CN101567668A

CN101567668A - 应用于d类放大器的电压检测式过电流保护装置

Info

Publication number: CN101567668A
Application number: CNA2008100935653A
Authority: CN
Inventors: 郑期成; 黄至瑛
Original assignee: HUAXUN ELECTRONIC ENTERPRISE CO Ltd
Current assignee: HUAXUN ELECTRONIC ENTERPRISE CO Ltd; C Media Electronics Inc
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-10-28

Abstract

本发明提供了一种电压检测式的过电流保护装置，其包括：时钟逻辑模块(42)、数字功率放大器、第一电压比较器(48)和第二电压比较器(50)、电压参考电路(52)、数字电压弹跳消除模块(54)、以及过电流保护模块(56)。本发明所述装置可应用于CMOS晶体管音频信号D类放大器输出级。本发明是利用输出电压监测方式，间接判断输出电流是否有过大。一旦检测到电流过大，将关闭输出级晶体管，停止大电流继续产生而防止烧毁，从而避免D类音频放大器因为要驱动高负载喇叭，而需要大电流的驱动装置，当负载发生短路时容易因电流过大而降驱动器烧毁的情况。

Description

应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置

技术领域

本发明涉及一种过电流保护装置，尤其涉及一种应用于输出只有两种状态(1或0)，功率转换效率高的D类放大器或一般脉宽调制系统输出的电压检测式过电流保护装置。

背景技术

如图1所示，一般D类放大器的电流检测是以电流感应器(current sensor)为主，此电流感应器利用电流镜12将输出电流以非常小比例复制在另一路电流源。过电流保护即是一直检测此电流值是否超过设定的极限值。这样的架构通常至少需要一个运算放大器16与一个电流比较器14，在集成电路的实现上会较为复杂，较占面积且较耗电。

传统CMOS的D类放大器如图2所示，音频信号经由音频放大器18放大后输出至比较器20，比较器20将三角波产生器22与放大后的音频信号输出到时钟逻辑模块24，以CMOS晶体管26作为输出级，CMOS晶体管26的输出端搭配由电容30及电感28所形成的滤波电路，最后连接到扬声器32。

另一种检测及保护电路，如台湾专利公告560125号「脉宽调制放大器的晶体管用的电流检测及过电流保护」，其权利要求4提出一种过电流保护电路，可应用于切换电路，利用至少切换晶体管，以供应预定负载电流至负载，此过电流保护电路包括取样保持电容器、开关、过电流决定装置、控制器。所述取样保持电容器，用于暂时保持导通的该切换晶体管的端点电压；所述开关，是嵌入在该切换晶体管与该取样保持电容器之间且其会控制为与该切换晶体管的导通时序同步导通；所述过电流决定装置，用于决定对应于该取样保持电容器的充电电压的检测电压(VS1)是否超过预先设定的参考电压(VREF)；所述控制器，当该检测电压超过该参考电压时，用于强迫地关闭基于该过电流决定装置的输出的该切换晶体管。由上述可知，本发明提供的过电流保护电路主要是利用取样保持电路检测过电流的发生。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，针对后级的大电流驱动器做过电流的保护，其包括：时钟逻辑模块，用于接收脉宽调制信号；数字功率放大器，包括PMOS电晶体和NMOS电晶体，PMOS电晶体的栅极和NMOS电晶体的栅极分别连接至时脉逻辑模块；第一电压比较器和第二电压比较器，分别与数字功率放大器的输出端连接；电压参考电路，用于设定两个参考电压，分别与第一电压比较器和第二电压比较器连接，用于向第一电压比较器和第二电压比较器提供参考电压；数字电压弹跳消除模块，其输入端分别与第一电压比较器和第二电压比较器的输出端连接；以及过电流保护模块，其输入端与数字电压弹跳消除模块连接，其输出端与时钟逻辑模块连接。

本发明的另一目的在提供一种应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，其设计在集成电路的实现上更是简单、所占用的面积较低、且更是省电。

