CN114793095A - 单级升压d类放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单级升压D类放大器。升压D类放大器包括脉宽调制器，耦接至脉宽调制器的升压控制器，耦接至脉宽调制器和升压控制器的驱动器，系统电压源，耦接至系统电压源的电感，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，耦接至第三开关和接地端之间的第一二极管，耦接至第四开关和接地端之间的第二二极管，以及耦接至第一开关和第四个开关之间的电容。脉宽调制器用以接收输入信号并据以产生第一调制信号。升压控制器用于接收第一调制信号并据以产生第二调制信号。驱动器用以接收第一调制信号和第二调制信号并据以产生控制信号。

Description

单级升压D类放大器

技术领域

本发明涉及一种D类放大器，尤其涉及一种结合了升压转换器的功能以通过单级结构来增加输出电压并提高电功率转换效率的D类放大器。

背景技术

手机与便携式装置的音频电路须具备低功率、小尺寸和低散热需求等关键特性。然而，音频放大器通常是效率不佳的发热体，需要配备较占空间的散热片。为了缩小尺寸和降低功率需求，D类或数字放大器提供良好的解决方案。放大器基于特定的操作特性而被分类。D类放大器，使用晶体管的切换模式以控制电力传送。D类放大器较佳的用于各应用中，因为栅极信号的全“开”及全“关”特性使电路的驱动部分的电力保持高效率。因高效率及低热散失特性，D类放大器常用做低频放大器。D类放大器之于音频播放的优点，正如切换式电源供应器为电源带来的优点。藉由D类放大器，音频输入会编码为脉宽调制(PWM)信号，可驱动电源装置进行开关切换，且仅在切换时耗散功率。这些“数字”放大器可大幅提升音频放大器的能效，从而降低散热需求并缩小实体尺寸。此外，近期的技术进展亦改变调制机制，因此输出端不再需要低通滤波器，可进一步缩小尺寸和降低复杂度。

升压变换器是可以提升电压的直流-直流(DC-DC)转换器，其输出(负载)电压会比输入(电源)电压要高。升压变换器至少有二个半导体元件(一个二极管及一个晶体管)及至少一个储能元件(电感)的开关电源。为了降低电压纹波，会在输入端及输出端加装使用电容和/或电感的滤波器。

现有技术的一个缺点为：以一个单独的升压转换器来产生高电压以驱动D类放大器会造成很大的功率损耗。因此本发明提出了一种将升压转换器级和D类放大器合并于单级中的新驱动器架构，以提高电功率转换效率。

发明内容

实施例提供一种升压D类放大器。升压D类放大器包括脉宽调制器，升压控制器，驱动器，系统电压源，电感，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，第一二极管，第二二极管，及电容。脉宽调制器用于接收输入信号并据以产生第一调制信号。升压控制器耦接至脉宽调制器并且用于接收第一调制信号并据以产生第二调制信号。驱动器耦接至脉宽调制器及升压控制器，并且用于接收第一调制信号和第二调制信号并据以产生第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号。系统电压源用以提供系统电压。第一二极管耦接于第三开关与接地端之间，第二二极管耦接在第四开关和接地端之间，电容耦接在第一开关和第四开关之间。第一开关包括耦接至电感的第一端，第二端以及耦接至驱动器的控制端，用以接收第一控制信号。第二开关包括耦接至电感的第一端，第二端和耦接至驱动器的控制端，用以接收第二控制信号。第三开关包括耦接至第一开关的第二端的第一端，第二端以及耦接至驱动器的控制端，用以接收第三控制信号。第四开关包括耦接至第二开关的第二端的第一端，第二端以及耦接至驱动器的控制端，用以接收第四控制信号。

实施例还提供一种升压D类放大器。升压D类放大器包括脉宽调制器，升压控制器，驱动器，系统电压源，电感，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，第一二极管，第二二极管，电容，及反馈电路。脉宽调制器用于接收输入信号并据以产生第一调制信号。升压控制器耦接至脉宽调制器并且用于接收第一调制信号并据以产生第二调制信号。驱动器耦接至脉宽调制器及升压控制器，并且用于接收第一调制信号和第二调制信号并据以产生第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号。系统电压源用以提供系统电压。第一二极管耦接于第三开关与接地端之间，第二二极管耦接在第四开关和接地端之间，电容耦接在第一开关和第四开关之间。第一开关包括耦接至电感的第一端，第二端以及耦接至驱动器的控制端，用以接收第一控制信号。第二开关包括耦接至电感的第一端，第二端和耦接至驱动器的控制端，用以接收第二控制信号。第三开关包括耦接至第一开关的第二端的第一端，第二端以及耦接至驱动器的控制端，用以接收第三控制信号。第四开关包括耦接至第二开关的第二端的第一端，第二端以及耦接至驱动器的控制端，用以接收第四控制信号。反馈电路耦接电容的两端、升压控制器和脉宽调制器，用以稳定第一调制信号及第二调制信号。

