CN101529717B - 升压级 - Google Patents

Abstract

本发明涉及升压级(100)，包括：第一电容电压电路(S1、S2、S3、S4、C0、Cb)，其耦接到电源(Vs)，并在一个输出端提供输出电压。该升压级还包括第二电容电压电路(S5、S6、S7、S8、C1、Cb)，其耦接到电源(Vs)，并在另一输出端提供另一输出电压。所述输出端和所述另一输出端耦接在一起，并且还与功率级(S9、S10)的电源端耦接，从而实现两电平升压功率级。

Description

升压级

技术领域

本发明涉及升压级和包括这种升压级的功率放大器。

背景技术

包括开关式功率级的D类放大器由于其效率而有很多应用。这种放大器的输出信号是脉宽调制(PWM)信号，所述输出信号被低通滤波从而获得经放大的模拟信号。为了减少高频内容并且简化滤波，可使用更加接近地表示了输入信号的多电平PWM信号。为了用多电平PWM信号来驱动负载，需要可再现多输出电平的输出级。可被传送给扬声器负载的功率量取决于可用电源电压和扬声器负载阻抗。在以下的式1中计算了可被传送给该负载的最大正弦波功率，其中，Vs表示设置了正弦波的最大幅度的电源电压，并且Rload表示负载阻抗。

$\mathrm{Pload}=\frac{{V_s}^2}{2\mathrm{Rload}}---\left(1\right)$

为了提高可被传送给负载的功率量，可提高电源电压或降低负载阻抗，或者可使用这二者的结合。扬声器负载阻抗不可能无限小，而且可用电源电压通常是固定的。这尤其存在于便携装置中，其中电源是具有给定单元电压的电池。为了提高可被传送给负载的功率量，电源电压必须升高。其后，D类放大器的开关式功率级其后根据具有电压值NVs的升压电源而工作，如图1所示。当电源电压例如被翻倍，即N＝2时，那么可被传送给扬声器负载的最大功率为原来的4倍。升高电源电压的普通方式是使用电感式DC/DC变换器。但是，线圈是一种非常不令人满意的元件。线圈昂贵并且具有较大的占地。因此，用于升压的电容式DC/DC变换器是优选的。

已知的用于升高电源电压的使用了电容器的电路是电荷泵。此电容式倍压器电路具有两种状态，并且通过操作开关而在这两种状态之间连续切换。在第一状态下，电容器C0被充电到电源电压Vs。在对电容器C0充电的同时，缓冲电容器Cb将电流传送给负载并且放电。因为与负载并联的电容器Cb放电，所以输出电压下降。在输出电压下降到某一值之后，电路被切换到第二状态。电容器C0与电源电压串联连接。因为C0和Cb间某些电荷重新分配，所以输出电压将低于2Vs。在切换之后，两个电容器C0和Cb都放电，并且输出电压下降。在输出电压下降到某一值之下之后，电路被再次切换到前一状态。可区分开输出电压中的两个不同斜率。与由并联电容器C0和Cb提供负载电流的第二状态相比较，在第一状态下，只有缓冲电容器Cb提供全部负载电流，从而导致输出电压较快地下降。当电容式倍压器电路由于在第一状态下电容器Cb必须传送的另外的负载电流而被从第二状态切换到第一状态时，与电容器Cb串联的电阻将导致输出电压中另外的电压阶跃。

为了避免这个问题，可使用如图2所示的双相电容式电路。在图2中，可容易地观察到上述符号。该双相电容式电路也具有两种状态，并且其通过操作开关在这两种状态间连续切换。在该双相电容式电路中，两个电容器C0和C1被开关接入。在第一状态下，电容器C0被充电到电源电压，并且电容器C1与电源串联并与电容器Cb并联。在第二状态下，电容器C0和C1的功能互换。现在，电容器C1被充电到电源电压，并且电容器C0与电容器Cb并联。在这两种状态下，均存在一个与Cb并联的电容器，并且这两种状态下输出电压降的斜率相等。

发明内容

因此，需要提供一种升压级，该升压级具有数量减少了的元件，并且没有电感器。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。

通过以下升压级来限定该目的，所述升压级包括：

第一电容电路，其耦接到电源，并在一个输出端提供输出电压，

第二电容电路，其耦接到电源，并在另一输出端提供另一输出电压，其中

所述输出端和所述另一输出端耦接在一起，并且还与半桥功率级的电源端耦接，从而实现两电平升压功率级。

为了减少元件数量，省略电容器Cb。在本发明的一个实施例中，每一电容电路均包括：第一开关，其具有与电源的负端耦接的各自的第一端，和与第二开关的耦接的各自的第二端；第二开关，其具有与第一开关各自的第二端耦接并另外与电容器各自的第一端耦接的第三端，所述电容器的第二端与第三开关各自的第四端耦接并且与第四开关各自的第五端耦接，第四开关还与各个电容电路各自的输出端耦接。

