CN101160716A - 包括开关放大器和负载的装置 - Google Patents

Abstract

一种包括诸如D类放大器的开关放大器(2，3)和诸如扩音器的负载(4)的装置(1)，该装置设置有控制器(2)，该控制器(2)用于控制开关电路(3)从而分别在四个状态下跨越该负载(4)引入四个电压信号，其中，这四个电压信号彼此不同。其结果是，在该负载(4)中耗散的高频域中的开关功率被减小。总功耗被减小，这会实现每个电池的播放时间较长。该控制器(2)控制该开关电路(3)从而根据输入信号对电压信号进行脉宽调制以及控制该开关电路(3)从而在第五状态下跨越该负载(4)引入第五电压信号，从而进一步减小开关功率、负载(4)中的耗散以及总功耗并且从而进一步增加每个电池的播放时间。

Description

包括开关放大器和负载的装置

技术领域

本发明涉及一种包括开关放大器和负载的装置，还涉及一种开关放大器，涉及一种用于开关放大器中的控制器，涉及一种用于开关放大器中的开关电路，涉及一种开关放大方法以及开关放大处理器程序产品。

这种装置的例子是移动电话和其它音频装置，并且这种开关放大器的例子是D类放大器。

背景技术

从US6,211,728B1获得已知的现有技术开关放大器，该US6,211,728B1公开了一种包括用于控制四个开关的控制电路的无滤波器开关放大器。第一开关将负载的第一端连接到电压电源，第二开关将该负载的第一端连接到地面，第三开关将该负载的第二端连接到该电压电源，以及该第四开关将该负载的第二端连接到地面。根据第一选择通过使得该第一和第四开关导电，跨越该负载引入了第一电压信号。根据第二选择通过使得第二和第三开关导电，跨越该负载引入了第二电压信号，其中，该第二电压信号等于反相的第一电压信号。根据第三选择通过使得或者第一和第三开关导电或者使得第二和第四开关导电，该负载短路。

对于正输入信号，该控制电路根据脉宽调制技术从第三选择切换到第一选择并且反之亦然(第一选择期间较小绝对值输入信号＝较短脉冲＝较短导电时间间隔，以及第三选择期间较长导电时间间隔；第一选择期间较大绝对值输入信号＝较长脉冲＝较长导电时间间隔，第三选择期间较短导电时间间隔)。对于负输入信号，该控制电路根据脉宽调制技术从第三选择切换到第二选择并且反之亦然(第二选择期间较小绝对值输入信号＝较短脉冲＝较短导电时间间隔，以及第三选择期间较长导电时间间隔；第二选择期间较大绝对值输入信号＝较长脉冲＝较长导电时间间隔，第三选择期间较短导电时间间隔)。

跨越该负载的电压信号的均值与放大的输入信号一致。与从第一选择到第二选择的切换并且反之亦然相比较，换言之，与使用仅仅第一和第二选择相比较，第三选择的引入允许撤销负载两端的串联电感器和并联电容器形式的滤波器，这是因为：高频域中的开关功率被减小。

由于高频域中的开关功率仍然相对高的事实，这种已知装置是有其它缺点的。这个高频域中的开关功率在诸如例如扩音器的负载中耗散并且会损坏这个扩音器。

发明内容

此外，本发明的目的在于提供一种包括开关放大器和负载的装置，其中，高频域中的开关放大器开关功率相对较低。

此外，本发明的其它目的在于提供一种开关放大器，以及提供一种用于开关放大器中(与开关放大器组合)的控制器、开关电路、开关放大方法和开关放大处理器程序产品，其中，高频域中的开关功率相对较低。

根据本发明的装置包括开关放大器和负载，所述开关放大器包括控制器，所述控制器用于控制开关电路从而分别在第一、第二、第三和第四状态下跨越负载分别引入第一、第二、第三和第四电压信号，其中，所述第一、第二、第三和第四电压信号彼此不同。

通过跨越负载引入至少四个状态和至少四个不同电压信号(四个或更多选择)，与仅仅利用跨越负载的三个状态和三个不同电压信号相比较(仅仅三个选择)，高频域中的开关功率被减小。这可以如下进行导出。

