CN101599746A - H桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种H桥，其包括开关sw1、开关sw2、开关sw3、开关sw4、开关sw5、正向输出端voutp和负向输出端voutm，每个开关都有控制信号，正向输出端voutp介于开关sw1和开关sw2之间，负向输出端voutm介于开关sw3和开关sw4之间，开关sw5介于正向输出端voutp和负向输出端voutm之间。采用本发明H桥的技术方案能够获得高功耗效率和高抗电磁干扰力。

Description

H桥

技术领域

本发明涉及开关放大器，尤指一种H桥。

背景技术

H桥是一种可以控制电流流出方向及电流输出导通时间长短的电子线路。H桥可应用于音频放大器中，更普遍地应用在D类放大器中。如图1所示，是一个传统D类放大器，其主要由比较器1及H桥2组成，其中，H桥2包括四个开关，H桥2的两个输出端则外接到喇叭3或者负载3。为了方便说明，本文将H桥2正向输出端称为voutp、负向输出端称为voutm，介于电源和正向输出端的开关称为sw1，正向输出端及地之间的开关称为sw2，电源及负向输出端间的开关称为sw3，负向输出端及地之间的开关称为sw4。开关音频信号vin及脉宽调制(PWM)所需的参考信号分别由比较器1的两端输入，比较器1比较这两个信号的大小，然后将比较结果送到H桥2，H桥2根据该比较结果来回地将外接喇叭3的输入切换到电源或地。

为了消除噪声，H桥在接入负载之前要通过滤波器，图2A是接入了滤波器的H桥，图2B是具有图2A的传统D类放大器的逻辑切换时序图。如图2A所示，在H桥的正向输出端Voutp和负载3之间接入滤波器组件L1和C1，在负向输出Voutm与负载3之间接入滤波器组件L2和C2。如图2B，当音频信号Vin大于参考信号(参考信号可以为锯齿波或三角波)时，H桥的开关sw1及sw4被导通而开关sw2及sw3被断开，此时电流流经路径一，路径一是由电源、开关sw1、正向输出端voutp、外接滤波器组件L1和C1、负载3、外接滤波器组件L2和C2、负向输出端voutm、开关sw4及地所组成，这时正向输出端voutp会被拉到电源而负向输出端voutm则被拉到地。反之，当音频信号小于参考信号时，开关sw2及sw3被导通而开关sw1及sw4被断开，电流会流经路径二，类似于路径一，路径二是由电源、开关sw3、voutm、外接滤波器组件L2和C2、负载3、外接滤波器组件L1及C1、voutp、开关sw3及地组成，正向输出端voutp会被拉到地而负向输出端voutm则被拉到电源。

由此可知，当音频信号Vin大于参考信号的中间值时，路径一会有超过半个参考信号周期的时间处在导通状态，而路径二有少于半个参考信号周期的时间处在导通状态，所以正向输出端voutp有较长的时间被拉到电源，负向输出端voutm有较短的时间被拉到电源，平均下来，差分输出voutp-voutm为正的。当音频信号Vin小于参考信号的中间值时，在一个参考周期内，路径一会比路径二有较少的时间处于导通状态，正向输出端voutp比负向输出端voutm有较短的时间被拉到电源，平均输出为负。当音频信号Vin接近于参考信号的中间值(相当于差分音频信号接近零时)路径一及路径二分别有差不多半个参考信号周期的时间被导通，voutp及voutm各有一半的时间被拉到电源，平均输出则非常小。因此即使没有音频信号Vin时(输入信号为参考信号的中间值)，平均输出是零，但电流仍然交互地由路径一或路径二流过负载3再到地，大量的功耗被消耗在负载。所以具有这种H桥的传统交换放大方案在输入信号很小时会有较差的功耗效率，而且一般必须在负载之前额外地加上滤波器来除去由于不必要切换所产生的噪声而得到真正的输入音频信号。