在本发明的另一实施例中，升压级还包括耦接在输出节点与电源的正端之间的第五开关、耦接在输出节点与电源的负端之间的第六开关、以及连接在电容电路的输出端与输出节点之间的第七开关，从而实现三电平电源升压功率级。

在优选实施例中，功率级仅包括两个电容电路和第六开关。该功率级的优点是减少了三电平功率级的开关数量而不会影响电路的性能。

在本发明的另一实施例中，第四开关之一包括至少两个具有不同等效电阻的开关，从而获得在电路的不同状态下的等效电阻之间的平衡。

在本发明的一个实施例中，桥接式负载电源升压功率级包括两个电容电路。另外，每一电容电路均至少包括第四开关，每一第四开关均包括多个具有不同面积的开关。第四开关部分，即，每一升压级的多个开关中的一些开关，以不同方式彼此连接，用于获得相等的输出电阻。

附图说明

本发明的上述和其他优点将通过示例性描述和附图变得更清楚，其中：

图1示出了一种电源升压D类放大器，

图2示出了现有技术的双相电容式倍压器，

图3示出了根据本发明的两电平电源升压功率级，

图4示出了根据本发明的一个实施例的三电平电源升压功率级，

图5示出了根据本发明的三电平电源升压功率级的另一实施例，

图6示出了根据本发明的三电平升压功率级的另一实施例，

图7示出了根据本发明的五电平电源升压功率级，

图8示出了根据本发明的五电平电源升压功率级的实施例，以及

图9示出了根据本发明的一个实施例的桥接式负载电源升压功率级。

具体实施方式

图3中示出了实现升压级的方式，其中，虚线框中的电路在节点Vb处产生了两倍于电源电压的电压。电容式倍压器电路连续进行切换。现在，通过使开关S9导通来将输出切换到地电平0，并且可通过使开关S10导通来将输出切换到等于电源电压的两倍的电平2Vs。电源电压Vs还可被用来产生另外的输出电平以实现三电平功率级。

为了产生等于Vs的输出电平，如图4所示需要另外的开关。现在，可通过使开关S9导通来将输出切换到地电平0，并且可通过使开关S11导通来将输出切换到等于电源电压Vs的电平，并且可通过使开关S10导通来将输出切换到等于电源电压的两倍的电平2Vs。为了三电平功率级的线性传输，重要的是电压电平阶跃为等距，并且每一电压电平的输出阻抗相等。由开关阻抗S9和S11来分别确定低地电平和Vs电平的输出阻抗。通过串联连接电容式倍压器输出阻抗和开关S10的阻抗来设置2Vs电平的输出阻抗。当C0和C1的电容值和开关电阻是固定值时，电容式倍压器阻抗取决于开关切换频率。当开关切换时间周期大于由电容器和开关电阻设置的时间常数τ时，输出阻抗与fC成反比。当开关切换时间周期小于时间常数τ时，输出阻抗等于单个开关阻抗Rs的四倍，假定开关S1至S8的阻抗彼此相等。电容式倍压器输出阻抗的下限是4Rs。假设开关S1至S8和S10具有相同的阻抗，则需要一个单开关阻抗，其比开关S9和S11的开关阻抗低5倍。这些开关通常由晶体管实现，但是还可由例如MEMS实现。串联连接晶体管提高了欧姆电阻。在不利增大晶体管面积的情况下，串联晶体管的欧姆电阻可被形成为等于单个晶体管的欧姆电阻。但是，面积增大导致了较大的开关损耗。

图5示出了功率级的改进实现方式，在该功率级中，2Vs的输出阻抗仅由电容式倍压器阻抗确定。现在，仅当需要产生两倍于电源电压的输出电平时电容式倍压器才工作，这就消除了对另外的串联开关的需要。当产生了值为0或Vs的电平时，开关S1至S8被断开并且电容器C0和C1保持浮动。为了产生值为Vs的输出电平，可使用开关对S2，S4或S6，S8来更进一步减少开关次数。现在，电平Vs的输出阻抗不再匹配。假设开关S1至S8相等，并且被按比例排列以获得2Vs输出电平的输出阻抗R。而且，开关切换时间周期被选择为比τ小很多。于是每一开关S1至S8的阻抗为1/4R。现在使用开关对S2，S4或S6，S8来产生值为Vs的电平会导致输出阻抗为1/2R。为了获得匹配的输出阻抗，开关对S2，S4中或S6，S8中的一个开关可被分开为两个并联开关。

图6中示出了使用开关对S2，S4、并且S4被分开为两个并联开关S4a和S4b的情况。开关S4a被用于产生输出电平Vs。为了得到针对电平Vs的输出阻抗匹配，开关S4a必须等于3/4R，三倍于S4的原始阻抗。为了产生电平2Vs，并联使用两个开关S4a和S4b。S4a和S4b的并联组合必须具有1/4R的阻抗，因此，S4b的阻抗必须为S4的原始开关阻抗的一倍半。于是电平2Vs的阻抗也是R，并且与其他电平的阻抗相匹配。被用作开关的MOS晶体管的阻抗与面积成反比，假设长度固定并且仅仅宽度可缩放。阻抗提高导致面积减小。假设开关S4占据了面积A，则开关S4a和S4b分别占据了1/3A的面积和2/3A的面积。开关S4a和S4b的并联组合所占据的总面积等于原始开关S4的面积。

