CN105763162B - 串联耦接的功率放大器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种功率放大器系统，所述功率放大器系统包括两个电源、布置为两个放大器全桥的四个放大器半桥，以及音频处理器，所述音频处理器用于为放大器全桥建立控制信号，其中音频处理器和电源之一共享共同接地电位，而另一电源具有浮置接地；其中具有共同接地的放大器和具有浮置接地的放大器都具有放大器互连输出和放大器输出，以及其中放大器互连输出相连，并且负载被连接至所述放大器输出。还相应地公开了放大方法和扩音系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压音频放大器。
背景技术
高压音频放大器通常用于固定的音频装置，所述音频装置从音频功率放大器到扬声器的距离远。这种装置的特征常常是具有连接至相同的放大器输出通道的若干扬声器。为了将扬声器传输线的功率损耗保持在合理的低水平，将所述放大器输出的电压保持在高水平，从而在长传输线路中的电流较小，以及由此的低功率损耗，因为功率等于电流平方乘以传输线电阻。为了匹配常用在这些装置中的低阻抗(4-8欧姆)动态扬声器，每个扬声器配备有变压器，所述变压器将信号转换到合适的低电压电平。当从电力站向用户的115/230VAC电源插座输送能量时，正是采用相同的原理。在这种情况下，能量通过相对细的高压电力线路输送数百公里，经过多个当地变电站，在所述当地变电站，电压被转换到典型的115/230V AC用户电平。
上述音频装置系统常被命名为恒定电压放大器、高电压音频分配系统或70V/100V放大器，如今采用不同的技术来达到高输出电压的要求。一种非常常见的方法是使用具有有限电压容量的传统音频放大器，并给其装备一个相当大的音频变压器从而将原始放大器输出转换为更高的电压电平。当然这与纯固态方案相比，在价格、大小和重量上有所损失。应当提到，这种变压器必须将全部电量传给的几个扬声器，并且这种输出变压器的功率容量原则上应当等于连接的扬声器链中设立的变压器的功率容量的总和。典型地，变压器具有有限的低频响应，原因是由于低音频的高的变压器电流，变压器容易运行到铁芯饱和。
另一建立高电压放大器输出的技术是设计固态放大器，所述固态放大器可以直接产生高电压。随着D类音频放大器技术的兴起，这种技术越来越多见。但是，采用目前可用的功率晶体管，这种设计的电压要求仍然是相当棘手的。目标为70Vrms的输出能力的话，对于全桥设计要求等级高于100V的晶体管，对于单端设计要求高于200V的晶体管。在这些电压电平，要求分立设计，这是由于没有能够承受这个电压电位的单块功率器件。
从现有技术已知克服有限晶体管电压能力问题的一些其它技术。
美国专利申请公开号2008/0309406A1(Jonkman)描述了一种全桥设计，其中将两个放大器输出之一连接到地。这就要求放大器桥由浮置电源供电，原因是两个开关节点(switching nodes)输出必须既能够采取全正轨，也能够采取全负轨，因此如果应按预期操作放大器桥(从负载的角度看)，在此设计中电源电压无法和地关联。在此专利申请中提到，需要两个隔离电源才能够桥接两个这样的放大器。
美国专利号6671329(Lenz)描述了一种用于磁共振层析摄影装置的高电压梯度放大器设计。此设计由若干串联的PWM放大器组成，每个PWM放大器具有独立浮置电源。
上述的两种设计都要求每个全桥一个隔离电源，以及到每个全桥和来自每个全桥的电隔离控制和反馈信号。除了提到的控制和反馈信号，也常需要将若干其它信号从隔离电路传送出来，或者传送进隔离电路，从而快速地要求大量的隔离信号传输。常被要求的这种进一步的信号可能包括控制器和电源之间的、以及控制器和放大器之间的“状态”、“警告”和“错误”数据。
发明内容
本发明已经明确了与高压音频放大器相关的上述问题和挑战，并且进行了下述发明。目的包括提供采用低成本和低电压放大器构件的高电压音频放大器，和/或提供采用标准的现有单块功率器件的高电压音频放大器，和/或对现有技术的其它改进或替代。
在一方面，本发明涉及一种功率放大器系统，所述功率放大器系统包括音频处理器，所述音频处理器包括音频输入和控制输出；连接至第一电源的第一放大器全桥；以及连接至第二电源的第二放大器全桥；其中所述第一放大器的放大器互连输出连接至所述第二放大器的放大器互连输出；其中所述第一放大器和所述第二放大器各包括放大器输出，用于将被连接在二者之间的负载；其中所述第一电源和所述音频处理器具有共同接地电位，且所述第一放大器被连接至所述控制输出；其中所述第二电源相对于所述共同接地电位浮置，且所述第二放大器通过隔离栅被连接至所述控制输出。
