CN103548249B - 用于单端d类放大器的供电装置 - Google Patents
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Abstract
用于单端D类放大器（1）的供电装置，包括第一初级绕组（7）、第二初级绕组（9）和控制器（15），第一初级绕组在正供电轨道和地之间与第一开关（8）串联连接，第二初级绕组与所述第一绕组同相并在负供电轨道和地之间与第二开关（10）串联连接，控制器适于向所述第一开关和第二开关施加控制信号，所述控制信号（Q）具有由死区时间（dt）分隔的预定义脉冲时间（pt）的启动脉冲。在使用中，通过相反的初级绕组，连接到具有最高数值电压的供电轨道的初级绕组传输轨道电位差到具有最低数值电压的供电轨道，因此减少绕组之间的任何电压不平衡。
Description
技术领域
本发明涉及音频的DC-DC和DC-AC转换，其中逆变器级(DC-AC)是单端D类放大器。
背景技术
现有技术中已知的且用于D类放大器的两种主要技术是全桥和半桥拓扑结构。
对于低成本的消费产品，半桥拓扑结构比全桥拓扑结构有明显的优势，因为只需要一半数量的功率开关、驱动器和输出电感器。尽管在半桥拓扑结构中功率开关的电压额定值是双倍的，仍然有制造和成本的降低的益处。与全桥拓扑结构相比，因为扬声器输出端子对地参考，过载保护和输出感测变得更加容易。
半桥D类拓扑结构的缺点是需要双轨供电，并且事实上这种拓扑结构将使电流从功率正在消耗的地方泵送回到相反的供电轨道。
文件WO2010/022220公开了一种抵消供电泵送的方法。根据这种解决方法，一个逻辑模块检测最高电压位置，并驱动两个开关中的一个来转移能量。
在来自申请人的更早的申请(US2009/0102295)中公开了有效解决轨道泵送问题的方法。通过那个发明已获得在消费产品中应用单端D类放大器的优势。
发明内容
本发明的一种实施方式特别涉及一种供电装置，其包括带有正供电轨道和负供电轨道来向单端D类放大器供电的供电单元；以及连接在正负电源轨道之间的变压器装置。该变压器装置包括第一初级绕组、第二初级绕组和控制器，第一初级绕组在正供电轨道和地之间与第一开关串联连接，第二初级绕组与第一初级绕组同相并在负供电轨道和地之间与第二开关串联连接，控制器适于向第一和第二开关提供控制信号，控制信号(Q)含有由死区时间分隔的预定义脉冲时间(pt)的(启动)脉冲。当第一和第二开关闭合(启动)时，第一绕组将经历第一电位差并且第二绕组将经历第二电位差。如果第一电位差比第二电位差大，第二开关将充当整流器，并且能量将从第一绕组转移到第二绕组，如果第二电位差比第一电位差大，第一开关将充当整流器，能量将从第二绕组转移到第一绕组，使得能量将逐循环地连续传输，从而减少供电泵送。
所述第一初级绕组和所述第二初级绕组每个都可具有相同的匝数。
在正向循环期间，当两个开关都闭合(启动)时，与具有最高数值电压的供电轨道连接的初级绕组将会通过相反的初级绕组向具有最低数值电压的供电轨道传输轨道电位差以减少绕组之间的不平衡。此动作被称为供电泵送抵消。泵送减少的动作将逐个循环地连续发生。(“最高数值电压”意指轨道具有离零很远的电压。因此负电压-31“数值上大于”正电压+29)。
通过主动消除或减少供电泵送，可以避免对大型轨道电容的需求，从而提高系统的紧凑性和供电质量，这内在地将导致更好的音频性能。本发明将使单端放大器结构的所有好处得以实现，而不引入产生供电轨道泵送现象的传统问题。
由于所述供电源的泵送抵消动作，起源于开关模式或线性供电的任意前端+/-供电轨道将起作用，因为供电只需要提供电流。
