CN101860250A - 用于e类放大器的高效功率调整 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率变换器设备，该功率变换器设备包括输入功率源和配置用于将输入功率源的功率耦合到该设备的输入电感器。开关配置用于调整通过输入电感器的输入功率源的功率。分流二极管耦合在开关和输入电感器之间。谐振负载与输入电感器耦合。开关元件与输入电感器和谐振负载相耦合并且配置用于以固定频率操作。功率变换器设备还包括用于对开关的频率进行调制的控制电路以及用于以固定频率驱动开关元件的驱动模块。在一个示例性实施方式中，功率变换设备是E类放大器。该固定频率是等于谐振负载的谐振频率的频率。在一个实施方式中，功率变换器设备配置为集成电路设备。

Description

用于E类放大器的高效功率调整
技术领域
本发明涉及功率放大器领域。更具体地，本发明涉及E类功率放大器和功率变换器设备。
背景技术
E类放大器将DC源转换为特定频率的正弦放大输出信号。E类放大器通常是高效的开关电源放大器。
图1示出了传统的E类放大器设备100。该设备100包括输入功率VP。输入电感器110的第一端子耦合到输入功率VP。MOSFET 112的漏极与输入电感器110的第二端子以及具有谐振频率的谐振LCR负载或谐振负载111的输入端子耦合。驱动模块122与MOSFET 112的栅极耦合用于驱动该MOSFET 112。驱动模块122响应于输入信号“Vin(freq)”而以固定的频率交替地导通和关断该MOSFET 112。该固定频率等于谐振负载111的谐振频率。
输入电感器110通常是连接到输入功率VP的大型电感器。存储在输入电感器110中的功率可以在MOSFET 112被导通的时候通过该功率MOSFET 112被下拉到电路接地。当MOSFET 112没有进行传导时，电感器110中的功率耦合到谐振负载111。该谐振负载111包括从输入端子耦合到电路接地的第一电容器114。第二电容器116与谐振负载111的输入端子和谐振负载111的输出端子之间的电感器118串联耦合。负载电路120耦合在谐振负载111的输出端子和电路接地之间。E类设备100将MOSFET 112操作在欧姆区域或完全关断。
当MOSFET 112没有进行传导时，漏极上的电压Vdrain(freq)将升高并且可以高于DC输入电压VP。当MOSFET 112导通的时候，漏极上的电压Vdrain(freq)达到MOSFET 112的欧姆电压降。MOSFET 112的低阻抗使得MOSFET 112消耗的功率很低。
为了使得图1的设备100以单一频率来提供单输出正弦电压幅度，在到MOSFET 112的输入频率、该输入频率处输入信号的占空比以及构成谐振LCR负载111的部件的值之间必须具有固定的关系。如果偏离该固定关系，则将导致不期望的谐波失真增加或效率降低或者二者皆有。因此，与设备100类似的、企图通过调整输入频率的占空比或者通过改变LCR值来影响输出幅度VOUT的那些设备将遭受谐波失真增加和效率降低。
图2示出了另一种传统的E类放大器设备200。该设备200与图1的设备100类似，例外之处在于降压变换器电路225耦合在输入功率VP和输入电感器210之间。具体而言，输入电感器210、MOSFET212、电容器214和216、电感器218、负载电路220以及驱动模块222在功能和架构上分别与图1的输入电感器110、MOSFET 112、电容器114和116、电感器118、负载电路120以及驱动模块122相对应。降压变换器电路225包括开关224，其具有耦合到输入功率VP的第一端子，以及第二端子。二极管226具有阴极和阳极。阴极耦合到开关224的第二端子并且阳极耦合到电路接地。降压电感器228具有耦合到阴极的第一端子和耦合到输入电感器210的第一端子的第二端子。降压电容器230具有耦合到降压电感器228的第二端子的第一端子以及耦合到接地的第二端子。与图1的实施方式相似，MOSFET 212的驱动频率固定在谐振负载211的谐振频率处。该设备200使用降压变换器225来调节输出电压VOUT的幅度。降压变换器225通过改变或调制输入功率VP的幅度来调节输出电压VOUT的幅度。降压变换器225以传统降压变换器的通常方式进行操作。降压变换器电路225的使用允许对E类放大器电路200的幅度进行调节。不期望的是，降压变换器225将降低E放大器电路200的整体效率。附加地，降压变换器225要求附加的分立部件，其将增加电路200的成本和复杂度。
图3示出了另一传统的E类放大器设备300。该设备300是差分放大器。输入功率VP耦合到匹配的第一和第二输入电感器310A、310B的第一端子。第一和第二MOSFET 312A、312B的漏极端子分别与第一和第二输入电感器310A、310B的第二端子耦合。谐振LCR负载或谐振负载311耦合在第一和第二输入电感器310A、310B的第二端子之间。驱动模块322与第一和第二MOSFET 312A、312B的栅极耦合，用于驱动该第一和第二MOSFET 312A、312B。驱动模块322响应于输入信号Vin(freq)(未示出)以固定的频率交替地导通和关断第一和第二MOSFET 312A、312B。该固定频率等于谐振负载311的谐振频率。
