CN102460962A

CN102460962A - 横流最小化

Info

Publication number: CN102460962A
Application number: CN2010800271662A
Authority: CN
Inventors: 奈代尔科·斯拉沃夫
Original assignee: ST Ericsson SA
Current assignee: ST Ericsson SA
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: WO2010125066A1; CN102460962B; US8471627B2; EP2249476A1; US20120056670A1; EP2249476B1

Abstract

本发明涉及一种优化D类放大器内的横流且同时最小化谐波失真的方法。该方法克服了使用有限速度的电压比较器的问题，该有限速度的电压比较器通常使用在横流阻止电路中。该方法基于引入与主放大器匹配的具有电流传感器的复制放大器。通过电流比较器将检测的横流的持续时间与足够小的基准电流比较。该比较器输出产生脉冲，该脉冲的持续时间等于在复制放大器内产生的横流的持续时间。该脉冲的持续时间被测量且用于产生消隐放大器前置驱动器输入的空载时间脉冲。

Description

横流最小化

技术领域

本发明涉及一种D类放大器中的横流最小化的方法。更具体地，所提出的方法基于使用复制放大器限定空载时间。本发明同样涉及能够实施所述方法的对应的模块以及包括用于实施所述方法的步骤的指令的计算机程序产品。

背景技术

D类放大器，还被称为开关放大器，是一种电子放大器，该电子放大器使用诸如晶体管的开关的开关模式调节功率输出。由于D类放大器的高功率效率，其对于许多应用是优选的。

开关放大器通常包含具有大尺寸晶体管的推挽式输出级。一典型的问题是穿过放大器的上侧以及下侧的横流(cross current)，也被称为直通电流。通常各侧仅包括n型或者p型的金属氧化物半导体(MOS)晶体管。晶体管的开关需要一些时间且在转换期间具有两侧的晶体管同时导通的瞬间，因此导致供电电源和地之间的短接，横流是由此产生的。此短接对大尺寸输出级或高压供电更加严重，且可能引入相当大的电流尖波，该电流尖波增加设备的功耗和发热量。在一些严重的情况下，横流甚至可能减少D类放大器的可靠性和寿命。

为避免横流，必须在开关操作之间引入空载时间。由于开关时间依赖诸如温度、技术变化、供电电压等不同因素，因此为空载时间设置适当的值总是一种折中。然而，空载时间的增加导致不期望的总谐波失真(THD)的发生。图1表示互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实施的一典型输出级。图2示出图1的CMOS输出级结构中空载时间的定义。在输入脉宽调制(PWM)信号的上升沿，n型金属氧化物半导体(MN)晶体管导通，而在PWM信号的下降沿，p型金属氧化物半导体(MP)晶体管导通。

习惯作法是使用具有一些裕度的固定的空载时间。然而，这具有引入额外的谐波失真的缺点。典型的空载时间值大约是50-100ns。也能够使用可变的空载时间。目前的方法大多数是基于检测放大器的输出晶体管(即，图1和图2的情况中的晶体管MN1、MN2、MN3、MP1、MP2和MP3)的栅电压，以及禁用相对侧的前置驱动(例如对MN晶体管，相对侧前置驱动是P_驱动器)，直到活动侧完全或几乎截止。对图3的结构，这在图4中示出。

比较器Comp_N将消隐电势施加到N_驱动器，直到P_驱动器的输出电势到达基准电压VTH1。消隐电势将使N_驱动器的输出保持为低，即MN晶体管截止。比较器Comp_P将消隐电势(即MP晶体管截止)施加到P_驱动器，直到N_驱动器的输出电势降到基准电压VTH2之下。因此，消隐电势的目的是防止晶体管导通。

消隐电势结束之后，将启用前置驱动器，且它们的输出将开始进行转换。由于比较器有限的速度，将引入附加的延时。比较器的有限的速度可能对一些CMOS技术带来严重误差，尤其是对于通常在集成功率放大器中使用的高压(HV)CMOS技术。误差的另一来源可能是，消隐信号与前置驱动器的上升/下降时间的匹配，而不是直接与输出级的横流尖波的匹配。

因此，本发明的目的是通过提出用于防止D类放大器内的横流的改进方案，以克服上述困难和缺点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种如权利要求1所述的最小化横流的方法。