为了解决上述的高功耗效率及外接滤波器的问题，另外一种H桥被提出，如图3所示，类似于传统的D类音频交换式放大器，正负向差分音频信号vinp及vinm分别被送到不同的比较器4、5和一个参考信号做比较(参考信号可以是三角波或锯齿波)，比较结果分别导通相对应的半H桥(只有两个开关)。如图4和图5所示，图4是H桥的流向示意图，图5是图3的逻辑切换时序图，vinp对应由开关sw1及开关sw2所组成的第一个半H桥，vinm对应由上述开关sw3及开关sw4所组成的第二个半H桥，当vinp大于参考信号时，开关sw1被导通而开关sw2被断开，正向输出端voutp则被连到电源，当vinp小于参考信号时，开关sw1被断开而开关sw2被导通，正向输出端voutp则被连到地，同样地，依据vinm及参考信号的大小关系来控制开关sw3、开关sw4，voutm可以被切换于电源和地之间，因此根据这两个比较器4、5产生的结果可以有四种不同开关切换的逻辑状态：

1.当正向输入vinp大于参考信号而且负向输入vinm小于参考信号时，图4里的路径一被导通，所述路径一是由电源、开关sw1、负载3、开关sw4、及地所组成，电流流过路径一，正向输出端voutp连到电源，负向输出端voutm则连到地，也就是差分输出等于正的电源大小，共模输出是电源值的一半。

2.当正向输入vinp小于参考信号而且负向输入vinm大于参考信号时，路径二被导通，所述路径二是由电源、开关sw3、负载3、开关sw2、及地所组成，电流流过路径二，正向输出端voutp连到地，负向输出端voutm则连到电源，差分输出等于负的电源大小，共模输出等于电源值的一半。

3.当正向输入vinp大于参考信号而且负向输入vinm大于参考信号时，路径三被导通，所述路径三是由电源、开关sw1、负载3、开关sw3、及电源所组成，正向输出端voutp和负向输出端voutm都被连到电源，差分输出等于零，共模输出等于电源。

4.当正向输入vinp小于参考信号而且负向输入vinm小于参考信号时，路径四被导通，所述路径四是由地、开关sw2、负载3、开关sw4、及地所组成，正向输出端voutp和负向输出端voutm都被连到地，差分输出等于零，共模输出等于地。

在传统D类放大器中，其路径一和路径二导通时间的差值和信号强弱成正比，同时电流一直从电源由路径一或路径二流经负载到地。但是从图5可以看出，上述方案只有在真正有输入信号时，电流才可以由电源流过负载到地，没有输入信号时，两个输出端不是一起被拉到电源就是一起被拉到地，电流没有通路可以由电源流到地，因此可以提高功耗效率，同时因为路径一或路径二导通时间正比于音频信号，不需要额外地加上滤波器来除去切换所产生的噪声。

上述的另外一种H桥，的确能提高功耗效率，但是电磁干扰(EMI)强度却被增强了，在交换式放大器应用中，电磁干扰主要由输出的共模值所决定。在传统的交换方式共模输出一直维持在半电源值，因此电磁干扰不是严重的问题。然而，由图5或上述的切换逻辑可以看出，在这种方式中，共模输出会根据脉宽调制在电源及半电源值间或者地及半电源值间来回震荡，更糟的是震荡频率和音频信号有关，因此该方案不适用于强调电磁干扰表现的可携式应用。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种具有高功耗效率和高抗电磁干扰力的H桥。

为了解决上述问题，本发明H桥的技术方案包括：

开关sw1、开关sw2、开关sw3、开关sw4、正向输出端voutp和负向输出端voutm，每个开关都有控制信号，正向输出端voutp介于开关sw1和开关sw2之间，负向输出端voutm介于开关sw3和开关sw4之间，还包括：

开关sw5，其介于正向输出端voutp和负向输出端voutm之间。

进一步地，本发明H桥还包括连接于正向输出端voutp和负向输出端voutm之间的负载3。

另外，本发明H桥具有第一状态、第二状态和第三状态：

所述第一状态，电流借助开关sw1和开关sw4而流经负载3；或

所述第二状态，电流借助开关sw2和开关sw3而流经负载3；或

所述第三状态，正向输出端voutp和负向输出端voutm由开关sw5连在一起。

与现有技术相比，本发明H桥的有益效果为：

由于在正向输出端voutp和负向输出端voutm之间接入了开关sw5，使得电流输出到负载的时间长短和信号强度成正比，从而具有高功耗效率，同时不需要外接滤波器，在芯片集成应用上，外接滤波器代表着高成本。另外由于输出共模值维持在半电源值大小，不随着信号变化，因此有高抗电磁干扰力。