所公开的功率放大器系统可实现建立采用低成本和低电压放大器构件的高电压音频放大器。与设计用于高输出电压运行的传统的单端和桥式连接负载放大器系统相比，本发明一个方面的放大器设计可由标准的现有的单块功率器件构建，所述传统的单端和桥式连接负载放大器系统要求能够处理高电压电平的分立的功率晶体管。这种设备通常包括所有必须的保护方案，像过流保护、短路保护、过温保护、欠压保护和过电压保护。除了低价格和大量功能内置于设备的好处外，这些设备还在必须通过像北美CSA认证标的安全审批阶段的应用上有优势，原因是与采用分立的功率器件相比，安全测试程序中的短路的复杂度和所需数量降低。这使得测试程序的开展和通过变得简单得多。
与描述桥式连接负载放大器系统的桥接和/或串联耦合技术的现有技术相比，所公开的功率放大器系统降低了放大器控制机制与放大器本身之间的电隔离要求，并且还可使得所需隔离电源数量减少。采用所公开的功率放大器系统，与由现有技术所知的相比，将控制信号传输至放大器需要较少的电路，因为两个放大器之一与音频处理器共享共同接地电位。因此，对用于如“状态”、“警告”或“错误”的数据信号的隔离栅的要求降低。例如，这可能涉及到“断电”或“三态”等由控制器至放大器的信号，从放大器至控制器的“热警告”或“故障”等，从控制器到电源的“打开”、“关闭”、“待机”、“省电”等，以及从电源至控制器的“过流”、“过热”、“过压”“欠压”、“电压检测”、“温度检测”、“电流检测”等。采用本发明，共享共同接地的模块可不需要隔离栅而通信，并且甚至于如一个电源和一个放大器的具有非-共同接地电位的模块的状态，可通过共同接地模块变得便利，因为它们优选地被相同地实施，并且由隔离模块可假定性能和状态中的几个相同。
在本发明的优选实施例中，放大器系统包括两个相同的全桥放大器，其中这些放大器之一与系统的其余部分共享接地电位，另一个放大器与系统的其余部分电隔离且浮置。来自放大器控制机制的音频和控制信号被传递至与系统其余部分共享共同接地的放大器以及从该放大器传回，而且也传递至与系统接地电隔离的放大器。在后者的情况下，信号通过隔离栅传递，所述隔离栅基于光学、电容、电感、磁或无线电频率转移技术或任何其它合适解决此任务的技术。假设在两个放大器输出端的近乎相同的差分音频信号，建立其中连接两个放大器的反相端的串行链路，将导致两个放大器的剩余的端间的两倍的电压。
在一有利实施例中，所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥被集成在单片装置中或安放在同一印刷电路板PCB上的两个芯片中，所述单片装置包括至少四个放大器半桥，所述两个芯片中的每个芯片包括至少两个半桥。
在本发明的优选实施例中，全桥放大器由类似于像STA516B和TAS5162的PWM输入、PWM输出设备的单片部件构成。
在本发明的优选实施例中，全桥放大器由类似于像TDA7498MV和TDA8920的模拟输入、PWM输出设备的单片部件构成。
在本发明的优选实施例中，全桥放大器由类似于像TDA2030和LM3886的AB类设备的单片部件构成。
在一有利实施例中，布置所述第一电源和所述第二电源从而由每个电源的轨到轨供电不超过80VDC，例如具有80VDC、70VDC、60VDC或50VDC电位的额定值。根据本发明的一方面，如从负载看，80V轨到轨供电将提供最大160V的峰峰电压，即高达113Vrms，并且如从负载看，甚至例如只有60V的轨到轨供电将提供120V最大的峰峰电压，即高达85Vrms。由此，常见的70V或100V的高电压配电系统可根据本发明的实施例实施，而不用要求如等级在100V或更高的晶体管。
在一有利实施例中，所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥一共包括四个放大器半桥，且其中至每个放大器半桥的轨到轨供电电压不超过80V，诸如为80V、70V、60V或50V。
所述功率放大器系统采用低电压构件建立了最终的高电压输出。这是通过把每个放大器作为单独的电压源，以及实施这些电压源串行链路完成的。当能够仅采用低电压构件来传递高电压扬声器输出时获得了很大的优势，包括例如部件相对更小和更便宜，可在同一PCB上、甚至更有优势地甚至可能在同一芯片上执行处理/控制模块和电源模块、或至少将具有共同接地电位的模块捆绑在单个的芯片上，更少的用来冷却的散热，以及更多。
在一有利实施例中，所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥被实现为D类放大器。
在一有利实施例中，所述D类放大器是开环D类放大器。
在一有利实施例中，所述开环D类放大器基于诸如数字调制的离散时间调制的。
在一有利实施例中，配置功率放大器系统从而建立多电平D类调制。
在一有利实施例中，所述多电平D类调制包括五个输出电平。例如，在一实施例中，在任意解调LC滤波器之前看到的五个输出电平可包括-2A、-1A、0、+1A和+2A，其中A为所述第一电源和所述第二电源的轨到轨电压幅度(假定两个电源的轨到轨电压相同)。
