结构或功能将不在图中重复示出而是参考此前的标号表述。图示只是为了便于读者更好地理解本发明的具体实施方式，而不应理解为是对本发明的穷尽描述或对权利要求范围的限定。

图4示出本发明的第一种实施例。如图1所示，为了抑制原开关管M1和M2中的电压“过冲”现象而引起的信号失真，本发明在开关管M1、M2上分别并联了一个由另一延迟电路和面积较小的开关管组成的泄放电路。诚然，所述开关管M1、M2也可以由其他的开关电路所代替。

具体说来，与开关管M1并联的是由延迟电路Y1’和开关管M1a组成的泄放电路3；与开关管M2并联的是由延迟电路Y2’和开关管M2a组成的另一泄放电路3’，并且延迟电路Y1’和延迟电路Y2’的延时小于或等于连接在开关管M1和M2之前的延时Y1和Y2的延时。其中，延迟电路Y1’和延迟电路Y2’的延时相同。采用这样的配置，当开关管M1与M2都处于关断状态的时候，开关管M1a与M2a可以有选择地处于导通状态，从而有效避免了电流从寄生体二极管D1和D2中流过。

此电路的具体工作状态如下：

(1)当开关管M1导通，而开关管M1a还未打开时，开关管M2与M2a处于关断状态；

(2)当开关管M1与M1a都导通时，开关管M2与M2a处于关断状态；

(3)在开关管M1关断的瞬间，开关管M1a仍然导通，此时，开关管M2与M2a仍然处于关断的状态；

(4)在开关管M1a关断的瞬间，开关管M2处于导通或即将导通的状态。由于延迟电路Y1’的存在，使得在开关管M1关断而开关管M2没有导通的时候，可以由于开关管M1a的导通而缩短开关管M1和M2都关断的时间，从而可以大大避免现有技术中因开关管M1与M2都关断时仍然有电流流过M1和M2而产生的“过冲”现象。

(5)当开关管M2导通而开关管M2a还未打开时，开关管M1与M1a均处于关断状态；

(6)当开关管M2与M2a都导通时，开关管M1和M1a均处于关断状态；

(7)在开关管M2被关断的瞬间，开关管M2a仍然导通，此时，开关管M1仍然处于关断状态；

(8)在开关管M2a被关断的瞬间，开关管M1处于导通或即将导通的状态。由于延迟电路Y2’的存在，使得在开关管M2关断而开关管M1没有导通的时候，可以由于开关管M2a导通而缩短开关管M1和M2都关断的时间，从而可以大大避免现有技术中因开关管M1与M2都关断时仍然有电流流过M1与M2而产生的“过冲”现象。

以上描述的是放大器电路在一个循环周期内的运作。在以后的循环周期内，放大器电路重复以上的运作。以上描述的工作过程，是本发明第一实施例中一种优选的工作状态。在实际的应用过程中，应考虑到有所变化与调整。在本实施例的细节作各种修正，皆应包含在本发明的范围内。

与现有技术相比，本发明有效克服了现有技术中因开关管M1、M2同时关断而造成开关管M1、M2中仍有电流产生的缺陷，从而有效减少了现有技术中“过冲”现象的发生。

一般说来，开关管M1a和M2a的导通电阻小于寄生体二极管D1、D2的正向导通压降和输出电流Iout之比(即D1、D2的正向导通电阻)，即电流通过开关管M1a与M2a产生的压降小于寄生体二极管D1、D2的正向导通压降。

另外，由于开关管M1a和M2a的面积小于开关管M1、M2的面积，开关管M1a、M2a很容易被打开或关断，因而不会出现开关管M1与M2a或者M1a与M2同时都导通的情形，从而不会引起功率损耗。

再有，为了避免在电源Vcc到地之间形成直接通路，从而更有效地抑制开关管M1、M2因同时关断而产生的电流，可以分别在开关管M1a、M2a上并联延时比开关管M1a、M2a更早但比开关管M1、M2的延时更晚的类似于开关管M1a、M2a的开关管(图中未示出)。采用这种设置，可以更好地抑制开关放大器的电压波动，因而具有更明显的发明效果。

图5示出本实施例的开关放大器当I＝0、I>0和I<0时的输出电压Vout的波形。从图中可以看到，输出电压Vout的“过冲”现象明显减弱，并且“死区”持续时间也明显缩短。需要指出的是，“过冲”电压的深度值取决于开关管M1a的导通压降。如果考虑到二极管的充电时间，则可以认为，电容Cboot上的电压Vc几乎无波动。

图6示出按照本发明的第二种实施例的具有自举电势波动抑制功能的开关放大器。与图4所示实施例不同的是，第二种实施例中自举电势的产生与开关管(或开关电路)M1无关，而是由M1’和M2’两个面积较小的辅助开关管或辅助开关电路代替M1和M2来产生自举电势的电压基准点。具体说来，自举电势的建立主要是通过开关管M1’、二极管Dboot和电容Cboot来实现的。