本发明是提供一种应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，其是针对后级的大电流驱动器做过电流的保护。是驱动高负载的扬声器并提供足够电流，驱动级通常由大面积的PMOS及NMOS所组成。由于D类放大器的输出数字0与1是脉宽调制(PWM)信号，所以输出级的PMOS晶体管与NMOS晶体管是一开一关或一关一开信号。

与现有技术相比，本发明针对后级的大电流驱动器做过电流的保护，由于架构简单因此在集成电路的实现上较现有技术将更为简捷、所占用的面积较低、且更为省电。

附图说明

图1是现有技术的电路示意图；

图2是现有技术的电路示意图；

图3是本发明的电路示意图图；

图4是本发明的输出过电流的示意图；

图5是本发明的第一电压比较器过电流检测示意图；

图6是本发明的第二电压比较器过电流检测示意图。

附图标记说明：12-电流镜；14-电流比较器；16-运算放大器；18-音频放大器；20-比较器；22-三角波产生器；24-时钟逻辑；26-CMOS晶体管驱动级；28-电感；30-电容；32-扬声器；42-时钟逻辑模块；44-PMOS晶体管；46-NMOS晶体管；48-第一电压比较器；50-第二电压比较器；52-电压参考电路；54-数字电压弹跳消除模块；56-过电流保护模块。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图3，是D类放大器的输出级。声音信号经过转换为脉宽调制信号(即是D类放大器的输出)，经过时钟逻辑模块42，转换成非重叠时钟信号控制输出级PMOS晶体管44、NMOS46，作为开关用并可推动扬声器等负载。CMOS晶体管包括PMOS晶体管44及NMOS晶体管46，其中PMOS晶体管44的栅极及NMOS晶体管46的栅极分别连接至时钟逻辑模块42(电源电压表示是VDD)。整个CMOS晶体管的输出端连接到第一电压比较器48、第二电压比较器50。

电压参考电路52，分别与第一电压比较器48及第二电压比较器50连接，电压参考电路52依据短路电流的设定值，设定两个不同的参考电压供第一电压比较器48及第二电压比较器50参考。数字电压弹跳消除(Debounce)模块54的输入端分别与第一电压比较器48及第二电压比较器50的输出端连接。过电流保护模块56的输入端则与数字电压弹跳消除模块54连接，过电流保护模块56的输出端与时钟逻辑模块42连接。

过电流保护装置的基本原理是当发生过电流时，表示输出对电源或地有极小电阻，输出电压会受到极大的向上或向下的牵引。此时输出电压将不会是理想的VDD或0电位，而是介于二者VDD与0之间的电压，了解整个系统操作先要导出输出电流与电压关系。

输出入电流与电压，请参照图4，VDD表示电源的电压值，PMOS晶体管导通电阻表示是RON_P，NMOS晶体管导通电阻表示是RON_N，外部负载电阻表示是RLOAD，RSC表示是短路电阻，输出电压表示是VOUT，输出电流表示是IOUT，输入电流表示是IIN。

可分为两种状况作讨论：

第一种：PMOS晶体管44导通NMOS晶体管46关闭

IOUT＝VDD/(RLOAD+RON_P)；

正常状况：RSC短路电阻不存在且RLOAD＞＞RON_P：

VOUT＝VDD×RLOAD/(RLOAD+RON_P)＝VDD。

过电流发生：RSC＝0，REQ＝(RSC//RLOAD)表示是RSC与RLOAD的并联电阻，因此REQ＝0

VOUT＝VDD×REQ/(REQ+RON_P)＜VDD。即RSC越小表示VOUT也会越小。

第二种：PMOS晶体管44关闭NMOS晶体管46导通：

正常状况：

RSC不存在VOUT＝0。

过电流发生：

RSC＝0且假设RN＝RON_N//RLOAD(并联电阻)；

IIN＝VDD/(RSC+RN)；

VOUT＝VDD×RN/(RN+RSC)＞0。即RSC越小表示VOUT也会越大。

短路电流的大小即可从输出电压大小换算出来，因此可以由短路预先设定的临界电流换算成电压做是第一电压比较器48及第二电压比较器50的参考点。当第一电压比较器48或第二电压比较器50输出是长时间输出是1时，信号经过数字电压弹跳消除模块54后仍将表示是1，表示是过电流警告，此时过电流保护模块56会接到警示将关闭PMOS晶体管44与NMOS晶体管46，停止大电流继续产生而防止烧毁。