在现有技术两个选择情形下，跨越负载的电压信号例如从正电压电源改变到负电压电源并且反之亦然。在1瓦特输入信号的情况下，例如，产生了5瓦特开关功率并且由串联电感器和并联电容器形式的滤波器对所述5瓦特开关功率进行滤波。在现有技术三个选择情形下，跨越负载的电压信号例如从零值改变到正电压电源并且反之亦然或者从零值改变到负电压电源值并且反之亦然。在1瓦特输入信号的情况下，于是例如在负载中产生并且耗散1.5瓦特开关功率。其原因在于：在开关事件期间电压摆动已经被减小。对于正输入信号，不再需要使用第二选择，对于负输入信号，不再需要使用第一选择。因此，当跨越负载引入至少四个状态和至少四个不同电压信号时，电压摆动被进一步减小，并且开关功率被进一步减小。

此外，根据本发明的装置另一个优点在于：总功耗被减小，这会实现每个电池的播放时间较长。

根据本发明的装置的实施例由一种控制器进行定义，所述控制器被设置为控制所述开关电路以根据输入信号对所述电压信号进行脉宽调制。在根据本发明的装置中，脉宽调制技术的使用能够发挥良好作用。

根据本发明的装置的实施例由一种控制器进行定义，所述控制器被设置为控制所述开关电路从而在第五状态下跨越所述负载引入第五电压信号，其中，所述第五电压信号与所述第一、第二、第三和第四电压信号不同。跨越负载的第五状态和第五电压信号的引入将会进一步减小开关功率和负载中的耗散以及功耗，并且会进一步增加每个电池的播放时间。

根据本发明的装置的实施例由第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号、第四电压信号、和第五电压信号定义，其中，所述第一电压信号具有正第一值，所述第二电压信号具有负第一值，所述第三电压信号具有正第二值，所述第四电压信号具有负第二值，以及所述第五电压信号具有第三值，其中，所述第一和第二以及第三值彼此不同。第五状态例如是短路状态并且与现有技术第三选择一致。

根据本发明的装置的实施例由正和负第二值以及第三值进行定义，其中，所述正和负第二值最小是所述正和负第一值的25％、最大是所述正和负第一值的75％，并且所述第三值最小是所述正第一值的-25％、最大是所述正第一值的25％。优选的是，正和负第二值大约分别是正和负第一值的50％并且第三值大约是零，以获得负载中的最小开关功率耗散。在1瓦特输入信号的情况下，于是，例如，在负载中产生并且耗散0.2瓦特开关功率。与现有技术具有1.0+1.5＝2.5瓦特的开关放大器总功耗的三个选择情形相比较，1.0+0.2＝1.2瓦特的开关放大器总功耗会实现大于双倍的每个电池的播放时间。

根据本发明的装置的实施例由一种开关电路进行定义，所述开关电路包括用于将负载的一端分别连接到三个电压端子的三个开关并且还包括用于将负载的另一端分别连接到所述三个电压端子的另外三个开关。这三个开关例如包括第一开关、第二开关以及第三开关，其中，所述第一开关连接到第一电压电源用于引入具有正第一值的电压信号，所述第二开关连接到第二电压电源用于引入具有正第二值的电压信号，并且所述第三开关连接到地面用于引入具有第三值的电压信号。所述另外的三个开关例如包括另外第一开关、另外第二开关以及另外第三开关，其中，所述另外第一开关连接到所述第一电压电源用于引入具有负第一值的电压信号，所述另外第二开关连接到所述第二电压电源用于引入具有负第二值的电压信号，并且所述另外第三开关连接到地面用于引入具有第三值的电压信号。

根据本发明的装置的实施例由一种开关放大器进行定义，所述开关放大器是D类放大器。D类放大器是不再现诸如AB类放大器的线性信号但是会再现具有与输入信号幅值成比例的占空比的数字功率信号的放大器。在根据本发明的装置中，D类放大器的使用会发挥良好的作用。

根据本发明的开关放大器的实施例、根据本发明的控制器的实施例、根据本发明的开关电路的实施例、根据本发明的开关放大方法的实施例以及根据本发明的开关放大处理器程序产品的实施例与根据本发明的装置的实施例一致。