具体工作状态如下：

(1)当开关管M1、M1’断开而开关管M2、M2’导通时，开关管M1’上的电压Vn和输出电压Vout均为零。驱动电压Vd通过二极管Dboot对电容Cboot充电，电容Cboot上最高电压差为Vd-Ve，其中，Ve是二极管Dboot的正向导通电压；

(2)当开关管M1、M1’、M2、M2’全部断开时，输出电压Vout上出现“过冲”，而电压值Vn由于开关管M1’和M2’均关断而仍为零；

(3)当开关管M1、M1’均导通，而开关管M2、M2’关断时，Vn、Vout的值上升至电源电压Vcc的值。而Vh等于Vout+Vc，其中Vc为电容Cboot上的电压值。此时，Vh大于Vd。因此，二极管Dboot没有电流通过；

(4)当开关管M1、M1’再次关断而开关管M2、M2’也关断时，开关管M1’端的电压Vn上升至电源电压Vcc的值，输出电压Vout出现“过冲”。

在这一过程中，电容电压Vc与输出电压Vout没有关系，而只与开关管M1’端的电压Vn有关。因此，输出电压Vout发生“过冲”并不会引起电容电压Vc的波动。而Vn不会发生“过冲”现象。因此，通过第二种实施例的辅助开关管M1’与M2’，使得电容电压Vc在整个过程中基本不会发生波动而不会导致放大器的信号失真。

以上描述的工作过程，是本发明第二实施例中一种优选的工作状态。在实际的应用过程中，应考虑到有所变化与调整。在本实施例的细节作各种修正，皆应包含在本发明的范围内。

从图7中可以看出，图6所示第二种实施例的辅助开关管M1’的输出电压Vn在电流Iout＝0、Iout<0、Iout>0的情况下，几乎不会产生“过冲”电压和“死区”。

图8是示出本发明第一种实施例和第二种实施例的开关电路与现有技术的开关电路的在输出电流变化时电容电压Vc变化的比较。

从图中可以看出，随着时间的变化，输出电流Iout在Iout＝0、Iout<0、Iout>0的情况下发生变化。我们可以发现，现有技术中电容Cboot上的电压值Vc会产生很大的波动，从而引起较大的信号失真。在本发明第一实施例中则波动较小，而在第二实施例中则基本没有波动。

需要指出的是，在本发明的实施例中，开关管M1、M2或M1’、M2’的驱动电路I1、I2可以由反向器组成或者可以实现驱动功能的其他电路组成。本发明的实施例中，为开关管驱动电路I1提供工作电压的自举电路包括能量补充电路及能量储存电路，其中能量补充电路在本发明中是二极管Dboot，当然它也可以是其他可实现能量补充功能的开关电路。而本发明中能量存储电路采用的是电容Cbout。

另外，本领域中的普通技术人员能够理解，本发明第一、第二种实施例中的开关管可以是任何一种由三极管或N沟道金属氧化物半导体组成的开关管来构成。所述开关管也可以是能够实现相同开关功能的其他开关电路。

本发明通过在开关放大器的电路中增加辅助电路，包括第一实施例中的泄放电路3、3’及第二实施例中的辅助开关电路M1’和M2’，使得在放大器工作中产生的自建电势电压波动得到有效的抑制，从而可有效防止整个放大器在应用过程中的信号失真。

上文的描述中，对本发明的具有自举电势波动抑制功能的开关放大器进行了详细描述。但本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神的情况下，还可以对上述实施例的细节作各种修正。还可以有各种变异形式。所有这些变化和变异形式都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims

1.一种开关放大器，其特征在于，它包含：

电源(Vcc)；

具有第一、第二电压输入端(Va，Vb)的输入电路，用来接收逻辑相反的脉宽调制信号；

与输入电路耦合的第一、第二驱动电路(I1)和(I2)，所述第一驱动电路(I1)耦合在所述第一输入电路与所述电源(Vcc)之间，而所述第二驱动电路(I2)耦合在第二输入电路与地之间；

与所述第二驱动电路(I2)耦合的第二开关管(M2)；

与第一驱动电路(I1)耦合并为第一驱动电路(I1)提供工作电压的自举电路，该自举电路包括第一开关管(M1)，该第一开关管(M1)与第一驱动电路(I1)耦合并且与第二开关管(M2)相互串联；

并联连接在所述第一、第二开关管(M1，M2)的公共输出端与所述电源(Vcc)之间的第一泄放电路(3)以及

并联连接在所述第一、第二开关管(M1，M2)的公共输出端与地之间的第二泄放电路(3’)。

2.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于，所述第一驱动电路(I1)通过第一延时电路(Y1)与所述输入电路的第二电压输入端(Vb)耦合，而所述第二驱动电路(I2)通过第二延迟电路(Y2)与所述输入电路的第一电压输入端(Va)耦合。