当结合D类电源放大器使用所公开的放大器系统时，与传统的单端或桥式连接负载设计相比，本发明具有进一步地优势。D类设计的主要缺点是相对高的开关损耗。但是，与桥式连接负载放大器相比，所公开的功率放大器系统可能仅要求开关电压幅度的50％来达到同样的放大器输出电压。假定相仿的输出开关电容和开关频率，所公开的功率放大器系统的实施例中的总的(开关)功率损耗将降低2倍。
除上述提及的降低功率损耗之外，所公开的功率放大器系统还实现了更加先进的D类调制方案。采用所公开的两个、优选地相同的全桥输出设备，可以建立5-电平调制方案：每个桥可输出–A、0和+A，与在单全桥输出端可见的三种可能的输出组合相对应，给出在两个全桥可见的合成输出组合：-2A、-A、0、+A和+2A。这种多电平D类方案具有进一步减少开关损耗、降低EMI和减少量化噪声的优势，这些都是D类放大器技术中众所周知的难题。
在所公开的功率放大器系统的优选实施例中，放大器基于开环拓扑而不需要音频反馈信号。
在一有利实施例中，所述功率放大器系统包括不超过三个的功率电感器。由此，进一步降低了复杂性、成本和空间要求。
在一些方面，隔离栅可以包括光电隔离、变压器隔离、电容隔离、RF隔离或其它电分离技术。在所公开的电源放大器的一个优选D类实施例中，将一个或多个的隔离栅实现为电容耦合，所述电容耦合采用与无源电阻和电容器相结合的经济有效的逻辑门。与许多低成本光耦合器相比，这进一步具有非常低的抖动注入的优点。在开环放大器设计中增加抖动会是至关重要的(显著降低信噪比)，这是因为此前向差错不被任何反馈环路机制抑制。
在所述功率放大器系统的一优选实施例中，驱动浮置放大器的隔离电源基于用于执行为非浮置放大器供电的同一变压器芯上附加的次级绕组。
在所述功率放大器系统的一优选实施例中，所述系统包括两个全桥放大器和三个功率电感器。
在一方面，所述第一放大器全桥与所述第一电源之间的所述连接包括正DC轨和负DC轨，且所述第二放大器全桥和所述第二电源之间的所述连接包括正DC轨和负DC轨。
在一方面，所述第一放大器全桥与所述第一电源之间的所述连接包括正DC轨和所述共同接地电位，且所述第二放大器全桥和所述第二电源之间的所述连接包括正DC轨和浮置接地电位。
在所述功率放大器系统的一优选实施例中，其中所述第一电源的正DC轨相对于所述共同接地电位的电位对应于所述第二电源的正DC轨相对于所述浮置接地电位的电位。
在所述的功率放大器系统的一优选实施例中，所述音频处理器包括PWM调制器。
在所述的功率放大器系统的一优选实施例中，所述控制输出包括一个或多个第一放大器控制信号，以及一个或多个第二放大器控制信号，例如总共四个放大器半桥的每个一个控制信号。
在一方面，所述控制输出包括音频信号。
在一方面，本发明涉及一种音频放大方法，所述音频放大方法包括：提供包括音频输入和控制输出的音频处理器，以及具有至少一个正DC轨的第一电源；布置所述音频处理器和所述第一电源采用共同接地电位；提供具有至少一个正DC轨的第二电源；布置所述第二电源采用浮置接地电位；提供第一放大器全桥，并将其连接至所述第一电源和所述音频处理器的所述控制输出；提供第二放大器全桥，并将其连接到所述第二电源；提供隔离栅，并且通过所述隔离栅建立所述音频处理器的所述控制输出与所述第二放大器全桥之间的连接；布置所述第一放大器的放大器互连输出与所述第二放大器的放大器互连输出之间的放大器互连；在所述第一放大器的放大器输出与所述第二放大器的放大器输出之间耦接负载；在所述音频处理器的所述音频输入提供要被放大至高电压的音频信号。
通过根据此有利的方法放大音频，也实现了关于所述功率放大器的上述几个或全部的优点。可通过如所公开的功率放大器系统来有利地执行该方法。
在所述方法的一优选实施例中，还包括在单片设备上提供所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥，该单片设备包括至少四个放大器半桥。
在所述方法的一优选实施例中，布置所述第一电源和所述第二电源从而由每个电源的轨到轨提供不超过80VDC的电位，例如具有80VDC、70VDC、60VDC或50VDC电位的额定值。根据本发明的一方面，如从负载看，80V的轨到轨供电将提供最大160V的峰峰值，即高达113Vrms，并且如从负载看，甚至例如只有60V的轨到轨供电将提供最大120V的峰峰值，即高达85Vrms。由此，常见的70V或100V的高电压配电系统可根据本发明的实施例实施，而不用要求如等级在100V或更高的晶体管。
在所述方法的一优选实施例中，提供所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥为总共四个放大器半桥，并且其中至每个放大器半桥的轨到轨电源电压不超过80V，例如诸如70V、60V或50V。
在所述方法的一优选实施例中，还包括提供所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥为D类放大器。