此外，本发明基于减小的电压摆动会减小开关功率的见识，以及另外基于要利用用于跨越负载引入至少四个不同电压信号的至少四个不同状态的基本思想。

此外，本发明解决所述问题以提供一种包括开关放大器和负载的装置，其中，高频域中开关放大器开关功率相对较低，并且此外本发明的另外优点在于：总功耗被减小，从而实现每个电池的播放时间较长。

附图说明

通过对照这里以后描述的实施例来阐述本发明的这些和其它方面，本发明的这些和其它方面是清楚的。

这些附图如下：

图1图解地示出了包括现有技术开关放大器的现有技术装置；

图2示出了现有技术开关放大器的定时图和频率图；

图3图解地示出了包括根据本发明的开关放大器的根据本发明的装置；

图4示出了根据本发明的开关放大器的定时图和频率图；

图5更加详细地图解示出了用于根据本发明的开关放大器中的根据本发明的控制器和根据本发明的开关电路；以及

图6示出了根据本发明的控制器的定时图。

具体实施方式

图1所示的现有技术装置100包括现有技术开关放大器200、300以及负载4。该现有技术开关放大器200、300包括控制器200和开关放大器300。该开关放大器300包括四个开关31-34。该开关31连接到电压电源11以及该负载4的第一端41。该开关33连接到地面12以及负载4的第一端41。该开关32连接到电压电源11以及该负载4的第二端42。该开关34连接到地面12以及该负载4的第二端42。所有开关31-34由控制器200进行控制，该控制器200包括输入端21，用于接收要被放大的输入信号。

图1所示的现有技术开关放大器200和300的图2所示的定时图以及频率图说明了现有技术开关放大器200、300的性能(上面曲线：x轴表示时间，y轴表示电压幅值；下面曲线：x轴表示频率，y轴以dB表示信号的功率)。根据第一选择通过使得该开关31和34导电，跨越该负载4引入电压信号Uopt1-41-42。这个电压信号Uopt1-41-42基本上等于该电压电源11的电压值。根据第二选择，通过使得开关33和32导电，跨越该负载4引入电压信号Uopt2-41-42。这个电压信号Uopt2-41-42等于反相的电压信号Uopt1-41-42。换言之，Uopt2-41-42等于-Uopt1-41-42。根据第三选择，通过使得开关31和32或者开关33和34导电，该负载4被短路，并且跨越该负载4引入等于零的电压信号Uopt3-41-42。换言之，Uopt3-41-42＝0V。

对于正输入信号，该控制器200根据脉宽调制技术从第三选择切换到第一选择并且反之亦然(第一选择期间较小绝对值输入信号＝较短脉冲＝较短导电时间间隔，以及第三选择期间较长导电时间间隔；第一选择期间较大绝对值输入信号＝较长脉冲＝较长导电时间间隔，第三选择期间较短导电时间间隔)。对于负输入信号，该控制器200根据脉宽调制技术从第三选择切换到第二选择并且反之亦然(第二选择期间较小绝对值输入信号＝较短脉冲＝较短导电时间间隔，以及第三选择期间较长导电时间间隔；第二选择期间较大绝对值输入信号＝较长脉冲＝较长导电时间间隔，第三选择期间较短导电时间间隔)。

跨越该负载4的电压信号的均值与放大的输入信号一致。与从第一选择到第二选择并且反之亦然的切换相比较，换言之，与仅仅利用第一和第二选择相比较，第三选择的引入允许撤销负载4两端的串联电感器和并联电容器的滤波器，并且减小高频域中的开关功率。这能够从下面计算进行导出，假定：电压电源11的电压值是4V并且提供1瓦特输入信号。在现有技术两个选择情形下，跨越该负载4的电压信号例如从正电压电源值改变为负电压电源值，反之亦然。于是，产生了5瓦特开关功率，并且由串联电感器和并联电容器形式的滤波器对该5瓦特开关功率进行滤波。于是，该开关放大器200和300的总功耗等于1+5＝6瓦特。在现有技术三个选择情形下，跨越该负载4的电压信号例如从零值改变到正电压电源值并且反之亦然，或者从零值改变到负电压电源值并且反之亦然。于是，在该负载4中产生并且耗散1.5瓦特开关功率。于是，该开关放大器200和300的总功耗等于1.0+1.5＝2.5瓦特。原因是电压摆动已经被减小。对于正输入信号，没有必要使用第二选择，并且对于负输入信号，没有必要使用第一选择。这减小了功耗。