第一和第二输入电感器310A、310B通常是连接到输入功率VP的大型电感器。存储在第一和第二输入电感器310A、310B的功率可以在第一和第二MOSFET 312A、312B被导通的时候通过第一和第二MOSFET 312A、312B被下拉到电路接地。当第一和第二MOSFET 312A、312B没有进行传导时，第一和第二输入电感器310A、310B中的功率耦合到谐振负载311。该谐振负载311包括分别匹配的第一和第二电容器314、315。第一和第二电容器314、315分别从第一和第二输入电感器310A、310B的第二端子耦合到电路接地。第三或串联电容器316与负载电路320和电感器318串联耦合。输出端子“Vout”耦合到负载电路320的第一和第二端子。E类设备300将第一和第二MOSFET 312A、312B操作在欧姆区域或完全关断。
当第一和第二MOSFET 312A、312B没有进行传导时，漏极上的电压Vdrain(freq)将升高并且可以高于DC输入电压VP。当第一和第二MOSFET 312A、312B导通时，漏极上的电压Vdrain(freq)进行到第一和第二MOSFET 312A、312B的欧姆电压降。该第一和第二MOSFET 312A、312B的低阻抗使得第一和第二MOSFET 312A、312B所消耗的功率很低。
为了使得图3的设备300以单一频率来提供单输出正弦电压幅度，在第一和第二MOSFET 312A、312B的输入频率、该输入频率处输入信号的占空比以及构成谐振LCR负载311的部件的值之间必须具有固定的关系。如果偏离该固定关系，则将导致不期望的谐波失真增加或效率降低或者二者皆有。因此，与设备300类似的、企图通过调整输入频率的占空比或者通过改变LCR值来影响输出幅度VOUT的那些设备将遭受谐波失真增加和效率降低。
图4示出了另一种传统的E类放大器设备400。该设备400与图3的设备30类似，例外之处在于降压变换器电路425耦合在输入功率源VP和第一和第二输入电感器410A、410B之间。具体而言，第一和第二输入电感器410A、410B、第一和第二MOSFET 412A、412B、第一和第二电容器414和415、串联电容器416、电感器418、负载电路420以及驱动模块422在功能和架构上分别与图3的第一和第二输入电感器310A、310B、第一和第二MOSFET 312A、312B、第一和第二电容器314和315、串联电容器316、电感器318、负载电路320以及驱动模块322相对应。降压变换器电路425包括开关、二极管、电感器和电容器(图2)。与图3的实施方式相似，第一和第二MOSFET 412A、412B的驱动频率固定在谐振负载411的谐振频率处。该设备400使用降压变换器425来调节输出电压VOUT的幅度。降压变换器425通过改变或调制输入功率VP的幅度来调节输出电压VOUT的幅度。降压变换器425以传统降压变换器的通常方式进行操作。降压变换器电路425的使用允许对E类放大器电路400的幅度进行调节。不期望的是，该降压变换器425将会降低E类放大器电路400的整体效率。附加地，降压变换器425要求附加的分立部件，其将增加电路400的成本和复杂度。
因此，希望提供一种更加有效并且生产更加经济的E类放大器设备。此外，希望提供一种能够对传送到负载电路的功率进行优化的E类放大器设备。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种功率变换器设备。该功率变换器设备包括输入功率源。输入电感器配置用于将所述输入功率源的功率耦合到所述设备。开关配置用于调整通过所述输入电感器的所述输入功率源的功率以调节所述设备的输出电压。分流二极管耦合在所述开关和所述输入电感器之间。谐振负载与所述输入电感器耦合，并且包括第一电容器、第二电容器、串联电感器和负载电路。开关元件与输入电感器和谐振负载相耦合并且配置用于以固定频率进行操作。功率变换器设备还包括用于对开关的频率进行调制的控制电路并且包括用于以固定频率驱动所述开关元件的驱动模块。
在一个示例性实施方式中，功率变换器设备是E类放大器并且输入功率源是20VDC电压源。开关可以是MOSFET器件。该分流二极管配置用于在开关打开的时候分流存储在输入电感器中的功率。在一个实施方式中，分流二极管可以代之为MOSFET器件并且开关可以是互补型MOSFET器件。该固定频率优选是等于谐振负载的谐振频率的频率。第一和第二电容器分别是分流和串联电容器。串联电容器和串联电感器耦合在分流电容器与负载电路之间。在一个实施方式中，功率变换器设备配置为集成电路设备。
根据本发明的第二方面，提供一种变换功率变换器设备中功率的方法。该方法包括：提供输入功率源。该输入功率源的功率耦合通过输入电感器。使用耦合在输入功率源与输入电感器之间的开关来调整通过该输入电感器的输入功率源的功率。当开关打开时，使用在该开关和输入电感器之间耦合到接地的分流二极管来分流该输入电感器的功率。开关元件以固定频率操作并且与输入电感器和谐振负载相耦合。该方法还包括使用控制电路来调制开关的频率以及使用驱动模块来以固定频率驱动该开关元件。