因此，本发明提供一种非常有效的用于最小化或甚至完全防止横流的方法。空载时间直接与横流的持续时间匹配。通过相对简单的实施方法实现了高准确度的空载时间定义，且能够最小化谐波失真。由于电流比较器的高速，因此该方法能够使用于高速缓冲器。

根据本发明的第二方面，提供一种计算机程序产品，包括指令，当所述指令加载且运行在电子设备的计算机装置上时，用于实施根据本发明的第一方面的方法。

根据本发明的第三方面，提供一种如权利要求9所述的用于最小化横流的模块。

本发明的其它方面在本文所附的从属权利要求中引述。

附图说明

自如下参照附图的非限制性的示例性实施方式的描述中，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：

-图1示出CMOS实施的典型输出级的简化框图；

-图2示出图1的结构中PWM输入信号的效应；

-图3示出用于防止横流的现有技术方案的简化框图；

-图4以图表形式示出图3的前置驱动器导通和截止；

-图5是根据本发明的实施方式的电路结构的简化的框图；

-图6以图表形式示出图5中示出的电路的工作；

-图7是示出本发明的实施方式的流程图；

-图8更详细地示出图5的主要元素；

-图9示出用于进行仿真的仿真装置；

-图10-图15示出仿真结果。

具体实施方式

接着，将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。

图5示出结构的简化框图，该结构被布置成实施根据本发明的实施方式的方法。该方法是基于将带有电流传感器的复制放大器与主放大器耦合的构思。复制放大器与主放大器的匹配意味着，复制放大器的晶体管的方向与主放大器的晶体管的方向相同，且所有晶体管基本上工作在相同温度且使用相同供电电压。此外，某些实施中复制放大器的物理尺寸与主放大器的晶体管的尺寸相同。复制放大器置于后文所述的主放大器的晶体管之间，或至少接近主放大器的晶体管。将检测到的横流的持续区间与足够小的基准电流比较。比较这些电流的比较器产生持续时间等于复制放大器内的横流的持续时间的输出脉冲。测量该脉冲的持续时间，且用于产生消隐前置驱动器输入的空载时间脉冲。

提出的电路具有已调节的空载时间。构思是使用对应于工作条件的最小充分空载时间。主放大器501具有“片”实施方案，且可以包括几十甚至数百的片503。各片503包括一低侧开关(n型金属氧化物半导体，NMOS)505和一高侧开关(所考虑的情况下为p型金属氧化物半导体，PMOS)507。所有的片503并行工作，形成一大功率的输出级。

构思是在主放大器501的片503之间可包括具有电流传感器的一复制放大器509。该复制放大器509与负载隔离，但复制放大器509的MOS晶体管应与主放大器501的晶体管505、507匹配。复制放大器509的工作条件与主放大器501的输出级非常相似，且复制放大器509将再生转换期间出现在主放大器501中的横流。

再生的横流具有与主放大器501的横流类似的形状和持续时间。然而，相比于主放大器501的物理尺寸，由于复制放大器509的物理尺寸更小，因此复制的横流通常比主放大器的横流更低。由于复制放大器509不与负载连接，因此只有横流流过此放大器的晶体管。能够将一电流检测电路增加到复制放大器509，且输出电流将是功率级的复制的横流。

在本发明中，复制的横流被用于限定最小充分空载时间。最重要的参数是横流的持续时间。能够通过电流比较器511将横流与小基准电流比较。

比较器511的输出被布置成产生具有与横流持续时间相同的持续时间的脉冲。能够通过计数器515、517将脉冲持续时间转换成二进制代码且存储。存储的数量能够用于产生用于前置驱动器513、514的阻塞信号，也被称为消隐信号。

提出的方法的优点在于简单性以及与主放大器501的横流持续时间匹配的空载时间的高准确度。使用的电流比较器511所需要的高速是相对容易实现。本质上，电流比较器511比图3的电压比较器更快。

由复制放大器509再生的横流能够按比例减少，以节省功率以及硅面积。如图6所示，将再生的复制的横流与足够小的基准电流比较。当复制的横流超过基准电流，比较器511将是高输出电势。如果对于上升沿和下降沿的延迟相同，则比较器511的延迟时间将不严重。