根据所述的实施方式，供电装置进一步包括泵电流控制装置，其包括变压器，此变压器包括与第一初级绕组串联连接的泵电流控制初级绕组、用于监控通过泵电流控制初级绕组的泵电流幅值的泵电流控制次级绕组、和用于从次级绕组向单端D类放大器的音频信号控制路径回馈泵电流信息的回馈路径，所述单端D类放大器连接于供电装置以启用泵电流调节。
变压器装置进一步包括空气间隙和至少一个次级绕组，此次级绕组与第一和第二初级绕组有180度的相移，用于提供至少一个次级电压。
在这种情况下供电装置适于在正向循环期间在变压器空隙中存储能量，并且存储的能量被分配到次级绕组，以在第二循环阶段(反激循环)来提供反激电压。次级电压可能被用于各种“整理内部事务”的目的，例如用于运算放大器的供电和驱动音频放大器中场效应晶体管。
这种实施方式以非常简单的和成本有效的方式提供了带有泵送抵消功能的反激变换器。承受更大的电位差的初级绕组将形成反激变换器的一部分，并转换功率到次级绕组，而其它的初级绕组在正向循环中反射功率转换初级绕组两端之间的电压，以实现泵送抵消，因此确保轨道电压平衡。
根据此实施方式的供电装置实质上包括反激变换器，其设置有额外的初级线圈，以使其能够提供连接于正向和负供电轨道的单端D类放大器的泵送抵消。
两个初级绕组中的任何一个被用于功率转换；相反的初级绕组将在正向循环期间以相反的极性反射转换初级绕组两端之间的电压。
次级电压可通过控制信号的电流型脉宽调制得到有利地调节，此控制信号在变压器装置中提供给开关。
根据一种实施方式，供电装置设置有反激控制装置，以检测反激电流的幅值，所述反激控制装置包括反激电流变压器和回馈路径，所述反激电流变压器具有：与所述第一初级绕组串联连接的第一反激控制初级绕组、与所述第二初级绕组串联连接的并与第一反激控制初级绕组同相的第二反激控制初级绕组、以及与所述第一和第二反激控制初级绕组同相耦合的反激控制次级绕组，所述反激控制次级绕组监控通过反激控制初级绕组的反激电流幅值；回馈路径从所述反激控制次级绕组向所述控制器回馈反激电流信息，用于通过控制信号(Q)的电流型脉宽调制来调节任何反激次级电压。
所述反激控制初级绕组可被布置成使得来自通过所述反激控制初级绕组的泵电流的贡献相互抵消，确保只有所述反激电流可被所述绕组检测到并可被提供给所述电流型控制器。
所述第一开关和所述第二开关可被所述控制器控制，以在正向循环和反激循环之间切换，在所述正向循环期间，所述第一开关和所述第二开关可以都是闭合的(启动)，在所述反激循环期间，所述第一开关和所述第二开关可以都是打开的(关断)。
所述变压器装置可以有单个磁芯。
所述供电系统还可包括第一钳位二极管，该第一钳位二极管可连接在所述第一开关的源极节点和所述负供电轨道之间，以便存储于所述初级绕组的漏电感中的任何能量通过所述钳位二极管被返回到所述负轨道。
所述供电系统还可包括第二钳位二极管，该第二钳位二极管可连接在所述第二开关的漏极节点和所述正供电轨道之间，以便存储于所述初级绕组的漏电感中的任何能量通过所述钳位二极管被返回到所述正轨道。
所述供电系统还可包括第二变压器装置，该第二变压器装置可与所述第一变压器装置相互交错，其中所述第二变压器装置的开关可由第二控制信号Qneg控制，所述第二控制信号Qneg对于所述第一控制信号Q可以有180度相移。
通过将泵电流控制变压器和反激控制变压器两者互相分开实现，泵送抵消循环和反激循环的电流信息可以被分别监控。
因此，对于供电泵送调节和次级反激调节两者，可以逐个循环地获得电流限制。电流限制等级在两种模式中分别设置。
根据本发明的装置被有利地嵌入到消费者或专业多媒体产品，包括音频/视频提供商。