在一个示例性实施方式中，功率变换器设备是E类放大器并且输入功率源是20VDC电压源。开关可以是MOSFET器件。该分流二极管配置用于在开关打开的时候分流存储在输入电感器中的功率。在一个实施方式中，分流二极管可以代之为MOSFET器件并且开关可以是互补型MOSFET器件。在该互补型配置中，第一和第二MOSFET器件相互之间以180异相地操作。该固定频率是等于谐振负载的谐振频率的频率。第一和第二电容器分别是分流和串联电容器。串联电容器和串联电感器耦合在分流电容器与负载电路之间。在一个实施方式中，功率变换器设备配置为集成电路设备。
根据本发明第三实施方式，提供一种差分功率变换器设备。该设备包括输入功率源。第一和第二输入电感器配置用于将输入功率源的功率耦合到该设备。开关配置用于调整通过第一和第二输入电感器的输入功率源的功率。分流二极管配置用于当开关打开时分流存储在第一和第二输入电感器中的功率。谐振负载与第一和第二输入电感器相耦合并且包括第一、第二和第三电容器、串联电感器以及负载电路。第一和第二开关元件分别与第一和第二输入电感器耦合，并且与谐振负载耦合。第一和第二开关元件配置为以固定频率操作。该差分功率变换器设备还包括用于调制开关的频率的控制电路，并且包括用于以固定频率驱动第一和第二开关元件的驱动模块。
在一个示例性实施方式中，功率变换器设备是E类放大器并且输入功率源是20VDC电压源。开关可以是MOSFET器件。分流二极管耦合在开关与第一和第二输入电感器之间。在一个实施方式中，分流二极管可以代之为MOSFET器件并且开关是互补型MOSFET器件。该固定频率是等于谐振负载的谐振频率的频率。第一和第二电容器是分流电容器，并且第三电容器是串联电容器。负载电路耦合在串联电容器和串联电感器之间。在一个实施方式中，功率变换器设备配置为集成电路设备。
结合附图，根据对随后描述的考虑，本发明的其他特征将变得清楚明了。
附图说明
在所附的权利要求书中阐述了本发明的新颖特征。然而，出于解释的目的，在随后的附图中阐述本发明的若干实施方式。
图1示出了E类放大器设备的第一现有技术的示意图。
图2示出了图1的现有技术设备的可替换实施方式。
图3示出了E类放大器设备的第二现有技术的示意图。
图4示出了图3的现有技术设备的可替换实施方式。
图5示出了根据本发明实施方式的E类放大器设备的示意图。
图5A至图5C示出了根据图5的设备的可替换实施方式的E类放大器设备的局部示意图。
图6示出了根据本发明另一实施方式的E类放大器设备的示意图。
图6A至图6C示出了根据图6的设备的可替换实施方式的E类放大器设备的局部示意图。
图7示出了根据本发明实施方式的在功率变换器设备中变换功率的方法。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释的目的来阐述各种细节和可替换实施方式。然而，本领域技术人员将认识到，可以不使用这些特定细节来实现本发明。在其他实例中，已知的结构和设备以框图形式示出，从而不会由于不必要的细节而使本发明的描述产生模糊。
本发明提供一种具有效率提升的E类放大器和功率变换器的功率变换电路。本发明提供对传送到负载电路的功率的优化。从用于根据本发明所制造设备的材料的用户账单而言，本发明还提供了电感器和电容器的节约。该发明相对于使用传统降压变换器电路的传统E类放大器而言具有显著改进。
转向图5，示出了根据本发明一个实施方式的功率变换设备500的示意图。设备500包括耦合到输入电感器510的第一端子的输入功率源“VP”。开关524选择性地将输入功率源VP耦合到输入电感器510以调整输入功率源VP的功率。分流二极管526的阴极耦合在开关524和输入电感器510之间。分流二极管526的阳极耦合到接地。谐振电路或谐振负载511耦合到输入电感器510的第二端子。谐振负载511包括耦合在输入电感器510的第二端子与接地之间的第一电容器514。第二电容器516与串联电感器518串联耦合，二者均耦合在输入电感器510的第二端子与输出端子Vout之间。负载电路520耦合在Vout和接地之间。开关元件512与第一电容器514并联耦合，并且配置用于以固定频率操作。开关元件512的第二端子由驱动模块522以固定频率进行驱动。驱动模块522耦合在VCC和接地之间。在一个示例性实施方式中，VCC等于5VDC。可以选择高于或低于5VDC的其他VCC值，而不脱离本发明的范围。
在一个示例性实施方式中，设备500包括集成电路(未示出)。该集成电路包括开关524、分流二极管526、开关元件512以及结合到集成电路硅体中的驱动模块522。该输入电感器510和谐振负载511配置在集成电路硅体的外部。在可替换实施方式中，可以单独地使用分立部件来提供设备500。在应用中，设备500适用于E类放大器。可替换地，设备500可以适用于功率变换设备。很好地适用于设备500的功率变换设备可以包括无线功率变换设备。
输入功率源VP包括DC电压信号。在一个示例性实施方式中，输入功率源VP包括20VDC信号。本领域技术人员将意识到，可以使用其他的DC电压信号值。输入电感器510包括用于吸收(sink)输入功率源VP的电流的合适的电感器。耦合在开关524与输入电感器510之间的分流二极管526为存储在输入电感器510中的功率提供通往接地的电路路径。输入电感器510中的功率在开关524打开或关断的时候回流通过分流二极管526。