在所述方法的一优选实施例中，还包括在所述音频处理器中执行PWM调制。
在所述方法的一优选实施例中，还包括建立多电平D类调制。
在所述方法的一优选实施例中，隔离栅执行电容隔离。
在所述方法的一优选实施例中，还包括提供在共同的变压器芯上的所述第一电源和所述第二电源。
在一方面，本发明涉及一种扩音系统，所述扩音系统包括功率放大器系统，该功率放大器系统包括包含音频输入和控制输出的音频处理器；连接至第一电源的第一放大器全桥；连接至第二电源的第二放大器全桥；其中，所述第一放大器的放大器互连输出被连接至所述第二放大器的放大器互连输出；其中所述第一放大器和所述第二放大器各包括放大器输出，用于将被连接于二者之间的负载；其中所述第一电源和所述音频处理器具有共同接地电位，并且所述第一放大器被连接至所述控制输出；其中所述第二电源相对于所述共同接地电位浮置，并且所述第二放大器通过隔离栅被连接至所述控制输出；以及，其中所述扩音系统还包括连接至所述音频输入的音频源输入，以及两个以上的扬声器，所述扬声器彼此并联地耦接至所述放大器输出。
由此得到了具有上述优点中的几个或全部的有利的PA系统。所公开的PA系统优选地采用所公开的功率放大器系统在所谓的70V-或100V-装置中实施。
附图说明
下文中，将参照附图描述各种实施例，其中
图1示出传统的桥式连接负载放大器(现有技术)，
图2示出传统桥式连接负载放大器的输出信号(现有技术)，
图3示出耦接为单端输出放大器的桥式连接负载放大器(现有技术)，
图4示出耦接为单端输出放大器的两个桥式连接负载放大器，所述两个桥式连接负载放大器也是桥式连接(bridged-coupled)的(现有技术)，
图5示出高电压放大器的优选实施例，
图6示出隔离栅的有利实施例，
图7示出隔离栅的有利实施例的时域信号，
图8示出根据高电压放大器的优选实施例的D类半桥互连的第一优选实施例，
图9示出根据高电压放大器的优选实施例的D类半桥互连的第二优选实施例，
图10示出根据本发明优选实施例的高电压放大器，以及
图11示出本发明优选实施例的工作原理。
具体实施方式
下文将参照附图给出现有技术和本发明的说明。
图1示出传统桥式连接负载放大器。这种放大器的设计包括共享电源PSU，所述电源PSU具有系统接地105、输入电压100(当由输电干线运行时，输入电压100典型地为115/230VAC)、正DC轨101和负DC轨102。如果是单供电系统，负DC轨102相当于系统接地。该系统还包括两个单独的半桥放大器AMP1、AMP2，AMP1和AMP2由DC轨101、102供电。所述两个半桥放大器具有单独的输入106、107，和输出103、104，负载108如扬声器，连接至输出103和104。半桥输出103、104可获得正轨101和负轨102之间的电压电平。在图2中示出了这种输出的示例，图2示出了传统桥式连接负载放大器的输出信号。在此图中，信号201、202对应于在图1中所见的半桥输出103、104。如图所示，半桥输出的幅度201、202以轨到轨电压VPP为限，VPP即负轨102与上至正轨101之间的电压电位，但是从负载的角度来看，电压摆幅是VPP的两倍，如图2中的曲线203所示：V(201)-V(202)＝V(203)＝负载电压。
在一些应用中，因为两个原因，具有放大器的单端输出可能是有益的。一个主要的优点是当来自负载的返回通路是接地电位时，负载电流相当容易地测量。在这种情况下，电流可以通过简单的电流检测电阻，而不必建立具有大共模抑制比(CMRR)的先进的电流检测，如果电流检测电阻中存在任何共模分量，将需要具有大CMRR的先进的电流检测。另一个优点在于可以用简单的单个反馈系统来抑制放大器中的误差。图3示出耦接为单端输出放大器的桥式连接负载放大器。对于图1中示出传统全桥设计，图3中的放大器设计包括电源PSU，所述电源PSU具有电源接地310、输入电压300、正DC轨301和负DC轨302，但是在此情况下电源接地并不等于系统接地。系统还包括两个单独的半桥放大器AMP1和AMP2，AMP1和AMP2由DC轨301、302供电。所述两个半桥放大器具有单独的输入316、317，和输出303、304，载荷308如扬声器，被连接至输出303、304。所述输出之一，在此情况下输出304，被连接至系统接地从而形成所期望的单端放大器性能。为了使放大器AMP2的输出304能在电压轨间的任意位置，因此需要放大器AMP1、AMP2相对于系统接地305浮置。这可由具有单独输入306、307和单独输出316、317的信号隔离器ISO1、ISO2实现。还如在图3中，通过两种不同的接地符号所示，两个信号隔离器都在它们的输入侧连向系统接地305，并且在输出侧连向电源接地端310。