现有技术装置100的高频域中的开关功率仍然相对较高。高频域中的这个开关功率在诸如例如扩音器的该负载4中进行耗散，并且会损坏这个扩音器。根据本发明，高频域中的这个开关功率如下被进一步减小。

图3所示的根据本发明的装置1包括根据本发明的开关放大器2和3以及负载4。根据本发明的开关放大器2和3包括根据本发明的控制器2以及根据本发明的开关放大器3。开关放大器3包括六个开关31-36。开关31连接到电压电源11以及负载4的第一端41。开关33连接到地面12以及负载4的第一端41。开关35连接到电压电源13以及负载4的第一端41。开关32连接到电压电源11以及负载4的第二端42。开关34连接到地面12以及负载4的第二端42。开关36连接到电压电源13以及负载4的第二端42。所有的开关31-36由控制器2进行控制，其中，控制器2包括用于接收要被放大的输入信号的输入21。

针对图3所示的根据本发明的开关放大器2和3，图4所示的定时图和频率图示出根据本发明的开关放大器2和3的性能(上面曲线：x轴表示时间，y轴表示电压幅值；下面曲线：x轴表示频率，y轴以dB表示信号的功率)。在第一、第二、第三、第四和第五状态中，跨越负载4引入第一、第二、第三、第四和第五电压信号，其中，该第一、第二、第三、第四和第五电压信号彼此不同。如图4所示，第一电压信号例如基本等于4V，第二电压信号例如基本等于负4V，第三电压信号例如基本等于2V，第四电压信号例如基本等于负2V，第五电压信号例如基本等于0V。

再次，跨越负载4的电压信号的均值与放大的输入信号一致。与现有技术三个选择情形相比较，高频域中的开关功率被进一步减小。这能够从下面计算导出，假定：电压电源11的电压值是4V，电压电源13的电压值是2V，并且提供1瓦特输入信号。在五种状态情形中，如图4所示，跨越负载4的电压信号例如从正2V改变到0V并且反之亦然，然后从0V改变到负2V并且反之亦然，然后从负2V改变到负4V并且反之亦然，然后从负2V改变到0V并且反之亦然，然后从0V改变到正2V并且反之亦然，然后从正2V改变到正4V并且反之亦然。在这种情况下，在负载4中仅仅产生和耗散0.2瓦特开关功率。于是，开关放大器2和3中的总功耗等于1.0+0.2＝1.2瓦特。其原因在于：电压摆动已经被进一步减小。

电压电源13的电压值最小为电压电源11的25％以及最大为电压电源11的75％。地面12的电压值最小为电压电源11的负25％以及最大为电压电源11的正25％。优选的是(最小功耗)，电压电源13的电压值大约是电压电源11的电压值的50％并且地面12的电压值大约为零，从而在负载4中获得最小开关功率耗散。

优选但并非专有地，开关放大器2和3是典型的D类放大器，并且控制器2被设置为控制开关电路3，其中，该开关电路3根据输入信号对跨越负载4的电压信号进行脉宽调制。此外，根据本发明的装置1的另一个优点在于：总功耗被减小，这会实现每个电池的较长播放时间。

当然，当跨越负载4引入至少四种状态以及至少四种不同电压信号时，与现有技术三个选择情形相比较，电压摆动已经被减小，并且开关功率已经被减小。在那种情况下，电压电源13的电压值能够例如是电压电源11的电压值的25％到40％例如是33％，用于跨越负载4引入：a)电压电源11的值；b)这个值的正33％；c)这个值的负33％；以及d)这个值的相反值。此外，尽管一边的开关31和35以及另一边的开关32和36分别连接到相同电压电源11和13，但是可以引入彼此不同的电压电源。这处于控制器2能控制开关电路3以在第一、第二、第三以及第四状态中跨越负载4分别引入第一、第二、第三以及第四电压信号的条件下，其中，第一、第二、第三以及第四电压信号彼此不同。从而，开关放大器2和3被设置为在引入相邻电压信号的每对状态之间进行切换。这些电压信号具有相邻电压等级。