3.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于，所述第一泄放电路(3)由第一辅助延迟电路(Y1’)和第一辅助开关管(M1a)组成，而所述第二泄放电路(3’)由第二辅助延迟电路(Y2’)和第二辅助开关管(M2a)组成。

4.如权利要求3所述的开关放大器，其特征在于，所述第一辅助延迟电路(Y1’)的延时小于或等于所述第一延迟电路(Y1)的延时，而所述第二辅助延迟电路(Y2’)的延时小于或等于所述第二延迟电路(Y2)的延时，并且所述第一辅助延迟电路(Y1’)的延时与第二辅助延迟电路(Y2’)的延时相等，所述第一、第二辅助开关管(M1a，M2a)的面积分别小于所述第一、第二开关管(M1，M2)的面积。

5.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于，所述自举电路包括含有二极管(Dboot)的能量补充电路、含有电容(Cboot)的能量储存电路及含有第一开关管(M1)的开关电路。

6.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于，所述第一、第二驱动电路(I1)和(I2)由一个或多个反向器组成。

7.如前述任一权利要求所述的开关放大器，其特征在于，所述第一、第二开关管(M1，M2)及第一、第二辅助(M1a，M2a)是N沟道金属氧化物晶体管。

8.一种开关放大器，其特征在于，它包含：

电源(Vcc)；

分别与所述第一、第二驱动电路(I1)和(I2)耦合并且相互串联的第一、第二开关管(M1，M2)；

与第一驱动电路(I1)耦合并为第一驱动电路(I1)提供工作电压的自举电路，该自举电路包括有第一辅助开关电路(M1’)，该第一辅助开关电路(M1’)与第一开关管(M1)耦合；以及

与所述第二开关管(M2)耦合的第二辅助开关电路(M2’)，并且

其中，所述第一辅助开关电路(M1’)和所述第二辅助开关电路(M2’)相互串联。

9.如权利要求8所述的开关放大器，其特征在于，所述第一、第二驱动电路(I1)和(I2)由一个或多个反向器组成。

10.如权利要求8所述的开关放大器，其特征在于，所述自举电路还包括含有二极管(Dboot)的能量补充电路、含有电容(Cboot)的能量储存电路。

11.如权利要求8所述的开关放大器，其特征在于，所述第一、第二开关管(M1，M2)、所述第一、第二辅助开关电路(M1’，M2’)由N沟道金属氧化物晶体管组成。

12.一种开关放大器，其特征在于，它包含：

电源(Vcc)；

与第一驱动电路(I1)耦合并为提供第一驱动电路(I1)工作电压的自举电路，其中所述自举电路包括所述第一开关管；

所述开关放大器还包含：

分别与所述第一、第二开关管(M1，M2)耦合的可抑制第一驱动电路(I1)工作电压波动的辅助电路。

13.如权利要求12所述的开关放大器，其特征在于，所述第一、第二驱动电路(I1)和(I2)由一个或多个反向器组成，并且所述第一驱动电路(I1)通过第一延时电路(Y1)与所述输入电路的第二电压输入端(Vb)耦合，而所述第二驱动电路(I2)通过第二延迟电路(Y2)与所述输入电路的第一电压输入端(Va)耦合。

14.如权利要求13所述的开关放大器，其特征在于，所述辅助电路是一种与第一、第二开关管(M1，M2)并联的第一、第二泄放电路(3，3’)，并且所述第一泄放电路(3)由第一辅助延迟电路(Y1’)和第一辅助开关管(M1a)组成，而所述第二泄放电路(3’)由第二辅助延迟电路(Y2’)和第二辅助开关管(M2a)组成。

15.如权利要求14所述的开关放大器，其特征在于，所述第一辅助延迟电路(Y1’)的延时小于或等于所述第一延迟电路(Y1)的延时，而所述第二辅助延迟电路(Y2’)的延时小于或等于所述第二延迟电路(Y2)的延时，并且所述第一辅助延迟电路(Y1’)的延时与第二辅助延迟电路(Y2’)的延时相等，所述第一、第二辅助开关管(M1a，M2a)的面积分别小于所述第一、第二开关管(M1，M2)的面积。

16.如权利要求12所述的开关放大器，其特征在于，所述辅助电路是相互串联的第一、第二辅助开关电路(M1’，M2’)。

17.如权利要求12所述的开关放大器，其特征在于，所述自举电路包括为自举电势补充能量的二极管(Dboot)、储存能量的电容(Cboot)及辅助电路。

18.一种开关放大器，接收并处理脉宽调制信号，包括：

接收脉宽调制信号的输入端及输出端；

相互串联的用以处理脉宽调制信号的开关电路；

与上述信号输入端及开关电路相耦合，并为开关电路提供驱动电压的驱动电路；以及

与驱动电路耦合并为驱动电路提供工作电压的自举电路；

其特征在于，所述开关放大器还包含：

与所述开关电路、驱动电路及自举电路耦合的可抑制驱动电路工作电压波动的辅助电路。