如图4中所示，图3中所示系统的高电压型可以由两个这样的系统桥接耦合形成。要做到这点，要求两个电源PSU1和PSU2彼此隔离，并且与系统接地405隔离。这由两个电源接地410、420和系统接地405的三个不同的接地符号表示。两个电源接收输入信号400、430，输入信号400、430原则上可为相同的电压，但是DC轨401、402、411、412是单独的电压。对于单电源耦合放大器，负轨402、412可分别等同于与电源接地410、420。从功能角度看，图4中放大器AMP1、AMP2的运行等同于图3所示的系统的运行，意味着几个隔离栅ISO1、ISO2、ISO3、ISO4是必需的，每个隔离栅都具有对于系统接地405的单独的输入406、407、416、417。
图5示出根据本发明优选实施例的高电压放大器。此系统包括由两个放大器AMP1、AMP2的半桥组成的第一全桥放大器，以及第一电源PSU1，所述第一电源具有来自典型的115/230VAC输电干线的主输入500。电源PSU1相对于系统接地510，输出正DC轨501和负DC轨502。如果是单电源拓扑，负轨502等同于系统接地510。半桥放大器AMP1、AMP2具有相对于系统接地510的输入506、507。
所述系统还包括由两个放大器AMP3、AMP4的半桥组成的第二全桥放大器，以及第二电源PSU2，第二电源具有来自典型的115/230VAC输电干线的主输入530。在本发明的优选实施例中，第二电源PSU2简单地由整流装置、一个或多个电解电容器，外加第一电源PSU1的变压器芯上的额外的次级绕组组成。这形成了极具成本效益的电源PSU1输出轨的隔离镜(isolated mirror)。由此相对于浮置接地520第二电源PSU2输出正DC轨511和负轨512。如果是单电源拓扑，负轨512等同于浮置接地520。半桥放大器AMP3、AMP4具有通过隔离栅ISO3、ISO4的输入，其相对于系统接地510输入516、517。负载508如一或多个扬声器，被连接至第一全桥的放大器AMP1和第二全桥的放大器AMP3的输出之间。第一全桥的放大器AMP2和第二全桥的放大器AMP4的输出通过连接505连在一起。在图5的有利实施例和本发明的其它实施例中，两种接地采用两种不同的接地符号指示：对于第一电源PSU1、第一全桥AMP1、AMP2，和用于两个全桥的控制输入506、507、516、517都采用系统接地，而仅对于第二电源PSU2和第二全桥放大器AMP3、AMP4采用浮置接地520。
当如通过在控制输入506、508、516、517提供PWM控制信号，将图5的实施实现为D类电源放大器时，与传统单端或者桥式连接负载设计相比，该实施例提供了进一步的优势。D类电源放大器设计的主要缺点之一是相对大的开关损耗。本领域的人员已熟知电容器充电和放电的功率损耗等于：
其中C是电容，V是开关电压幅度，f是开关频率。这意味着桥式连接负载设计(两个开关节点)的开关功率损耗将为：
现在将在图5中主要公开的实施例与桥式连接负载放大器系统相对比，图5的实施例仅要求开关电压幅度的50％来达到同样的放大器输出电压。这意味着图5-设计(具有四个半桥，其以一半的电压幅度开关)的开关功率损耗为：
假设相仿的输出开关电容和开关频率，图5-设计中的总(开关)功率损耗将降低2倍。
图5的实施例实现为D类高电压电源放大器还可以实现比常规D类功率放大器更加先进的D类调制方案。由于此设计具有两个相同的全桥输出设备，可以建立5-电平调制方案：与在单全桥输出端可见的三种可能的输出组合相对应，每个桥可输出–A、0和+A，给出在两个全桥可见的合成输出组合：-2A、-A、0、+A和+2A。这种多电平D类方案具有进一步减少开关损耗、降低EMI和减少量化噪声的优势，这些都是D类放大器技术中众所周知的问题。
隔离栅ISO3、ISO4可包括如光学、电容、电感、磁或无线电频率转移技术或任何其它合适的隔离技术。图6示出在D类放大器中使用的隔离栅的有利实施例。包含音频信息的二进制PWM控制信号601产生于PWM模块，PWM模块可以是DSP、专用D类调制器IC、FPGA、微控制器或其它任何适合的设备。通常PWM模块在输入611由相对于系统接地610的相对低电压V1供电，例如典型的3.3V DC。PWM控制信号601通过电容器C1被传递到逻辑非-反相缓冲器600。缓冲器600在电源621以第二低电压V2供电，例如典型的3.3VDC，V2相对于与图5中浮置接地520相对应的浮动接地电位620。具有期望性能的非-反相缓冲器的示例是低成本的74HC4050D。缓冲器输出603具有通过R1至缓冲器输入602的正反馈，所述正反馈在PWM控制信号601产生上升或下降跳变时创建锁机制。通过C2在隔离的两侧之间建立了电流返回通路。元件C1、R1和C2的值的示例分别为100pF、1kΩ和10nF。