根据本发明的一种供电装置在任何消费者或专业产品中被实施，包括向用户提供音频的装置，其包括但不限于：音频/视频系统、多媒体播放器、汽车、船只和类似物中的音频/视频设备。
附图说明
本发明将参考附图进行更详细的描述，示出了此发明当前优选实施方式。
图1示出了根据本发明的实施方式实现供电装置的音频放大器系统的方块示意图。
图2示出了根据本发明的另一实施方式实现供电装置的音频放大器系统的方块示意图。
图3示出了根据本发明的又一实施方式实现供电装置的音频放大器系统的方块示意图。
具体实施方式
图1表明了包括连接到由电源3馈电的供电单元(PSU)2的单端D类放大器1的音频系统。电源3可能是AC或DC，供电单元可能是开关模式类型或简单的线性PSU。PSU2有两个供电轨道输出，正轨道4和负轨道5，这两个供电轨道与单端D类放大器1相连接并向它供电。
系统进一步包括变压器装置，其连接于轨道4、5之间。变压器装置包括在正轨道4和地之间与第一开关8串联连接的第一初级绕组7、在负轨道和地之间与第二开关10串联连接的第二初级绕组9。每一个初级绕组的匝数优选是相同的。不管电流和温度，每个开关8和10优选有相同的电气特性，从而有相同的压降，因此确保轨道之间最好的合理跟踪。开关8、10可以是例如MOSFET晶体管。
变压器装置进一步包括一个或多个次级绕组，示出了四个次级绕组11、12、13、14的情况，其与初级绕组有180度的相移。这些绕组形成了辅助电源供应装置，用于提供大量的内部事务电压(housekeeping voltage)用于D类放大器操作。特别是绕组11和12向D类放大器1中的信号放大器(例如运算放大器)提供正向和负驱动电压(典型地正和负5V)。绕组13提供单个电压输出以向低侧D类放大器FET驱动器供电。这个电压可以被自举来为FET驱动器提供高侧电压。绕组14提供辅助反激电压。可以增加任何额外的应用特定的反激输出电压。
开关8和10由来自控制器15的控制信号Q控制，这里，控制器15为电流型控制器。控制信号可以是矩形脉冲信号，包括被死区时间分隔的启动脉冲。
变压器装置在单个的磁性结构中实现。根据一种实施方式，变压器装置是一个平面变压器，其中绕组7、9、11、12、13、14在印刷电路板(PCB)上形成。
图1中的系统进一步包括泵电流控制16，其包括连接在初级绕组7和正轨道4之间的初级绕组17、及检测通过初级绕组17的双向电流幅值的次级绕组18。泵电流控制16进一步包括具有全桥整流器19和电阻20的回馈路径21，其适于将电阻20两端之间的电压回馈至连接于单端D类放大器1的放大器控制器22。这里，回馈路径也与电流型控制器15相连。
系统进一步包括反激控制23，其具有与第一初级绕组7串联连接的第一初级绕组24和与第二初级绕组9串联连接的第二初级绕组25。初级绕组24和25是同相的。反激控制23进一步包括次级绕组26，其与初级绕组24、25同相耦合，以监控通过初级绕组24、25的电流幅值。反激控制进一步包括回馈路径27，将电阻28两端之间的电压回馈至电流型控制器15。
初级绕组24、25被布置成如下方式：通过绕组24和25的泵电流相互抵消，确保只有反激电流被绕组26检测到并被提供给电流型控制器15。
操作期间，放大器1由正向和负轨道4、5供电。开关8、10被控制器15控制，以在开关8、10两者都闭合的正向循环和两个开关都打开的反激循环之间切换。
在正向循环中，绕组7两端之间将出现正供电轨道电压，而绕组9两端之间将出现负供电轨道电压。绕组7和9两端之间的电位差有相同的极性(也就是说在这两种情况下点连接到正向的一侧)。有最高电压的轨道将在正向循环中改变到相反轨道。开关8和开关10将依据电流方向或充当开关或充当整流器。