附图说明

图1是传统D类放大器的示意图；

图2A是外接滤波器的H桥的示意图；

图2B是具有图2A所示的H桥的传统D类放大器逻辑切换时序示意图；

图3是另一种现有技术的开路D类放大器；

图4是图3中的H桥的流向示意图；

图5是图3的四态切换逻辑时序示意图；

图6是具有本发明H桥的闭路D类放大器的示意图；

图7是本发明H桥的示意图；

图8是图6的三态切换逻辑时序示意图；

图9是图6的额外加上延迟的三态切换逻辑时序。

具体实施方式

如图7所示，本发明H桥包括开关sw1、开关sw2、开关sw3、开关sw4、开关sw5、正向输出端voutp和负向输出端voutm，每个开关都有控制信号，正向输出端voutp介于开关sw1和开关sw2之间，负向输出端voutm介于开关sw3和开关sw4之间，开关sw5介于正向输出端voutp和负向输出端voutm之间。一个负载3连接于正向输出端voutp和负向输出端voutm之间。

由此可知，本发明H桥比传统H桥多一个开关sw5，开关sw5可以是CMOS传输闸、nmos组件、pmos组件、BJT组件或者是可以做为开关的任何电路，开关sw1、开关sw2、开关sw3和开关sw4也可以是CMOS传输闸、nmos组件、pmos组件、BJT组件或者是可以做为开关的任何电路。

另外，本发明H桥具有第一状态、第二状态和第三状态共三种状态，其中：

所述第一状态，电流借助开关sw1和开关sw4而流经负载3；或

所述第二状态，电流借助开关sw2和开关sw3而流经负载3；或

所述第三状态，正向输出端voutp和负向输出端voutm由开关sw5连在一起。

如图6所示，是采用本发明H桥的一个闭路D类放大器，音频信号vinm、vinp先被放大器6滤波及放大，处理过的音频信号vinm、vinp减去H桥的输出(voutp、voutm)后，差值被送到积分器7积分。积分器7除了能积分信号及输出之间的差值，同时也能滤掉切换所产生的噪声，有时可以额外地在积分器7及比较器10中间再加上低通滤波器8使得切换所造成噪声的影响更小，积分器7的两个输出分别和参考信号做比较，脉宽调制所使用的参考信号可以是一个锯齿波或者一个三角波，参考信号的选择并不影响本发明H桥所采用的逻辑的适用性，比较器10的结果再经过一些数字处理就可以用来驱动本发明H桥。

如图8所示，是三态逻辑切换时序示意图。其中，①、②和③分别表示第一状态、第二状态和第三状态。当比较器正向输入comp_inp大于比较器负向输入comp_inm，在一个参考信号周期内，比较器负向输入comp_inm会比比较器正向输入comp_inp较早地交叉过参考信号，这个交叉被用来触发开关sw1、sw4到导通状态、切换开关sw5到断开状态，同时开关sw2、sw3维持在断开状态，电流从电源、开关sw1、正向输出端点voutp、负载、负向输出端点voutm、开关sw4再到地，也就是电流流经图7的路径一，该路径一是由电源、开关sw1、负载3、开关sw4、及地所组成，正向输出端voutp会被拉到电源而负向输出端voutm会被拉到地，此时有差分输出，共模输出则为电源到地大小的一半，为了方便说明，称这时的状态为第一状态。其后当比较器正端输入comp_inp交叉过斜线参考信号，开关sw1、sw4会被断开、开关sw5则被导通、开关sw2、sw3维持在断开状态，由于有寄生电容的存在输出端点voutp及voutm会一起被拉到电源到地大小的一半，此时没有差分输出，共模输出仍维持不变，这时的状态称为第三状态。