图7示出上文参照图6所述的隔离栅的有利实施例的时域信号。在图6中PWM控制信号601的低到高跳变期间，C1的两侧在如图7中标记的第一时间T1瞬间上升，并且缓冲器输入电压602传过缓冲器。在从第一时间T1到第二时间T2的缓冲器传播延迟期间，由于缓冲器输出603低，C1的右侧通过R1放电，但是当缓冲器输出在第二时间T2最终转换其逻辑状态时，C1的右侧以与PWM控制信号同方向地被充电。同样的机制在相反的幅度方向也起作用。选择逻辑缓冲器、C1、R1和C2的值以确保缓冲器输入保持在缓冲器阈值701的右侧，从而避免误触发。
图8示出D类半桥互连的第一优选实施例。将两个半桥放大器的输出801、811连接至负载800。将另外两个半桥输出802、812互连。此实施例对应于图5所示的放大器互连，其中半桥AMP1、AMP2的输出分别对应于输出801、802，且半桥AMP3、AMP4的输出分别对应于输出811、812。如图8所示，在优选实施例中，每个半桥包括两个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)和LC滤波器。
图9示出D类半桥互连的第二优选实施例。与图8的实施例相比，右侧的半桥互连现在被单个电感903取代，所述单个电感903直接与两个开关节点901、902互相连接。因此该配置与图8的实施例和现有技术实施例二者相比，降低了复杂性，由于在一实施例中仅需要三个功率电感器。在本发明的甚至更加简化的实施例中，电感可以由直接连接取代，但是由于可以帮助避免高的EMI水平，电感是有优势的。
图10示出根据本发明优选实施例的高电压放大器。它包括例如分别与图5中的半桥AMP1、AMP2和半桥AMP3、AMP4相对应的第一放大器全桥1031和第二放大器全桥1032。将第一放大器全桥1031连接至例如与图5的第一电源PSU1相对应的第一电源1041，将第二放大器全桥1032连接至例如与图5中第二电源PSU2相对应的第二电源1042。优选地，如上文中参照图5所述，由此第一放大器全桥1031通过正DC轨1001和负DC轨1002供电，第二放大器全桥1032相对应地通过正DC轨1011和负DC轨1012供电。可以如上所述地采用其它配置，如仅具有正DC轨的单电源配置。
第一放大器全桥1031包括放大器输出1033和放大器互连输出1034。第二放大器全桥1032包括放大器输出1035和放大器互连输出1036。通过互连1037连接放大器互连输出1034、1036，所述连接可是直接连接但是优选地采用诸如，例如一个或多个LC滤波器、电感等的滤波电路连接，例如如上文中参照图8和图9所述的。提供两个放大器输出1033、1035为输出，在它们之间连接负载1008，如一个或多个扬声器，有或没有滤波器、变压器等。在优选实施例中，例如为了在D类放大器实施例中执行一定程度的解调，也提供了与放大器输出1033、1035相连接的如LC滤波器的滤波装置，如上文参照图8和图9所描述的。
图10的高电压放大器实施例进一步包括音频处理器1050，所述音频处理器1050包括音频输入1051和控制输出1052。配置音频处理器1050以在控制输出1052生成适合特定放大器配置的控制信号。控制输出1052可例如输出四个分离的控制信号，每个半桥放大器一个，如上文所描述的关于图5的半桥放大器输入506、507、516、517。如上文中参照图6所描述的，在D类放大器配置中，音频处理器1050可优选地包括PWM模块，控制信号可优选地为二进制PWM控制信号。音频输入1051可以是任何类型和配置，只要音频处理器1050包括用于基于接收的来自音频处理器1050的音频信号来处理和生成控制信号的兼容接口。例如可配置音频输入1051来接收模拟单声道音频信号或数字PCM音频信号。
配置第一电源1041和音频处理器1050以共同接地电位1010，对应于上文中参照图5和图6所描述的系统接地510、610。配置第二电源1042以不同接地电位1020，例如对应于上文中参照图5和图6所描述的浮动接地520、620。第一放大器全桥1031直接接收来自音频处理器1050的控制输出1052的控制信号或其相关部分，如四个独立控制信号中的两个；而第二放大器全桥1032经由隔离栅1060，接收来自音频处理器1050的控制输出1052的控制信号或其相关部分，如四个独立控制信号中的两个，配置所述隔离栅1060从而在其输入和输出处解耦接地电位。所述隔离栅可以例如是变压器、光隔离栅或电容阻挡(capacitivebarrier)，如上文中参照图5和图6所描述的隔离栅。第二电源1042的分离的接地电位1020和由隔离栅1060造成的解耦使得第二电源1042和第二放大器全桥1032相对于全部共享共同接地电位1010的第一电源1041、第一放大器全桥1031和音频处理器1050浮置。
可有利地将第二电源1042提供为浮置的，而仍然通过使第一和第二电源共享变压器芯而在其它参数上匹配第一电源1041，所述变压器芯具有单个初级绕组，和两个分离的基本上相同的次级绕组，两个电源每个一个，如上文中参照图5所描述的。