因此，电位差将均等，泵送效应会得到限制或消除。
这被称为供给泵送减少系统，通过迫使电流从具有最高数值电压的供电轨道到具有最低数值电压的供电轨道，此系统重新分配从单端D类放大器被回馈的任意泵送电荷。泵送减少行为将逐个循环地连续发生。
同时，随着向具有较低数值电位的轨道转移能量，承受最大的电位差初级绕组也将给变压器装置的空气间隙充电。
在反激循环阶段，当开关8、10打开时，在正向循环期间存储于空气间隙的能量将通过次级绕组和整流二极管重新分配，引起次级回馈电压。变压器装置因此在正向循环和反激循环两者中在功率转换中是有效的。
关于泵电流的信息通过回馈路径21回馈到放大器控制器22和电流型控制器15，以调节泵电流并提供过流保护。
关于反激电流的信息通过回馈路径27回馈到电流型控制器15，以通过控制信号Q的电流脉宽调制实现反激电压的电流型调节。
反激的次级输出电压和操作点被调整以与某些要求匹配。接近50％的占空比的恒流模式边界之上稳态操作是优选的。
根据本发明的进一步实施方式，图2中所示，变压器装置包括两个额外的钳位二极管34和29。第一个二极管34其阳极与负轨道5连接，并且阴极连接开关8的源极节点。第二个二极管29其阳极与开关10的漏极节点连接，并且其阴极连接正轨道4。正向循环期间存储于初级绕组7的漏电感中的任何能量将会在反激循环期间通过第一钳位二极管34返回负轨道5。正向循环期间存储于初级绕组9的漏电感中的任何能量将会在反激循环期间通过第二钳位二极管29返回正轨道4。
因为在大多数应用中，轨道电压水平得到调节，并且放大器的反激负载几乎不变，控制开关8、10的控制信号Q最好有接近于50％的占空比，这对因泵送抵消而导致的轨道不平衡的管理是最佳的。
然而，为了进一步加强泵送抵消性能，如图3所示的一个交错设计可以实施。
在此实施方式中，除了上述的装置30，变压器装置包括额外一组变压器绕组和开关31。额外的开关32、33被控制信号Qneg控制，其对于Q相移180度。也就是说，当Q是启动，Qneg是关断，反之亦然。这种交错将使正向泵送抵消占空比接近100％，从而获得几乎连续的泵送抵消。
将反激输出进行交错将部分地抵消反激输出11、12、13、14上的纹波电流，因为纹波频率将是非交错频率的二倍。
本领域技术人员会发现本发明绝不限于上述提出的实施方式。相反地，许多修改和变化可能是在所附权利要求范围内。例如，可能使用其他类型的开关，电路细节可能与图例有偏差。
Claims (12)
1.一种供电装置，包括供电单元(2)和第一变压器装置，所述供电单元(2)具有用于向单端D类放大器(1)供电的正供电轨道(4)和负供电轨道(5)，所述第一变压器装置连接在所述正供电轨道和所述负供电轨道之间，所述第一变压器装置包括：
第一初级绕组(7)，其在所述正供电轨道和地之间与第一开关(8)串联连接，
第二初级绕组(9)，其与所述第一初级绕组同相并在所述负供电轨道和地之间与第二开关(10)串联连接，和
控制器(15)，其适于向所述第一开关和所述第二开关施加第一控制信号Q，所述第一控制信号Q具有由死区时间dt分隔的预定义脉冲时间pt的启动-脉冲，
使得当所述第一开关和所述第二开关(8,10)闭合启动时，所述第一初级绕组将经历第一电位差并且所述第二初级绕组将经历第二电位差，
其中，如果所述第一电位差比所述第二电位差大，则所述第二开关将充当整流器，能量将从所述第一初级绕组转移到所述第二初级绕组，并且
其中，如果所述第二电位差比所述第一电位差大，则所述第一开关将充当整流器，能量将从所述第二初级绕组转移到所述第一初级绕组，
使得能量将逐循环地连续传输，从而减少供电泵送。