对PMOS晶体管44的过电流保护，请参考图5：时钟逻辑模块42可控制功率放大器输出是1或0。当预期CMOS的信号输出1时第一电压比较器48开始动作，此时由时钟逻辑模块发出使能(Enable)信号给第一电压比较器48，当预期CMOS的信号输出0时第一电压比较器48则不动作。由第一电压比较器48可以检测电压是否被向下拉，低于参考电压。若低于参考电压，则比较器将输出是1，表示有过电流产生。

对NMOS晶体管46的过电流保护，请参考图6：当预期数字功率放大器CMOS的信号输出是0时第二电压比较器50开始动作，此时由时钟逻辑模块42发出使能(Enable)信号给第二电压比较器50，当预期数字功率放大器的信号输出1时，第二电压比较器50则不动作。由第二电压比较器50可以检测电压是否被向上拉，高于参考电压。若高于参考电压，则比较器将输出是1，表示有过电流产生。

由于功率放大器输出由1转0或0转1过程中电源上可能有瞬间的电压弹跳，电压弹跳可能会导致比较器因瞬间电源不稳定造成误动作，因此用数字电压弹跳消除模块54是是消除比较器输出极短时间(100～300纳秒)是1的逻辑，其中，极短时间的范围为100纳秒-300纳秒，只允许较长时间1的逻辑通过，此避免不稳定所造成的误判动作。电压比较器长时间输出是1时，信号经过数字电压弹跳消除模块54后仍将表示为1，此时过电流保护模块56会将CMOS晶体管44与NMOS晶体管46关闭，停止大电流继续产生。

综上所述，本发明针对后级的大电流驱动器做过电流的保护，本发明所述电压检测式过电流保护装置的输出信号类型与脉宽调制系统的输出信号类型相同，可应用于一般脉宽调制输出系统的保护装置。由于架构简单因此在集成电路的实现上较现有技术将更为简捷、所占用的面积较低、且更为省电。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，包括：

时钟逻辑模块，用于接收脉宽调制信号；

数字功率放大器，包括PMOS电晶体和NMOS电晶体，PMOS电晶体的栅极和NMOS电晶体的栅极分别连接至时脉逻辑模块；

第一电压比较器和第二电压比较器，分别与数字功率放大器的输出端连接；

电压参考电路，用于设定两个参考电压，分别与第一电压比较器和第二电压比较器连接，用于向第一电压比较器和第二电压比较器提供参考电压；

数字电压弹跳消除模块，其输入端分别与第一电压比较器和第二电压比较器的输出端连接；以及

过电流保护模块，其输入端与数字电压弹跳消除模块连接，其输出端与时钟逻辑模块连接。

2.如权利要求1所述的应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，其特征在于，当所述数字功率放大器的输出信号是1时，时钟逻辑模块启动第一电压比较器，检查其输出值是否低于参考电压，若是则输出是1；当所述数字功率放大器的信号的输出是0时，时钟逻辑模块关闭第一电压比较器。

3.如权利要求1所述的应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，其特征在于，当所述数字功率放大器的信号的输出是0时，时钟逻辑模块启动第二电压比较器，检查其输出值是否高于参考电压，若是则输出是1；当所述数字功率放大器的信号的输出是1时，时钟逻辑模块关闭第二电压比较器。

4.如权利要求1所述的应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，其特征在于，第一比较器、第二比较器的输出连接至数字电压弹跳消除模块，数字电压弹跳消除模块用于消除第一比较器、第二比较器输出时间是1的逻辑，。

5.如权利要求1所述的应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，其特征在于，过电流保护模块用于接收数字电压弹跳消除模块的信号，所述信号是1时则传送高阻抗指令给时钟逻辑模块，将PMOS晶体管和NMOS晶体管关闭。

6.如权利要求1所述的应用于D类放大器的电压检测式过电流保护装置，其特征在于，所述应用于D类放大器的电压式过电流保护装置的输出信号类型与脉宽调制系统的输出信号类型相同，应用于脉宽调制系统的保护装置。