图11示出本发明优选实施例的工作原理。为了说明的目的，仅示出系统的输出部分，两个全桥放大器(例如在图10中指放大器1031、1032)示出为独立的电压发生器G1、G2。所述两个电压发生器在G1的负端与G2的正端之间，具有与电压V2的共享连接。这些端类似于如图10中所见的放大器互连输出1034、1036。具有电压V1的G1的正端和具有电压V3的G2的负端类似于例如也在图10中所见的放大器输出1033、1035。
具有两个发生器G1和G2的相同的发生器信号(V1-V2＝V2-V3)，得到了两倍的两个发生器两端和连接的负载两端的电压，在此情况下所述负载示为扬声器。此原理也可推导为：
VOUT＝V1–V3＝V1–(2·V2–V1)＝2·(V1–V2)
Claims (38)
1.一种功率放大器系统，包括：
音频处理器(1050)，所述音频处理器(1050)包括音频输入(1051)和控制输出(1052)；
连接至第一电源(1041)的第一放大器全桥(1031)；以及
连接至第二电源(1042)的第二放大器全桥(1032)；
其中所述第一放大器的放大器互连输出(1034)连接至所述第二放大器的放大器互连输出(1036)；
其中所述第一放大器和所述第二放大器各包括放大器输出(1033，1035)，用于要被连接在二者之间的负载(1008)；
其中所述第一电源和所述音频处理器具有共同接地电位(1010)，且所述第一放大器被连接至所述控制输出；
其中所述第二电源相对于所述共同接地电位浮置，且所述第二放大器通过隔离栅(1060)被连接至所述控制输出。
2.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥被集成在单片装置上，所述单片装置包括至少四个放大器半桥。
3.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥相同。
4.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中布置所述第一电源和所述第二电源以从每个电源的轨到轨提供不超过80V DC电位。
5.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述第一电源和所述第二电源被布置具有来自每个电源的轨到轨的从80V DC、70V DC、60V DC或50V DC电位的列表中选择的额定值。
6.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥一共包括四个放大器半桥，且其中至每个放大器半桥的轨到轨供电电压不大于80V。
7.根据权利要求6所述的功率放大器系统，其中至每个放大器半桥的轨到轨供电电压不大于选自80V、70V、60V或50V的列表中的电压值。
8.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述功率放大器系统基于开环拓扑而没有音频反馈信号。
9.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥被实现为D类放大器。
10.根据权利要求9所述的功率放大器系统，其中所述D类放大器是开环D类放大器。
11.根据权利要求10所述的功率放大器系统，其中所述开环D类放大器基于离散时间调制。
12.根据权利要求9-11的任意之一所述的功率放大器系统，其中所述D类放大器是被布置从而建立多电平D类调制的。
13.根据权利要求12所述的功率放大器系统，其中所述多电平D类调制包括五个电平。
14.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统包括不超过三个的功率电感器。
15.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述隔离栅包括光学隔离。
16.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述隔离栅包括变压器隔离。
17.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述隔离栅包括电容隔离。
18.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述隔离栅包括RF隔离。
19.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥被布置在同一印刷电路板上。
20.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述第一电源和所述第二电源共享共同的变压器芯。
21.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述第一放大器全桥与所述第一电源之间的所述连接包括正DC轨(1001)和负DC轨(1002)，且所述第二放大器全桥和所述第二电源之间的所述连接包括正DC轨(1011)和负DC轨(1012)。