开关524配置用于以一定速率进行循环以控制通过输入电感器510的功率。包括本发明技术人员可以实践的脉宽调制电路的合适的控制电路(未示出)可用于设定开关524的占空比。在一个示例性实施方式中，开关524可以配置用于以开环方式进行操作。在开环方式中，开关524的频率和占空比被设定为恒定值。在第一“保护”实施方式中，开关524可用于针对过压来保护开关元件512。在第一保护实施方式中，开关524的频率可以作为开关元件512的第一端子的电压的函数来操作。在第二“保护”实施方式中，开关524可用于防止设备500的超额功率消散(power dissipation)。在该第二保护实施方式中，开关524的频率可以作为通往负载电路520的电压或者电压VOUT的函数来操作。在第三“保护”实施方式或熔丝链实施方式中，开关524可以包括百分之百的占空比或者连续地启用/闭合，并且操作开关524使得为当感测到高电流情况时该开关524打开。由此保护设备500免遭破坏性高电流。可以选择任何合适的电流值以根据应用来操作熔丝链实施方式。
谐振负载511包括第一和第二电容器514、516，串联电感器518和负载电路520。在一个示例性实施方式中，选择用于谐振负载511的每个部件在驱动模块522的固定频率、开关元件512的占空比以及谐振负载511的组件的值之间包括固定的关系，其中该谐振负载511包括串联电感器518、第一和第二电容器514、516以及负载电路520。驱动模块522的固定频率等于谐振负载511的谐振频率。第一和第二电容器514、516分别被配置为分流电容器和串联电容器。负载电路520的电阻值可以根据设备500的应用来发生改变。在一个示例性实施方式中，负载电路520的电阻包括具有五瓦特额定功率的50欧姆。第二电容器516以及串联电感器518的值可以选择为实现谐振负载511的期望谐振频率。
开关元件512包括用于设备500的高效操作的适当开关器件。在一个示例性实施方式中，开关元件512包括n型金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)器件。MOSFET器件包括漏极、栅极和源极，它们分别与开关元件512的第一、第二和第三端子同义。可替换地，本领域技术人员已知的任何其他半导体开关器件都可以替换该开关元件512。开关元件512配置用于以驱动模块522的固定频率来操作。开关元件512配置用于以高效率进行操作并且配置用于消耗非常少的功率。当开关元件512导通的时候，开关元件512所消耗的功率约为零，因为开关元件512的漏极或第一端子的电压接近于零伏特DC。当开关元件512关断时，开关元件512所消耗的功率也约为零，因为开关元件512的漏极或第一端子的电压约为零，并且通过开关元件512的电流约为零。
驱动模块522包括适用于提供足够信号以驱动开关元件512的控制电路。驱动模块522以等于谐振负载512的谐振频率的固定频率来操作。驱动模块522可以包括配置用于以固定频率操作的脉宽调制(PWM)电路。也可以使用其他振荡器。在一个示例性实施方式中，数字输入信号(未示出)用于启用驱动模块522。该数字输入信号包括等于固定频率的频率。
转向图5A至图5C，示出了设备500A、500B和500C的可替换实施方式的局部示意图。图5A的设备500A示出了类似于图5的设备500的本发明的实施方式。设备500A包括n型MOSFET器件524A，以替换图5中的开关524。在一个示例性实施方式中，MOSFET器件524A包括本领域技术人员公知的DMOS或双扩散MOSFET。可替换地，本领域技术人员公知的任何其他半导体开关器件可以替换MOSFET器件524A。MOSFET器件524A配置用于以适合于特定应用的占空比来操作。设备500A的剩余部分在操作和结构上类似于上述的设备500。
图5B的设备500B示出了类似于图5的设备500的本发明的另一实施方式。设备500B包括p型MOSFET器件524B，以替换图5中的开关524。在一个示例性实施方式中，MOSFET器件524B包括本领域技术人员公知的DMOS或双扩散MOSFET。可替换地，本领域技术人员公知的任何其他半导体开关器件可以替换MOSFET器件524B。MOSFET器件524B配置用于以适合于特定应用的占空比来操作。设备500B的剩余部分在操作和结构上类似于上述的设备500。
图5C的设备500C示出了类似于图5的设备500的本发明的又一实施方式。设备500C包括p型MOSFET开关器件524C，以替换图5中的开关524，并且还包括n型MOSFET分流器件526C，以替换图5的分流器件526。在一个示例性实施方式中，MOSFET开关和分流器件524C、526C包括本领域技术人员公知的DMOS型。可替换地，本领域技术人员公知的任何其他半导体开关器件可以替换MOSFET开关和分流器件524C、526C。MOSFET开关器件524C配置为以适合特定应用的占空比来进行操作。MOSFET开关器件524C和MOSFET分流器件526C配置为同步地操作。MOSFET开关和分流器件524C、526C的同步操作包括启用每个MOSFET开关器件524C和MOSFET分流器件526C，因此每个器件互相之间具有180度的异相。设备500C的剩余部分在操作和结构上类似于上述设备500。