比较器511的输出使能计数器515、517的时钟。施加到三输入与元件521的来自脉宽调制(PWM)的信号选择对应的计数器515、517。如图6所示，时钟信号的频率必须足够高，使得它能够用于计算比较器脉冲的长度。这里，比较器脉冲内的时钟信号脉冲的数量能够被用于计算比较器脉冲的长度。

计数器_N 515被布置成为限定用于低侧驱动器(N_驱动器)513的空载时间，且还布置成当PWM信号为高时，对时钟脉冲计数。

计数器_P 517通过反相器523连接到PWM 519，且布置成当PWM信号为低时，对时钟脉冲计数。

如果施加复位脉冲，电路被强制回到具有零或小初始空载时间的初始条件。横流将出现，且将测量新的持续时间的值，并存储到计数器中。必须周期性地进行复位，例如每隔几秒，以使空载时间适应工作条件的可能的变化。计数器515、517保存2次复位之间最后测量的横流持续时间。

如果2次复位之间的工作条件变得更差且横流再次出现，比较器511将再次产生脉冲，且同时计数器515、517将增加它们的值，直到横流消失。另一方面，如果2次复位之间的工作条件变得更好，计数器515、517将保持它们的值不变。

可编程数字单声道振动器525、527根据计数器515、517内存储的值产生消隐脉冲。PWM信号用于启动单声道振动器525、527。PWM信号的上升沿启动“Blank(消隐)_N”单声道振动器525。产生的脉冲具有低有效电平。PWM信号的下降沿启动“Blank_P”单声道振动器527。产生的脉冲具有高有效电平。

低电平施加到与元件529将使N_驱动器513的输入被设置为用于低侧的无效的“低”电平，忽略PWM信号。将高电平施加到或元件531，将使P_驱动器514的输入被设置为用于高侧的无效的“高”电平，忽略PWM信号。通过这方式，在横流发生期间将阻塞PWM信号的传输。然而，仅阻塞当前截止的晶体管侧的PWM信号，以延迟这些晶体管的导通。

单声道525、527可通过使用具有预置的平行数据的倒数计数器和相同的时钟发生器。在此情况下，消隐脉冲将精确再现比较器脉冲。

图7示出描述根据本发明的实施方式的、如上所述的电路的工作的流程图。在步骤701中，复制放大器509的电流传感器提取复制的横流的镜像(image)。在步骤703中，复制放大器509将此镜像传送给电流比较器511。在步骤705，电流比较器511将复制的横流的镜像与来自基准电流源的基准电流比较。如果复制的横流不超过给定阈值，则该流程继续步骤701。

另一方面，如果复制电流超过给定阈值，则该流程继续步骤707，电流比较器511产生脉冲，该脉冲的持续时间或长度等于复制的横流的持续时间或长度。在步骤709中，电流比较器511将此脉冲传送给与门521，该与门521放置在计数器515、517的前面。在步骤711中，然后这些门通过考虑PWM信号而使脉冲进入实际的计数器515、517，使得在给定的时刻仅一个计数器有效。这是因为反相器523将PWM脉冲反相到计数器_P 517。

在步骤713中，已经接收到脉冲的计数器使用时钟信号，通过计算脉冲内有多少个时钟信号来测量脉冲的持续时间。在步骤715中，持续时间的值被存储在计数器515、517的存储器中。则在步骤717中，持续时间的值被传送给对应的可编程单声道振动器525、527。在步骤719中，单声道振动器525、527产生消隐脉冲，该消隐脉冲的长度或持续时间对应于复制的横流的持续时间。最后，在步骤721，消隐脉冲被传送给对应的前置驱动器513、514，以将结合图5说明的主放大器开关的导通延迟。

通过仿真部分地测试了该方法，尤其是产生持续时间等于横流的脉冲。

在图8中更详细地示出包括电流传感器801、主放大器501、电流比较器511和基准电流源803的复制放大器509的2μm HV CMOS工艺的简单实用实施方案。在此图中，L是晶体管的长度，W是晶体管的宽度且M是晶体管的管脚的数量。

晶体管MN1、MN2、MN3…和MP1、MP2、MP3…，形成主放大器501。复制放大器509包括晶体管MN_Repl(MN_复制)和MP_Repl，在此示例中为节省功率和面积，晶体管MN_Repl和MP_Repl按比例缩小10倍。