22.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述第一放大器全桥与所述第一电源之间的所述连接包括正DC轨和所述共同接地电位，且所述第二放大器全桥和所述第二电源之间的所述连接包括正DC轨和浮置接地电位。
23.根据权利要求22所述的功率放大器系统，其中所述第一电源(1041)的正DC轨(1001)相对于所述共同接地电位(1010)的电位对应于所述第二电源(1042)的正DC轨(1011)相对于所述浮置接地电位(1020)的电位。
24.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述音频处理器包括PWM调制器。
25.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述控制输出包括一个或多个第一放大器控制信号，以及一个或多个第二放大器控制信号。
26.根据权利要求1或2所述的功率放大器系统，其中所述控制输出包括音频信号。
27.一种高电压音频放大方法，包括：
提供音频处理器(1050)和具有至少一个正DC轨(1001)的第一电源(1041)，所述音频处理器(1050)包括音频输入(1051)和控制输出(1052)；
布置所述音频处理器和所述第一电源采用共同接地电位(1010)；
提供具有至少一个正DC轨(1011)的第二电源(1042)；
布置所述第二电源采用浮置接地电位(1020)；
提供第一放大器全桥(1031)，并将其连接至所述第一电源和所述音频处理器的所述控制输出；
提供第二放大器全桥(1032)，并将其连接到所述第二电源；
提供隔离栅(1060)，并且通过所述隔离栅建立所述音频处理器的所述控制输出与所述第二放大器全桥之间的连接；
在所述第一放大器的放大器互连输出(1034)与所述第二放大器的放大器互连输出(1036)之间布置放大器互连(1037)；
在所述第一放大器的放大器输出(1033)与所述第二放大器的放大器输出(1035)之间耦接负载(1008)；
在所述音频处理器的所述音频输入处提供将被放大至高电压的音频信号。
28.根据权利要求27所述的高电压音频放大方法，其中所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥相同。
29.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，包括在单片设备上提供所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥，该单片设备包括至少四个放大器半桥。
30.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，其中布置所述第一电源和所述第二电源以从每个电源的轨到轨提供不超过80V DC电位。
31.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，其中提供所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥为总共四个放大器半桥，并且其中至每个放大器半桥的轨到轨供电电压不超过80V。
32.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，其中所述高电压音频放大方法基于开环拓扑而没有音频反馈信号。
33.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，包括将所述第一放大器全桥和所述第二放大器全桥提供为D类放大器。
34.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，包括在所述音频处理器中执行PWM调制。
35.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，包括建立多电平D类调制。
36.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，其中所述隔离栅执行电容隔离。
37.根据权利要求27或28所述的高电压音频放大方法，包括提供在共同的变压器芯上的所述第一电源和所述第二电源。
38.一种扩音系统，包括：
如权利要求1-26中任一项所述的功率放大器系统；
其中，所述扩音系统还包括被连接至所述音频输入的音频源输入，以及两个以上的扬声器，所述扬声器彼此并联地耦接至所述放大器输出。
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