转向图6，示出了根据本发明一个实施方式的功率变换设备600的示意图。设备600包括分别耦合到匹配的第一和第二输入电感器610A、610B的第一端子的输入功率源“VP”。开关624选择性地将输入功率源VP耦合到第一和第二输入电感器610A、610B以调整输入功率源VP的功率。分流二极管626的阴极耦合在开关624和第一和第二输入电感器610A、610B之间。分流二极管626的阳极耦合到接地。谐振电路或谐振负载611耦合到第一和第二输入电感器610A、610B的第二端子之间。谐振负载611包括分别耦合在第一和第二输入电感器610A、610B的第二端子与接地之间的匹配的第一和第二电容器614、615。第三或串联电容器616与负载电路620以及电感器618串联耦合。输出端子“Vout”耦合至负载电路620的第一和第二端子。第一和第二开关元件612A、612B与第一和第二电容器614、615并联耦合，并且配置用于以固定频率操作。第一和第二开关元件612A、612B的第二端子由驱动模块622以固定频率进行驱动。驱动模块622耦合在VCC和接地之间。在一个示例性实施方式中，VCC等于5VDC。可以选择高于或低于5VDC的其他VCC值，而不脱离本发明的范围。
在一个示例性实施方式中，设备600包括集成电路(未示出)。该集成电路包括开关624、分流二极管626、第一和第二开关元件612A、612B以及结合到集成电路硅体中的驱动模块622。第一和第二输入电感器610A、610B和谐振负载611配置在集成电路硅体的外部。在可替换实施方式中，可以单独地使用分立部件来提供设备600。在应用中，设备600适用于E类放大器。可替换地，设备600可以适用于功率变换设备。很好地适用于设备600的功率变换设备可以包括无线功率变换设备。
输入功率源VP包括DC电压信号。在一个示例性实施方式中，输入功率源VP包括20VDC信号。本领域技术人员将意识到，可以使用其他的DC电压信号值。第一和第二输入电感器610A、610B包括用于吸收输入功率源VP的电流的合适的电感器。分流二极管626为存储在第一和第二输入电感器610A、610B中的功率提供通往接地的电路路径。第一和第二输入电感器610A、610B中的功率在开关624打开或关断的时候回流通过分流二极管626。
开关624配置用于以一定速率进行循环以控制通过第一和第二输入电感器610A、610B的功率。包括本发明技术人员可以实践的脉宽调制电路的合适的控制电路(未示出)可用于设定开关624的占空比。在一个示例性实施方式中，开关624可以配置用于以开环方式进行操作。在开环方式中，开关624的频率和占空比被设定为恒定值。在第一“保护”实施方式中，开关624可用于针对过压来保护第一和第二开关元件612A、612B。在第一保护实施方式中，开关624的频率可以作为第一和第二开关元件612A、612B的第一端子的电压的函数来操作。在第二“保护”实施方式中，开关624可用于防止设备600的超额功率消散。在该第二保护实施方式中，开关624的频率可以作为通往负载电路620的电压或者电压VOUT的函数来操作。在第三“保护”实施方式或熔丝链实施方式中，开关624可以包括百分之百的占空比或者连续地启用/闭合，并且操作开关624使得当感测到高电流情况时该开关624打开。由此保护设备600免遭破坏性高电流。可以选择任何合适的电流值以根据应用来操作熔丝链实施方式。
谐振负载611包括匹配的第一和第二电容器614、615，第三电容器616，串联电感器618和负载电路620。在一个示例性实施方式中，选择用于谐振负载611的每个部件在驱动模块622的固定频率、第一和第二开关元件612A、612B的占空比以及谐振负载611的组件的值之间包括固定的关系。驱动模块622的固定频率等于谐振负载611的谐振频率。第一和第二电容器614、615分别被配置为分流电容器。第三电容器616被配置为串联电容器。负载电路620的电阻值可以根据设备600的应用来发生改变。在一个示例性实施方式中，负载电路620的电阻包括具有五瓦特额定功率的50欧姆。第三电容器616以及串联电感器618的值可以选择为实现谐振负载611的期望谐振频率。
第一和第二开关元件612A、612B包括用于设备600的高效操作的适当开关器件。在一个示例性实施方式中，第一和第二开关元件612A、612B包括n型MOSFET器件。MOSFET器件包括漏极、栅极和源极，它们分别与第一和第二开关元件612A、612B的第一、第二和第三端子同义。可替换地，本领域技术人员已知的任何其他半导体开关器件都可以替换该第一和第二开关元件612A、612B。第一和第二开关元件612A、612B配置用于以驱动模块622的固定频率来操作。第一和第二开关元件612A、612B配置用于以高效率进行操作并且配置用于消耗非常少的功率。当第一和第二开关元件612A、612B导通的时候，它们所消耗的功率约为零，因为第一和第二开关元件612A、612B的漏极或第一端子的电压接近于零伏特DC。当第一和第二开关元件612A、612B关断时，它们所消耗的功率也约为零，因为第一和第二开关元件612A、612B的漏极或第一端子的电压约为零，并且通过第一和第二开关元件612A、612B的电流约为零。