同样的情形，当比较器正向输入comp_inp小于比较器负向输入comp_inm，此时比较器正向输入comp_inp会较早穿过斜线参考信号，开关sw2、sw3会被导通、开关sw5被断开、开关sw1、sw4维持在断开状态，电流流经图7的路径二(从电源、开关sw3、负载3、开关sw2再到地)，负向输出端点voutm会被拉到电源而正向输出端点voutp被拉到地，此时有相反的差分输出，共模输出仍为电源到地大小的一半，这时的状态称为第二状态。之后当比较器负向输入comp_inm交叉过斜线参考信号，开关sw2、sw3会被断开、开关sw5则被导通、开关sw1、sw4维持在断开状态，由于寄生电容的关系，正向输出端voutp及负向输出端voutm会一起被拉到电源到地大小的一半，此时没有差分输出，共模输出仍为电源到地大小的一半。因此本发明H桥再加上这种三态逻辑时序可以使得交换式放大器的共模输出几乎不变因而有最小的电磁干扰，同时电流流经负载到地的第一状态及第二状态的导通时间和信号强弱成正比，因此具有高功耗效率和高抗电磁干扰力等优点。

本发明H桥可适用于不同的交换式放大器结构，放大器可以为开路结构或者为闭路结构，放大器可以有外接滤波器也可以没有外接滤波器。另外在使用H桥的切换式放大器应用中，当逻辑控制线路送出信号去导通或断开H桥里的开关时，真实的开关亚不能立即导通或者断开，而是等一段时间后才能完全导通或者断开，因此若输入信号非常小，使得相对应H桥所需要的信号输出时间比开关本身打开或者切断所需的时间还短，此时输出端亚不能得到任何信号，因为开关尚未被导通。所以输入信号必需有一定的大小，输出端才能送出信号，当输入信号太小时，以致于输出端没有信号输出，这一段输入信号范围一般称为死区，死区多是造成误差的重要因素。为了解决死区的问题，可以利用同样的三态逻辑时序但加上多余的延迟时间在开关sw1、sw2、sw3及sw4断开之前，也就是路径一及路径二的导通时间除了有和音频信号成正比的部分外，另外再多导通一定大小的时间，如图9的斜线部分即为这段多余的导通时间，这段多余的导通时间可以保证即使输入信号相当小，交换式放大器输出的脉波仍有一定的宽度。图九中的粗点线，则是另外一段必须的导通时间，用来弥补之前多加的导通时间所造成的误差。以第一状态为例子说明，在comp_inm变得比参考信号小后，开关sw1及开关sw4被导通，开关sw2及开关sw3维持断开状态，开关sw5被断开，然后comp_inp变得比参考信号小时，五个开关的状态不立即改变，而是等一段时间Δt后，开关sw1及开关sw4才被断开，接着开关sw2及sw3也被导通，再等了同一样一段时间Δt之后，开关sw2及sw3被断开，然后开关sw5才被导通，进入了第三状态。同样的，在第二状态时，当comp_inm变得比参考信号小时，五个开关并不立即改变状态，而是等Δt后才断开开关sw2及开关sw3，之后，开关sw1及sw4被导通，同样的，再等了一段时间Δt之后，sw1及sw4被断开，开关sw5被导通，这时进入了第三状态。在第三状态时，如上面的说明，逻辑线路会根据两个比较器的比较结果将H桥切换至第一状态或者第二状态。

Claims (3)

1、一种H桥，包括开关sw1、开关sw2、开关sw3、开关sw4、正向输出端voutp和负向输出端voutm，每个开关都有控制信号，正向输出端voutp介于开关sw1和开关sw2之间，负向输出端voutm介于开关sw3和开关sw4之间，其特征在于，还包括：

开关sw5，其介于正向输出端voutp和负向输出端voutm之间。

2、如权利要求1所述的H桥，其特征在于，还包括连接于正向输出端voutp和负向输出端voutm之间的负载3。

3、如权利要求1或者2所述的H桥，其特征在于，具有第一状态、第二状态和第三状态：

所述第一状态，电流借助开关sw1和开关sw4而流经负载3；或

所述第二状态，电流借助开关sw2和开关sw3而流经负载3；或

所述第三状态，正向输出端voutp和负向输出端voutm由开关sw5连在一起。

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