可以使用如图9所示的桥接式负载(BTL)构造的两个三电平电源升压功率级来构建五电平电源升压功率级。在图9中，负载Z1的一端耦接到功率放大器200的输出端，每一功率放大器200都是电源升压型D类放大器。每一功率放大器均包括与半桥式功率级1耦接的倍压器100。可使用两个倍压器，每一倍压器均包括两个电容电路。图7示出了仅使用单个倍压器的优化的五电平电源升压功率级。并联开关S4n，S4p和S8n，S8p分别允许两倍的电源电压切换到输出Vo，p和Vo，n。将公共电压添加到输出Vo，p和Vo，n不会改变差动输出。表1示出了9种产生差动五电平输出信号的可能方式。

电平	Vo，p	Vo，n	Vo
				-1	0	2Vs	-2Vs
-1/2	0	Vs	-Vs
				0	Vs	Vs	0
1/2	Vs	0	Vs
				1	2Vs	0	2Vs

表1产生差动五电平输出信号的可能方式

在该电路中，针对具有2Vs的公共信号的0电平输出的电容式倍压器的输出阻抗不能被制成等于其它电平的输出阻抗，应该避免这种状态。对于五电平功率级，还可再使用电容电路的开关。

这在图8中示出。开关S4n和S8p被分开以保证不同电平的输出阻抗相等。不能实现表1中的输出电平组合，在表1中，在一个输出端需要电平Vs，在另一输出端，需要电平2Vs。用一个输出端的Vs电平和另一输出端的0电平的组合来产生电平±Vs。

注意，本发明的保护范围不被限制为在此描述的实施例。而且本发明的保护范围不被权利要求中的标号限制。词“包括”并不排除权利要求中所述部分以外的其它部分。元件之前的词“一个”并不排除存在多个这样的元件。形成了本发明的一部分的装置可以被以专门硬件的形式或以编程用处理器的形式实现。本发明由每一新特征或特征组合来体现。

Claims (9)

1.一种升压级(100)，包括：

第一电容电压电路(S1，S2，S3，S4，C0)，其耦接到电源(Vs)，并在一个输出端提供输出电压，

第二电容电压电路(S5，S6，S7，S8，C1)，其耦接到电源(Vs)，并在另一输出端提供另一输出电压，

其中所述输出端和所述另一输出端耦接在一起，并且还与功率级(S9，S10)的电源端耦接，从而实现两电平电源升压功率级，

其中，每一电容电压电路均包括：

第一开关(S1；S5)，其具有与电源(Vs)的负端耦接的各自的第一端，和与第二开关(S3；S7)耦接的各自的第二端；

第二开关(S3；S7)，其具有与第一开关(S1；S5)各自的第二端耦接并另外与电容器(C0；C1)各自的第一端耦接的第三端，

所述电容器的第二端与第三开关(S2：S6)各自的第四端耦接并且与第四开关(S4；S8)各自的第五端耦接，

第四开关(S4；S8)还与各个电容电压电路各自的输出端耦接，

其中所述第二开关具有与电源(Vs)的正端耦接的第六端，并且所述第三开关(S2；S6)具有与电源(Vs)的正端耦接的第七端。

2.如权利要求1所述的升压级(100)，还包括耦接在所述功率级(S9，S10)与电源(Vs)的正端之间的第五开关(S11)，从而实现三电平电源升压功率级。

3.如权利要求1所述的升压级(100)，其中，所述功率级包括耦接在所述功率级的输出端与电源(Vs)的负端之间的第六开关(S9)。

4.如权利要求1所述的升压级(100)，其中，所述第四开关之一包括至少两个具有不同等效电阻的开关(S4a、S4b)。

5.一种桥接式负载电源升压功率级，包括两个如权利要求1所述的电容电压电路。

6.如权利要求5所述的桥接式负载电源升压功率级，其中，每一电容电压电路均至少包括第四开关(S4；S8)，每一第四开关均包括多个具有不同面积的开关。

7.如权利要求5或6所述的桥接式负载电源升压功率级，其中放大器还包括第一对开关(S10，S12)，第一对开关耦接在放大器的输出(Vop、Von)与为放大器供电的电源(Vs)的负端之间。

8.如权利要求7所述的桥接式负载电源升压功率级，其中，功率放大器还包括第二对开关(S11、S13)，第二对开关耦接在放大器的输出(Vop，Von)与为放大器供电的电源(Vs)的正端之间。

9.一种D类功率放大器电路，包括开关式功率放大器(1)，该开关式功率放大器通过如前述任一权利要求所述的升压级(100)来耦接到电源(Vs)。

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