晶体管MPS1为二极管连接，且与MPS2一起形成电流镜像。当低侧导通时，晶体管MPS3切断通过MPS2的电流，且使转换期间源极电势与MPS1的电势匹配。镜像电流(复制的横流)施加到电流放大器511，电流比较器511采用晶体管Q1-Q10实施。将复制的横流与基准电流比较，该基准电流必须小，例如20μA。

在图9中给出整个仿真装置。使用两个反相器代替前置驱动器。一反相器包括晶体管Q1和晶体管Q2，而另一反相器包括晶体管Q3和晶体管Q4。电阻R1仅用作电流测量，且不起其它作用。

通过使用更强的前置驱动器获得图10、图11、图12和图13中示出的仿真结果，该前置驱动器具有规格：Q1＝Q3＝20/2μm(即沟道宽度是20μm，且沟道长度是2μm)，Q2＝Q4＝50/2μm。图13示出温度变化。仿真是对27度和135度进行的。

图10中，可看到在放大器输出的下降沿(即放大器输入的上升沿)，N_Driver曲线比P_Driver曲线上升更快，表示在MP截止之前会使MN晶体管导通。放大器输出的下降沿意味着MN晶体管导通，而在此沿，MP晶体管将截止。由于MN和MP晶体管同时导通短时间，产生横流，如此图中所能看到的。比较器输出脉冲的长度对应于横流的长度。

图11更详细地示出在温度27摄氏度的图10的上升沿。图11的左部分虚线内的部分能够被放大，且在此图的右部分中示出。图12示出用于下降沿的情况。

图13示出温度对横流的影响。此图的左部分示出上升沿，且右部分示出下降沿。在此仿真中使用27摄氏度和135摄氏度的温度。能够得出结论：横流的持续时间在温度27度大大短于在温度135度。

通过使用更小的前置驱动器获得图14以及图15中的仿真结果，该更小的前置驱动器具有尺寸：Q1＝Q3＝10/2μm，且Q2＝Q4＝25/2μm。更小的驱动器的目的是减少转换速率，但采用此方式，主放大器501内的横流持续时间会增加。电流比较器511不得不产生与增加的横流持续时间匹配的更长的脉冲。

仿真结构清楚地证明方法的有效性。已经使用可能最简单的电路。实现的结果具有好的准确度且显示了方法的可靠性。提取的脉冲和实际电流尖波持续时间之间的匹配非常好。对不同的转换速率和温度，横流与提取的脉冲之间的差值大约是几ns(毫微秒)。电流比较器具有延迟(约8ns)，该延迟在本发明中不会起明显的作用。得出的结论是：该方法改善较大的推挽式输出级中的切换质量。

以上本发明的一实施方式被描述与D类音频放大器相关。本发明还能够用于高功率开关输出驱动器，诸如电荷泵底板驱动器、线圈驱动器等。

本发明还涉及计算机程序产品，该计算机程序产品当加载且运行在电子设备的计算机装置上时能够进行如上所述的任何方法步骤。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，该介质与其它硬件一起提供或作为其它硬件的一部分提供，但还可能以其它形式分布，诸如通过因特网或其它有线或无线电信系统。

本发明还涉及集成电路，该集成电路被布置成进行根据本发明的实施方式的任何方法步骤。

在附图和上述描述中已经详细示出以及描述本发明，这样的示出和说明被认为是示意性或示例性而非限制性，本发明不限于公开的实施方式。在实践请求保护的发明中，自附图、说明书和所附权利要求的研究中，本领域技术人员能够理解且实现公开的实施方式的其它变型。

在权利要求中，词语“包括”不排出其它部件或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个的处理器或其它单元可以执行几项在权利要求中引用的功能。在相互不同的从属权利要求中引用不同特征的事实本身并不表示不能够优选地使用这些特征的组合。权利要求中的任何附图标记不应该被解释为限制本发明的范围。

Claims

1.一种最小化主放大器(501)内的横流的方法，所述主放大器(501)包括开关(505；507)，所述主放大器(501)连接到复制放大器(509)，所述复制放大器(509)包括电流传感器(801)，所述主放大器(501)还连接到电流比较器(511)，所述方法包括：