驱动模块622包括适用于提供足够信号以驱动第一和第二开关元件612A、612B的控制电路。驱动模块622以等于谐振负载611的谐振频率的固定频率来操作。驱动模块622可以包括配置用于以固定频率操作的脉宽调制(PWM)电路。也可以使用其他振荡器。在一个示例性实施方式中，数字输入信号(未示出)用于启用驱动模块622。该数字输入信号包括等于固定频率的频率。
转向图6A至图6C，示出了设备600A、600B和600C的可替换实施方式的局部示意图。图6A的设备600A示出了类似于图6的设备600的本发明的实施方式。设备600A包括n型MOSFET器件624A，以替换图6中的开关624。在一个示例性实施方式中，MOSFET器件624A包括本领域技术人员公知的DMOS或双扩散MOSFET。可替换地，本领域技术人员公知的任何其他半导体开关器件可以替换MOSFET器件624A。MOSFET器件624A配置用于以适合于特定应用的占空比来操作。设备600A的剩余部分在操作和结构上类似于上述的设备600。
图6B的设备600B示出了类似于图6的设备600的本发明的另一实施方式。设备600B包括p型MOSFET器件624B，以替换图6中的开关624。在一个示例性实施方式中，MOSFET器件624B包括本领域技术人员公知的DMOS器件。可替换地，本领域技术人员公知的任何其他半导体开关器件可以替换MOSFET器件624B。MOSFET器件624B配置用于以适合于特定应用的占空比来操作。设备600B的剩余部分在操作和结构上类似于上述的设备600。
图6C的设备600C示出了类似于图6的设备600的本发明的又一实施方式。设备600C包括p型MOSFET开关器件624C，以替换图6中的开关624，并且还包括n型MOSFET分流器件626C，以替换图6的分流器件626。在一个示例性实施方式中，MOSFET开关和分流器件624C、626C包括本领域技术人员公知的DMOS型。可替换地，本领域技术人员公知的任何其他半导体开关器件可以替换MOSFET开关和分流器件624C、626C。MOSFET开关器件624C配置为以适合特定应用的占空比来进行操作。MOSFET开关器件624C和MOSFET分流器件626C配置为同步地操作。MOSFET开关和分流器件624C、626C的同步操作包括启用每个MOSFET开关器件624C和MOSFET分流器件626C，因此每个器件互相之间具有180度的异相。设备600C的剩余部分在操作和结构上类似于上述设备600。
转向图7，示出了一种根据本发明的在功率变换器设备中变换功率的方法700。在该方法700的示例性实施方式中，使用设备500作为例子。处理开始于步骤710。提供输入功率源VP。输入功率源VP包括DC电压信号。在一个示例性实施方式中，DC电压信号是20VDC。在步骤720。通过输入电感器510来耦合输入功率源VP的功率。在可替换实施方式中，通过匹配的第一和第二输入电感器610A、610B(图6)来耦合输入功率源VP的功率。
在步骤730，通过输入电感器510使用耦合在输入功率源VP和输入电感器510之间的开关524来调整输入功率源VP的功率。开关524配置用于以一定速率进行循环以控制通过输入电感器510的功率。包括本发明技术人员可以实践的脉宽调制电路的合适的控制电路(未示出)可用于设定开关524的占空比。在一个示例性实施方式中，开关524可以配置用于以开环方式进行操作。在开环方式中，开关524的频率和占空比被设定为恒定值。在第一“保护”实施方式中，开关524可用于针对过压来保护开关元件512。在第一保护实施方式中，开关524的频率可以作为开关元件512的第一端子的电压的函数来操作。在第二“保护”实施方式中，开关524可用于防止设备500的超额功率消散。在该第二保护实施方式中，开关524的频率可以作为通往负载电路520的电压或者电压VOUT的函数来操作。在第三“保护”实施方式或熔丝链实施方式中，开关524可以包括百分之百的占空比或者连续地启用/闭合，并且操作开关524使得当感测到高电流情况时该开关524打开。由此保护设备500免遭破坏性高电流。可以选择任何合适的电流值以根据应用来操作熔丝链实施方式。
在方法700的可替换实施方式中，设备500A包括p型MOSFET器件524A(图5A)，以替换图5中的开关524。MOSFET器件524A配置用于以适合于特定应用的占空比来操作。设备500A的剩余部分在结构上类似于上述的设备500。设备500A的操作方法类似于这里所描述的方法700。在方法700的另一可替换实施方式中，设备500B包括n型MOSFET器件524B，以替换图5中的开关524。MOSFET器件524B配置用于以适合于特定应用的占空比来操作。设备500B的剩余部分在结构上类似于上述的设备500。设备500B的操作方法类似于这里所描述的方法700。