2.如权利要求1中所述的供电装置，其中所述第一初级绕组和所述第二初级绕组(7、9)每个都具有相同的匝数。
3.如权利要求1中所述的供电装置，还包括泵电流控制装置(16)，该泵电流控制装置(16)包括：
变压器，其具有泵电流控制初级绕组(17)和泵电流控制次级绕组(18)，所述泵电流控制初级绕组(17)与所述第一初级绕组串联连接，所述泵电流控制次级绕组(18)监控通过所述泵电流控制初级绕组的泵电流的幅值，和
回馈路径(21)，其从所述次级绕组(18)向泵控制器(22)回馈泵电流信息来实现泵电流调节。
4.如上述任一权利要求中所述的供电装置，其中所述第一变压器装置还包括空气间隙和与所述第一初级绕组和所述第二初级绕组(7、9)有180度相移的至少一个次级绕组(11、12、13、14)，用于提供至少一个次级电压。
5.如权利要求4中所述的供电装置，其中所述次级电压由所述第一控制信号Q的电流型脉宽调制调节。
6.如权利要求4中所述的供电装置，还包括反激控制装置(23)，该反激控制装置(23)包括：
反激控制变压器，其具有第一反激控制初级绕组(24)、第二反激控制初级绕组(25)和反激控制次级绕组(26)，所述第一反激控制初级绕组(24)与所述第一初级绕组串联连接，所述第二反激控制初级绕组(25)与所述第二初级绕组串联连接并与所述第一反激控制初级绕组同相连接，所述反激控制次级绕组(26)与所述第一反激控制初级绕组和所述第二反激控制初级绕组同相耦合，以监控通过所述第一反激控制初级绕组(24)、所述第二反激控制初级绕组(25)的反激电流的幅值，和
回馈路径(27)，其从所述反激控制次级绕组向所述控制器回馈反激电流的信息，用于通过所述第一控制信号Q的电流型脉宽调制来调节任何反激次级电压。
7.如权利要求6中所述的供电装置，其中所述第一反激控制初级绕组(24)和所述第二反激控制初级绕组(25)被布置成使得来自通过所述第一反激控制初级绕组(24)和所述第二反激控制初级绕组(25)的泵电流的贡献相互抵消，确保只有所述反激电流被所述反激控制次级绕组(26)检测到并被提供给所述控制器(15)。
8.如权利要求1-3中任一项所述的供电装置，其中所述第一开关和所述第二开关(8、10)被所述控制器(15)控制，以在正向循环和反激循环之间切换，在所述正向循环期间，所述第一开关和所述第二开关(8、10)都是闭合启动的，在所述反激循环期间，所述第一开关和所述第二开关(8、10)都是打开关断的。
9.如权利要求1-3中任一项所述的供电装置，其中所述第一变压器装置有单个磁芯。
10.如权利要求1-3中任一项所述的供电装置，还包括第一钳位二极管(34)，该第一钳位二极管(34)连接在所述第一开关(8)的源极节点和所述负供电轨道(5)之间，以便存储于所述第一初级绕组(7)的漏电感中的任何能量通过所述第一钳位二极管(34)被返回到所述负供电轨道。
11.如权利要求1-3中任一项所述的供电装置，还包括第二钳位二极管(29)，该第二钳位二极管(29)连接在所述第二开关(10)的漏极节点和所述正供电轨道(4)之间，以便存储于所述第二初级绕组(9)的漏电感中的任何能量通过所述第二钳位二极管(29)被返回到所述正供电轨道。
12.如权利要求1-3中任一项所述的供电装置，还包括第二变压器装置(31)，该第二变压器装置(31)与所述第一变压器装置相互交错，其中所述第二变压器装置的开关(32、33)由第二控制信号Qneg控制，所述第二控制信号Qneg对于所述第一控制信号Q有180度相移。
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