图5所示的根据本发明的控制器2的可能实施例包括用于接收差分输入信号(相同绝对值，不同符号)的输入端21和22。输入端21经由电阻器23连接到放大器29的反相输入端，输入端22经由电阻器24连接到放大器29的非反相输入端。此外，这个放大器29接收共模电压56，该共模电压56用于在这个共模电压56周围定输入信号中心。放大器29的反相输入端还经由电阻器25连接到负载4的第一端41以及经由电容器27连接到放大器29的非反相输出端，并且放大器29的非反相输入端还经由电阻器26连接到负载4的第二端42以及经由电容器28连接到放大器29的反相输出端。

在放大器29的非反相输出端，存在输出信号54并被提供到比较器41和42的非反相输入端。在放大器29的反相输出端，存在输出信号55并被提供到比较器43和44的非反相输入端。比较器41的反相输入端接收锯齿波信号52，比较器43的反相输入端接收锯齿波信号53，以及比较器42和44的反相输入端接收锯齿波信号51。图6中示出了信号51-55(x轴表示时间，y轴表示以V表示的幅值)。

比较器41的输出经由电平转换器和缓冲器控制诸如例如开关电路3中的晶体管的开关31，并且还经由反相器45连接到AND门46的输入端，并且还连接到NOR门47的输入端。这个AND门46的输出端控制诸如例如开关电路3中的晶体管的开关35。放大器42的输出连接到AND门46的另一输入端以及NOR门47的另一输入端。这个NOR门47的输出经由电平转换器以及缓冲器控制诸如例如开关电路3中的晶体管的开关33。比较器44的输出端经由电平转换器和缓冲器控制诸如例如开关电路3中的晶体管的开关32，并且还经由反相器49连接到AND门50的输入端，并且还连接到NOR门48的输入端。这个AND门50的输出端经由电平转换器和缓冲器控制诸如例如开关电路3中的晶体管的开关36。比较器43的输出端连接到AND门50的另一输入端以及NOR门48的另一输入端。这个NOR门48的输出端经由电平转换器和缓冲器控制诸如例如开关电路3中的晶体管的开关34。

输出信号是差分输出信号。该输出信号经由电阻器25和26被检测到并且被从具有相反极性的差分输入信号提取出。从而，该输出信号被加入到具有相同极性的差分输入信号。通过低通滤波器对作为该输入信号和该输出信号的组合的误差信号进行求平均，这里，围绕放大器29以及电容器27和28建立有源一阶RC积分器。这允许对输出脉宽调制信号分量求平均，并且从这个输出的脉宽调制信号提取需要的音频信号。换言之，该积分器的输出是误差信号，但是在关心的频带(音频带)内。

更加一般地，在差分输入端21和22以及差分输出端41和42之间存在模拟环并且包括电阻器25和26，以及存在数字环并且包括放大器29、比较器41-44、电路45-50以及开关31-36。可以引入这两个环的许多替代。

如下所解释，差分积分器输出与一组三个内部信号52(上锯齿波)、51(锯齿波)和53(下锯齿波)进行比较。这些比较的结果被组合并且被用于驱动开关31-36。这些开关驱动器是基本开关驱动器，并且包括电平转换器和高速门驱动器。这些开关通常是NMOS和PMOS。对于其驱动信号必须具有反相极性的PMOS的情况，附加反相器必须被插入在驱动通道中。

这些开关31-36将负载的端41和42连接到电压电源11或13或者连接到地面12。信号51、52和53是内部产生的三个锯齿波。对于输出开关周期Tpwm，这些锯齿波的周期是2*Tpwm。所有这三个锯齿波具有相同频率并且具有不需要彼此相匹配的恒定相位。在图6中，按照积分器的输出绘制这些锯齿波的定时图。这些输出示出了被平均以后的脉宽调制信号(但具有较小波纹，这是因为这些积分器不能够去除所有的开关功率，可通过使用更加精巧的滤波器和/或积分器来容易地对其进行改进)。

由于现代移动电话的特征在于大输出功率的立体声音频应用，所以本发明可以用于市场上的所有手机。这个发明以最多一个线圈的代价(用于通过例如DCDC变换器从电压电源11导出电压电源13)向用户提供一种音频放大器，该音频放大器与任何扩音器一起工作，其功耗为现有放大器的1/3，并且在该扩音器中其耗散为竞争对手的无滤波器型D类放大器的1/7。