在方法700的又一可替换实施方式中，设备500C包括n型MOSFET开关器件524C，以替换图5中的开关524，并且还包括p型MOSFET分流器件526C，以替换图5的分流器件526。MOSFET开关器件524C配置为以适合特定应用的占空比来进行操作。MOSFET开关器件524C和MOSFET分流器件526C配置为同步地操作。MOSFET开关和分流器件524C、526C的同步操作包括启用每个MOSFET开关器件524C和MOSFET分流器件526C，因此每个器件互相之间具有180度的异相。设备500C的剩余部分在结构上类似于上述设备500。设备500C的操作方法在类似于这里所描述的方法700。
在步骤740，当开关524打开的时候，使用耦合在开关524和输入电感器510之间的分流二极管526来分流输入电感器510的功率。分流二极管526为存储在输入电感器510中的功率提供通往接地的电流路径。
在步骤750，开关元件512以固定频率进行操作。该开关元件512与输入电感器510和谐振负载511相耦合。开关元件512包括用于设备500的高效操作的适当开关器件。在一个示例性实施方式中，开关元件512包括p型金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)器件。MOSFET器件包括漏极、栅极和源极，它们分别与开关元件512的第一、第二和第三端子同义。开关元件512配置用于以驱动模块522的固定频率来操作。开关元件512配置用于以高效率进行操作并且配置用于消耗非常少的功率。当开关元件512导通的时候，开关元件512所消耗的功率约为零，因为开关元件512的漏极或第一端子的电压接近于零伏特DC，并且VP乘以四以及通过开关元件512的电流等于零。当开关元件512关断时，开关元件512所消耗的功率也约为零，因为开关元件512的漏极或第一端子的电压约为零，并且通过开关元件512的电流约为零。在可替换实施方式中，第一和第二开关元件612A、612B(图6)替代开关元件512。
谐振负载511包括第一和第二电容器514、516，串联电感器518和负载电路520。如上所述，选择用于谐振负载511的每个部件在驱动模块522的固定频率、开关元件512的占空比以及谐振负载511的组件的值之间包括固定的关系。驱动模块522的固定频率等于谐振负载511的谐振频率。第一和第二电容器514、516分别被配置为分流电容器和串联电容器。负载电路520的电阻值可以根据设备500的应用来发生改变。在一个示例性实施方式中，负载电路520的电阻包括具有五瓦特额定功率的50欧姆。第二电容器516以及串联电感器518的值可以选择为实现谐振负载511的期望谐振频率。在可替换实施方式中，谐振负载611(图6)替代谐振负载511。
开关元件512的操作包括使用驱动模块来驱动开关元件512。该驱动模块522包括控制电路，适用于提供足够的信号以驱动开关元件512。驱动模块522以等于谐振负载512的谐振频率的固定频率来操作。驱动模块522可以包括配置为以固定频率操作的脉宽调制(PWM)电路。也可以使用其他振荡器。在一个示例性实施方式中，使用数字输入信号(未示出)来启用驱动模块522。数字输入信号包括等于固定频率的频率。
方法700结束于步骤760。
本发明的很多应用在他们的应用方面具有很宽的范围。本发明提供功率变换电路，其具有功率提升的E类放大器和功率变换器设备。本发明提供对传送到负载电路的功率的优化，并且从用于根据本发明所制造设备的材料的用户账单而言，还提供了电感器和电容器的节约。该发明相对于使用传统降压变换器电路的传统E类放大器而言具有显著改进。
尽管已经参考多个具体细节对本发明进行了描述，但本领域技术人员将意识到，本发明可以以其他具体形式来实现而不偏离本发明的精神。因此，本领域技术人员将理解，本发明不限于前述示意性细节，而是被所附的权利要求书来限定。

Claims (38)

1.一种功率变换器设备，包括：
输入功率源；
输入电感器，配置用于耦合所述输入功率源的功率；
开关，配置用于调整通过所述输入电感器的输入功率源的功率；
分流二极管，其耦合在所述开关和所述输入电感器之间；
谐振负载，其与所述输入电感器相耦合，并且包括第一电容器、第二电容器、串联电感器和负载电路；以及
开关元件，其与所述输入电感器以及谐振负载相耦合，并且配置用于以固定频率进行操作。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于调制所述开关的频率的控制电路。
3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于以固定频率来驱动所述开关元件的驱动模块。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述功率变换器设备包括E类放大器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述输入功率源包括DC电压信号。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述DC电压信号包括约等于20VDC的值。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述分流二极管配置用于当开关打开的时候分流所述输入电感器的功率。