CN102792584A - 具有电流感测的平面音频放大器输出电感器 - Google Patents

具有电流感测的平面音频放大器输出电感器 Download PDF

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Abstract

一种包括平面电感器结构的音频放大器，该平面电感器结构包括在第一电路板的层上形成的第一多个绕组和在第二电路板的层上形成的第二多个绕组。该平面电感器结构还可以包括感测绕组。

Description

具有电流感测的平面音频放大器输出电感器
技术领域
本说明书描述了具有电流感测的平面音频放大器输出电感器。参考以引用的方式整体合并入本文的美国专利7,432,793。
发明内容
在一个方面，音频放大器包括平面电感器结构，该平面电感器结构包括在第一电路板的层上形成的第一多个绕组(winding)和在第二电路板的层上形成的第二多个绕组。该音频还可以包括输出级和开关级。该第一多个绕组可以与该输出级相邻，并且该第二多个绕组可以与该开关级相邻。可以由具有厚度的间隔结构隔离该第一多个绕组和该第二多个绕组。电感耦合常数K可以与该厚度成正比。该间隔结构可以包括介电(dielectric)材料层。该间隔结构可以包括互连管脚。该第一多个绕组和该第二多个绕组可以由可以与该间隔结构的该厚度成正比的耦合常数K表征。平面输出电感器还可以包括基本上封住该第一多个绕组和该第二多个绕组的铁氧体芯(ferritecore)结构。该铁氧体芯可以包括由具有宽度的缝隙隔离的两个相对面。该输出电感器的电感量可以与该缝隙的宽度成正比。所要求的音频放大器还可以包括第一芯结构和第二芯结构，其中该第一芯结构包括铁氧体，该第二芯结构包括磁导率μ在4到200范围之内的材料。该第一结构和该第二结构可以被配置为使得它们形成具有用于容纳该第一多个绕组和该第二多个绕组的腔体的组合结构，其中，该输出电感器的电感量与μ成正比。该音频放大器还包括用于感测该电感器中的电流的感测线圈，该感测线圈在该第一电路板的层上形成且与该第一多个绕组中的一个绕组相邻。
在另一个方面，音频放大器包括平面电感器结构，该平面电感器结构包括在第一电路板的层上形成的第一多个绕组以及与该第一多个绕组中的一个绕组相邻用于感测该第一多个绕组中的电流的感测线圈。该平面电感器结构还可以包括在第二电路板的层上形成的第二多个绕组。
当结合附图来阅读以下详细描述时，其他特征、目标和优点将变得显而易见，其中：
附图说明
图1、2、3和4A是D类放大器的框图；
图4B是示出了耦合电容的效应的D类放大器的框图；
图5是显示了耦合系数的效应的
Figure BPA00001609443100021
的图；
图6A和6B是具有电流感测环路的平面电感器的示意性横截面；以及
图7是电感器和感测线圈的俯视图。
具体实施方式
附图的多个视图的元素在框图中可以被显示并且描述为离散元件并且可以被称为“电路”，若非另外指示，这些元件可以被实现为模拟电路、数字电路或一个或多个用于执行软件指令的微处理器中的一个或组合。软件指令可以包括数字信号处理器(DSP)指令。可以由模拟电路或由用于执行与模拟操作等效的算术或逻辑的软件的微处理器执行操作。若非另外指示，可以将信号线实现为离散模拟或数字信号线，实现为具有合适的信号处理以处理音频信号的独立流的单个离散数字信号线，或者实现为无线通信系统的元件。在框图中可以描述一些过程。可以由一个元件或由多个元件并且可以在时间上分离地执行每个框中的活动。用于执行框的活动的元件可以是物理上分离的。若非另外指示，可以用数字或模拟形式编码并且发送音频信号或视频信号或者两者；在附图中可以不显示常规的数模转换器和模数转换器。
图1显示了D类放大器10。Vhigh电压源12由开关16耦合到开关节点14，并且由二极管20耦合到节点18。Vlow电压源22由开关24耦合到开关节点14，并且由二极管26耦合到节点18。开关节点14可以经过电容40(其无需表示组件电容器，并且可以是例如来自用于执行开关16和24以及二极管20和26的功能的场效应晶体管[FET]的寄生电容)耦合接地，并且耦合到节点18。由电感器30将节点18耦合到节点28。节点28由输出电容器32耦合接地，并且耦合到输出终端34。将输出终端34耦合到负载36。将调制器38可操作地耦合到开关16和24以控制开关16和24。
电感器30和电容器32形成输出滤波器。开关放大器通常利用输出滤波器来防止开关频率及其谐波辐射以及对其他设备造成电磁干扰(EMI)。
在操作中，由调制器38根据开关周期来闭合和打开开关16和24。闭合开关16以在一个时间间隔内经过电感器30将负载连接到比需要的最高负载电压更高的电压源(Vhigh)12，在该时间间隔结束时，打开开关16并且闭合开关24以在另一个时间间隔内经过电感器30将负载连接到比需要的最低负载电压更低的电压源(Vlow)22。电压将平均为Vlow与Vhigh之间与两个开关的相对“接通”时间成正比的值。调制器显著、连续地改变该比例(“占空比”)以便产生希望的输出电压。当开关16接通时，电感器电流(向外的方向所参考的)将正向变化，并且当开关24接通时，电感器电流将反向变化，并且将平均为输出电流，其中，开关周期变化被称为“波纹电流”。大部分而言，波纹电流将流过输出电容器32，并且平均电感器电流将等于负载中的电流。
由于各种各样的原因，包括减轻由包括电感器30和电容器32的输出滤波器引起的畸变，希望在负载处在滤波器之后的输出电压周围闭合反馈环路。由于该滤波器是第二级系统，并且在放大器控制系统中存在其他延迟以及对相位滞后的其他贡献因素，所以这需要附加补偿以给出稳定的系统。在图2中显示了如此做的一种方式。图2的放大器包括输出电压环路，在该输出电压环路中，将在输出终端34处的电压反馈给包括电压环路求和器11和电压环路补偿器13的电压反馈电路。另外，包括用于感测电感器30、电流环路求和器15和电流环路补偿器17中的电流的电流传感器42的内电流环路对外电压环路的输出进行操作，以稳定外电压环路。该电流环路优选地包括用于感测输出电感器中的电流的高带宽低噪声方法。由于下文将解释的原因，可能希望将电流传感器42放置在电感器30的输出级末端；但是，可以将该电流传感器放置在任意合适的点上。