应该注意到，上述实施例示出本发明而非限制本发明，并且在不脱离权利要求的范围的情况下，本领域技术人员能够设计许多其它实施例。在权利要求中，位于括号内的任何参考标记不应该解释为对本发明的限制。动词“包括”及其变化的使用并不排除不同于权利要求中陈述的那些部件或步骤的存在。部件之前的词语“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以由包括几个不同部件的硬件以及合适地进行编程的计算机来实现。在列出几个装置的装置权利要求中，这些装置中的几个可以由硬件的一个以及相同项来实现。仅仅某些测量被引入在彼此不同的从属权利要求中的事实并不表示不能够有利地利用这些测量的组合。

Claims (12)

1.一种装置(1)，所述装置(1)包括开关放大器(2，3)和负载(4)，所述开关放大器(2，3)包括控制器(2)，所述控制器(2)用于控制开关电路(3)从而分别在第一、第二、第三和第四状态下跨越负载(4)分别引入第一、第二、第三和第四电压信号，其中，所述第一、第二、第三和第四电压信号彼此不同。

2.如权利要求1所述的装置(1)，所述控制器(2)被设置为控制所述开关电路(3)以根据输入信号对所述电压信号进行脉宽调制。

3.如权利要求1所述的装置(1)，所述控制器(2)被设置为控制所述开关电路(3)从而在第五状态下跨越所述负载(4)引入第五电压信号，其中，所述第五电压信号与所述第一、第二、第三和第四电压信号不同。

4.如权利要求3所述的装置(1)，所述第一电压信号具有正第一值，所述第二电压信号具有负第一值，所述第三电压信号具有正第二值，所述第四电压信号具有负第二值，以及所述第五电压信号具有第三值，其中，所述第一和第二以及第三值彼此不同。

5.如权利要求4所述的装置(1)，所述正和负第二值最小分别是所述正和负第一值的25％、最大分别是所述正和负第一值的75％，并且所述第三值最小是所述正第一值的-25％、最大是所述正第一值的25％。

6.如权利要求1所述的装置(1)，所述开关电路(3)包括三个开关(31，33，35)以及另外三个开关(32，34，36)，其中，所述三个开关(31，33，35)用于将所述负载(4)的一端分别连接到三个电压端子(11，12，13)，所述另外三个开关(32，34，36)用于将所述负载(4)的另一端分别连接到所述三个电压端子(11，12，13)。

7.如权利要求1所述的装置(1)，所述开关放大器(2，3)是D类放大器。

8.一种开关放大器(2，3)，所述开关放大器(2，3)包括控制器(2)，所述控制器(2)用于控制开关电路(3)从而分别在第一、第二、第三和第四状态下跨越负载(4)分别引入第一、第二、第三和第四电压信号，其中，所述第一、第二、第三和第四电压信号彼此不同。

9.一种控制器(2)，所述控制器(2)用于开关放大器(2，3)，所述开关放大器(2，3)包括所述控制器(2)，所述控制器(2)用于控制开关电路(3)从而分别在第一、第二、第三和第四状态下跨越负载(4)分别引入第一、第二、第三和第四电压信号，其中，所述第一、第二、第三和第四电压信号彼此不同。

10.一种开关电路(3)，所述开关电路(3)用于开关放大器(2，3)中，所述开关放大器(2，3)包括控制器(2)，所述控制器(2)用于控制开关电路(3)从而分别在第一、第二、第三和第四状态下跨越负载(4)分别引入第一、第二、第三和第四电压信号，其中，所述第一、第二、第三和第四电压信号彼此不同。

11.一种开关放大方法，所述开关放大方法包括如下步骤：

控制开关电路(3)从而分别在第一、第二、第三和第四状态下跨越负载(4)分别引入第一、第二、第三和第四电压信号，其中，所述第一、第二、第三和第四电压信号彼此不同。

12.一种开关放大处理器程序产品，所述开关放大处理器程序产品包括如下功能：

控制开关电路(3)从而分别在第一、第二、第三和第四状态下跨越负载(4)分别引入第一、第二、第三和第四电压信号，其中，所述第一、第二、第三和第四电压信号彼此不同。

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