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述固定频率包括等于所述谐振负载的谐振频率的频率。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一和第二电容器分别包括分流电容器和串联电容器，其中所述串联电容器和串联电感器耦合在所述分流电容器和负载电路之间。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备配置为集成电路设备。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关包括MOSFET器件。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述分流二极管替代地包括MOSFET器件，并且所述开关包括互补型MOSFET器件。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关连续地闭合并且操作为熔丝链。
14.一种在功率变换设备中变换功率的方法，包括：
提供输入功率源；
通过输入电感器来耦合所述输入功率源的功率；
使用耦合在所述输入功率源和所述输入电感器之间的开关来调整通过所述输入电感器的输入功率源的功率；
使用耦合在所述开关和所述输入电感器之间的分流二极管以在所述开关打开时分流所述输入电感器的功率；以及
以固定频率来操作开关元件，所述开关元件与所述输入电感器以及谐振负载相耦合。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括使用控制电路来调制所述开关的频率。
16.根据权利要求14所述的方法，其中操作所述开关元件包括使用驱动模块以固定频率驱动所述开关元件。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述功率变换器设备包括E类放大器。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述输入功率源包括DC电压信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述DC电压信号包括约等于20VDC的值。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述谐振负载与所述输入电感器和开关元件相耦合，并且包括第一电容器、第二电容器、串联电感器以及负载电路。
21.根据权利要求14所述的方法，其中所述固定频率包括等于所述谐振负载的谐振频率的频率。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一和第二电容器分别包括分流电容器和串联电容器，其中所述串联电容器和串联电感器耦合在所述分流电容器和负载电路之间。
23.根据权利要求14所述的方法，其中所述设备配置为集成电路设备。
24.根据权利要求14所述的方法，其中所述开关包括MOSFET器件。
25.根据权利要求14所述的方法，其中所述分流二极管替代地包括第一MOSFET器件，并且所述开关包括互补型第二MOSFET器件，其中所述第一和第二MOSFET器件互相之间以180度的异相操作。
26.根据权利要求14所述的方法，其中所述开关连续地闭合并且操作为熔丝链。
27.一种差分功率变换器设备，包括：
输入功率源；
第一和第二输入电感器，配置用于耦合所述输入功率源的功率；
开关，配置用于调整通过所述第一和第二输入电感器的输入功率源的功率；
分流二极管，配置用于在所述开关打开时分流所述第一和第二输入电感器的功率；
谐振负载，其与所述第一和第二输入电感器相耦合，并且包括第一电容器、第二电容器、第三电容器、串联电感器和负载电路；以及
第一和第二开关元件，其分别与所述第一和第二输入电感器相耦合，并且与所述谐振负载相耦合，所述第一和第二开关元件配置为以固定频率操作。
28.根据权利要求27所述的设备，进一步包括用于调制所述开关的频率的控制电路。
29.根据权利要求27所述的设备，进一步包括用于以固定频率来驱动所述第一和第二开关元件的驱动模块。
30.根据权利要求27所述的设备，其中所述差分功率变换器设备包括E类放大器。
31.根据权利要求27所述的设备，其中所述输入功率源包括DC电压信号。
32.根据权利要求31所述的设备，其中所述DC电压信号包括约等于20VDC的值。
33.根据权利要求27所述的设备，其中所述分流二极管耦合在所述开关与所述第一和第二输入电感器之间。
34.根据权利要求27所述的设备，其中所述固定频率包括等于所述谐振负载的谐振频率的频率。
35.根据权利要求27所述的设备，其中所述设备配置为集成电路设备。
36.根据权利要求27所述的设备，其中所述开关包括MOSFET器件。
37.根据权利要求27所述的设备，其中所述分流二极管替代地包括MOSFET器件，并且所述开关包括互补型MOSFET器件。
38.根据权利要求27所述的设备，其中所述开关连续地闭合并且操作为熔丝链。
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