一种高带宽AC电流传感器基于对输出电感器30两端的电压求积分。始于
Figure BPA00001609443100041
然后
Figure BPA00001609443100042
因此，可以如图3中所示地实现图2的电流传感器42。电流传感器42包括被电感耦合到输出电感器30并且通过积分器53被电气耦合到输出终端52的感测绕组50，从而可以从终端52的输出得出输出电感器30中的电流。然后可以向图2的电流环路求和器15提供得出的电流。该电流传感器仅意图用于AC并且不意图用于DC。
图4A显示了具有附加特征的D类放大器的输出部分。图4A的放大器另外包括连接到输出电感器上的抽头的调谐网络54(包括串联的电感器56、电容器58和电阻60)，如例如美国专利7,432,793的图8中所显示的，其中图4A的电阻60是寄生电阻。以下将在图5的讨论中解释调谐网络54的优点。如果将调谐网络电感器56实现为常规绕磁结构，则具有图4A的配置的放大器可能具有一些缺点。缺点可能包括感测绕组与输出电感器30的绕组之间的耦合电容；由于调谐严重地受到输出电感器30的两个部分30A和30B之间的磁耦合系数K的影响而导致的谐振网络调谐时的困难；由附加绕组、抽头和管脚导致的额外成本；以及与电感器中匝数和线规完全不同的多个绕组相关联的机械问题和变化。
可以参考图4B解释耦合电容问题，其中图4B是图4A的D类放大器的输出部分，在图4B中在开关16和24的输出与到电流感测电路中的积分器的输入之间增加了附加电容器62(表示感测绕组50与输出电感器30之间的寄生耦合电容)。该耦合电容置入差错项。电流感测电路对该差错项求积分，该差错项产生了加到传感器的输出中的与放大器输出电压成正比的项。在我们依赖传感器来给出放大器输出电流的干净图像(clean image)的情况下，这是不希望的。
如果将输出电感器30的两个部分30A和30B表示成由耦合系数K耦合的两个电感器，Vin表示节点64处的电压，并且Vout表示在输出终端34处的电压，则
Figure BPA00001609443100051
严重地受到耦合系数K的值的影响。
图5显示了
Figure BPA00001609443100052
的频率响应。曲线66表示无调谐网络54的频率响应。曲线68表示具有调谐网络54并且耦合系数K为0.99的频率响应。曲线70表示具有调谐网络54并且耦合系数K为0.9的频率响应。可以看出系数K仅仅10％的变化导致大约6dB的系统响应差异。
图6A显示了提供可重复性强的耦合系数K并且降低由图4B的电容器62所表示的寄生电容的效应的平面电感器的横截面。具有符号(prime)(’)指示符的附图标记表示在之前的附图中具有对应附图标记的电路元件的物理实现。电感器部分30A’表示电感器的“嘈杂”部分，即包括电感器中与之前的附图的开关18和24相邻的末端(“嘈杂末端”)的电感器部分。电感器部分30B’表示电感器的“安静”部分，即包括电感器中与输出级相邻的末端(“安静末端”)的电感器部分。在主印刷电路板(pcb)64的层上形成电感器的安静部分30B’，该部分即为印刷电路板中用于在其上装配其他组件并且用于在其中形成与其他电路元件的互连的部分。在由厚度为t(例如0.2mm)的间隔区70与主pcb 64相隔的额外pcb结构66的层上形成电感器的嘈杂部分30A。可以由主pcb 64之中或之上的介电层、利用互连管脚或者以其他方式实现该间隔。间隔70在电感器的部分30A与30B之间提供可重复的耦合系数K。耦合量与间隔70的厚度反向变化，并且可以针对具体希望的耦合而定制。将用于生成电流感测信号的绕组50’放置在主pcb 64的顶部上，并且由电感器匝圈将其与电感器的“嘈杂”部分屏蔽。由图4B的电容器62所表示的寄生电容小于具有常规配置的寄生电容。在美国专利7,432,793中描述了铁氧体芯68。在图6A的实现中，由铁氧体芯的两个相对表面之间的距离s确定平面电感器的电感量。
图6B显示了提供可重复性强的耦合系数K并且降低由图4B的电容器62所表示的寄生电容的效应的平面电感器的另一个实现的横截面。除了由具有第一部分72和第二部分74的芯结构代替图6A的铁氧体芯68之外，图6B的实现与图6A的结构类似。第一部分72是铁氧体结构，并且第二部分74包括磁导率μ在4到200的范围之内的低磁导率材料。一种合适的材料是可从美国加尼佛尼亚州的阿纳海姆微金属公司(Micrometals Inc.of Anaheim)商购的绝缘基体中的一类微米级氧化铁粉末。第一部分72和第二部分74被配置为使得它们可以匹配以形成具有用于容纳嘈杂电感器部分30A’和安静电感器部分30B’以及感测线圈50’的腔体的芯。第一部分72和第二部分74还被配置为使得当它们匹配时，第一部分72至少部分地封住噪杂电感器部分30A’，并且使得第二部分至少部分地封住安静电感器部分30B’。第一部分72和第二部分匹配，以使得距离s为零。在图6B的配置中，根据第二部分74的磁材料的磁导率μ确定电感量。其他配置是可能的。例如，第一部分72可以包括低磁导率材料，并且第二部分可以包括铁氧体芯。
图7是具有感测线圈不具有图6A的铁氧体芯或图6B的芯结构72、74的平面电感器的俯视图。图7中的附图标记指代之前的附图中类似标记的元素。在实际实现中，典型而言，主pcb 64显著大于电感器，并且具有许多其它组件装配在其上。互连垫80用于将电感器线圈以美国专利7,432,793中所述的方式连接到其他电路元件或者经由其将该电感器线圈与该pcb的其他层上的电感器线圈互连。互连垫82用于将感测线圈50’连接到其他电路元件。
在不脱离本发明的概念的前提下可以做出对于本文所公开的具体装置和技术的多种使用和偏离。因此，要将本发明解释为包括本文公开的每个新颖特征和特征的新颖组合，并且仅受到所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (11)