-所述电流传感器(801)提取(701)复制的横流的镜像；

-所述比较器(511)将复制的横流的镜像与基准电流比较(705)；

-所述比较器(511)产生(707)第一脉冲，所述第一脉冲的持续时间基本上等于所述电流传感器(801)感测到的横流的持续时间，以产生用于主放大器(501)的第二脉冲，从而防止所述第二脉冲期间至少部分开关(505；507)导通，以最小化主放大器(501)内的横流。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述比较器(511)还连接到至少一个计数器(515；517)，所述计数器(515；517)中的至少一个测量所述第一脉冲的持续时间，以产生所述第二脉冲，其中，所述第二脉冲的持续时间基本上等于所述第一脉冲的持续时间。

3.如权利要求2所述的方法，其中，通过计算置于所述第一脉冲内的基准时间脉冲的数量来测量所述第一脉冲的持续时间。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述计数器(515；517)的至少一个连接到至少两个脉冲产生元件(525；527)，其中，所述脉冲产生元件(525；527)的至少一个基于所述第一脉冲的持续时间产生所述第二脉冲。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：基本周期性地将复位信号施加到所述第二脉冲，以将此脉冲的持续时间复位到0或接近0的初始值。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：将所述第二脉冲施加(721)到至少一个连接到所述放大器之一的前置驱动器(513；514)，以阻塞对相应的当前截止的放大器开关(505；507)的输入信号，以将这些开关的导通延迟。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述复制的横流持续时间基本与主放大器的横流持续时间匹配。

8.一种计算机程序产品，其包括指令，当将所述指令加载且运行在电子设备的计算机装置上时，所述指令用于实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

9.一种布置成最小化主放大器(501)内的横流的模块，所述模块包括：开关(505；507)，所述模块还包括：

-复制放大器(509)，所述复制放大器(509)包括用于提取复制的横流的镜像的电流传感器(801)；和

-比较器(511)，所述比较器(511)用于将所述复制的横流的镜像与基准电流比较，且用于产生第一脉冲，所述第一脉冲的持续时间基本等于由所述电流传感器感测到的复制的横流的持续时间，以产生用于主放大器(501)的第二脉冲，从而防止在所述第二脉冲期间至少部分所述开关(505；507)导通，以最小化所述主放大器(501)内的横流。

10.如权利要求9所述的模块，其中，所述模块还包括两个计数器(515；517)，所述计数器被布置成测量所述第一脉冲的持续时间，其中，所述第二脉冲的持续时间基本等于所述第一脉冲的持续时间。

11.如权利要求10所述的模块，其中，所述模块还包括：与门(521)，所述与门(521)在每个计数器(515；517)与所述电流比较器(511)之间，各与门(521)具有三个输入：分别用于基准时钟信号、所述电流比较器以及模块输入信号；所述模块输入信号中的一个通过反相器(523)被传送给所述计数器(517)，确保在给定时刻仅一个所述计数器(515；517)有效。

12.如权利要求10或11所述的模块，其中，所述模块还包括：两个脉冲发生元件(525；527)，各所述脉冲发生元件连接到所述计数器(515；517)之一，且其中各所述脉冲发生元件被布置成基于所述第一脉冲的持续时间产生所述第二脉冲。

13.如权利要求9至12中任一项所述的模块，其中，所述模块还包括两个前置驱动器(513；514)，所述前置驱动器用于对至少部分放大器(501；509)提供输入信号，各所述前置驱动器(513；514)被布置成：基于所述第二脉冲阻塞对相应的当前截止的放大器开关(505；507)的所述输入信号，以将这些开关的导通延迟。

14.如从属于权利要求12时的权利要求13所述的模块，其中，所述模块还包括或门(531)和与门(529)，所述或门(531)在前置驱动器中的一个(514)和脉冲发生元件中的一个(527)之间，所述与门(529)在前置驱动器中的另一个(529)和脉冲发生元件中的另一个(525)之间，或门和与门(529；531)具有两个输入，一个输入信号来自所述脉冲产生元件(525；527)中的一个，且另一输入来自模块输入信号。

15.如权利要求9至14中任一项所述的模块，其中，所述主放大器(501)被分成片，使得各片包括两个开关，且所述片被布置成并行工作，所述复制放大器(509)被放置在两个片之间。