1.一种音频放大器，包括：
平面电感器结构，其包括：
在第一电路板的层上形成的第一多个绕组；
在第二电路板的层上形成的第二多个绕组。
2.根据权利要求1所述的音频放大器，其中，所述音频放大器还包括输出级和开关级，其中，所述第一多个绕组与所述输出级相邻，并且所述第二多个绕组与所述开关级相邻。
3.根据权利要求1所述的音频放大器，其中，由具有厚度的间隔结构将所述第一多个绕组和所述第二多个绕组隔离，并且其中电感耦合常数K与所述厚度成正比。
4.根据权利要求3所述的音频放大器，其中，所述间隔结构包括介电材料层。
5.根据权利要求3所述的音频放大器，其中，所述间隔结构包括互连管脚。
6.根据权利要求3所述的音频放大器，其中，所述第一多个绕组和所述第二多个绕组由耦合常数K表征，其中K与所述间隔结构的所述厚度成正比。
7.根据权利要求1所述的音频放大器，其中，所述平面输出电感器还包括基本上封住所述第一多个绕组和所述第二多个绕组的铁氧体芯结构，所述铁氧体芯结构包括由具有宽度的缝隙隔离的两个相对面，其中所述输出电感器的电感量与所述缝隙的所述宽度成正比。
8.根据权利要求1所述的音频放大器，还包括：
包括铁氧体的第一芯结构；
第二芯结构，所述第二芯结构包括磁导率μ在4到200的范围之内的材料，所述第一结构和所述第二结构被配置为使得它们形成具有用于容纳所述第一多个绕组和所述第二多个绕组的腔体的组合结构，其中所述输出电感器的电感量与μ成正比。
9.根据权利要求1所述的音频放大器，还包括：
感测线圈，用于感测所述电感器中的电流，所述感测线圈在所述第一电路板的层上形成且与所述第一多个绕组中的一个绕组相邻。
10.一种音频放大器，包括：
平面电感器结构，其包括在第一电路板的层上形成的第一多个绕组；以及
感测线圈，用于感测所述第一多个绕组中的电流，所述感测线圈与所述第一多个绕组中的一个绕组相邻。
11.根据权利要求10所述的音频放大器，其中，所述平面电感器结构还包括在第二电路板的层上形成的第二多个绕组。
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