附图说明

图1为实施例中升压D类放大器的示意图。

图2为图1中开关控制信号的示意图。

图3为升压D类放大器工作电流的示意图。

图4为升压D类放大器工作电流的另一示意图。

图5为高频脉宽调制信号的占空比为99％的升压D类放大器的输入信号和输出信号示意图。

图6为高频脉宽调制信号的占空比为40％的升压D类放大器的输入信号和输出信号示意图。

图7为高频脉宽调制信号的占空比为10％的升压D类放大器的输入信号和输出信号示意图。

图8为另一实施例中升压D类放大器的示意图。

【符号说明】

100，200:D类放大器

110:脉宽调制器

120:升压控制器

130:驱动器

140:系统电压源

150:反馈电路

L:电感

S1～S4:开关

D1，D2:二极管

GND:接地端

Co:电容

SPK:扬声器

SS1～SS4:控制信号

IN:输入信号

SPKS:输出信号

I1，I2:电流

PVDD:系统电压

具体实施方式

图1为实施例中升压D类放大器100的示意图。升压D类放大器100包括脉宽调制器110，升压控制器120耦接到脉宽调制器110，驱动器130耦接到脉宽调制器110及升压控制器120，系统电压源140，电感L耦接于系统电压源140，第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，第四开关S4，第一二极管D1耦接在第三开关S3与接地端GND之间，第二二极管D2耦接在第四开关S4和接地端GND之间，及电容Co耦接在第一开关S1和第四开关S4之间。

脉宽调制器110用于接收输入信号IN并产生第一调制信号。升压控制器120用于接收第一调制信号并据以产生第二调制信号。驱动器130用于接收第一调制信号和第二调制信号并据以产生第一控制信号SS1、第二控制信号SS2、第三控制信号SS3和第四控制信号SS4。系统电压源140用以提供系统电压PVDD。

第一开关S1包括耦接至电感L的第一端，第二端以及耦接至驱动器130的控制端，用以接收第一控制信号SS1。第二开关S2包括耦接至电感L的第一端，第二端和耦接至驱动器130的控制端，用以接收第二控制信号SS2。第三开关S3包括耦接至第一开关S1的第二端的第一端，第二端以及耦接至驱动器130的控制端，用以接收第三控制信号SS3。第四开关S4包括耦接至第二开关S2的第二端的第一端，第二端以及耦接至驱动器130的控制端，用以接收第四控制信号SS4。

扬声器SPK作为负载，耦接在第一开关S1的第二端和第四开关S4的第一端之间。电容Co和电感L形成用于降低电压纹波的滤波器。第一二极管D1和第二二极管D2用以阻止反向电流损坏电路。

图2为图1中开关控制信号的示意图。如图2所示，控制信号SS1是控制第一开关S1且频率为300kHz的方波信号。与控制信号SS1互补的控制信号SS2是控制第二开关S2的方波信号。控制信号SS3是控制第三开关S3且频率为2MHz的脉宽调制信号与方波信号的混合信号。控制信号SS4是控制第四开关S4的频率为2MHz的脉宽调制信号与方波信号的混合信号。当第一控制信号SS1具有高电压时，第三控制信号SS3具有高频脉宽调制信号，而第四控制SS4信号具有高电压。当第一控制信号SS1具有低电压时，第三控制SS3信号具有高电压，并且第四控制SS4信号具有高频脉宽调制信号。

图3是升压D类放大器100在时刻t0至时刻t1之间的工作电流的示意图。在时刻t0至时刻t1之间，控制信号SS1具有高电压，控制信号SS2具有低电压，SS4具有高电压，并且控制信号SS3具有脉宽调制信号，可使第三开关S3以2MHz的频率切换。当第三开关S3截止时，电流I1可以从系统电压源140通过电感L，第一开关S1，电容Co和扬声器SPK，第四开关S4，第二二极管D2，最后至接地端GND。当第三开关S3导通时，另一电流I2可以从系统电压源140经过电感L，第一开关S1，第三开关S3，第一二极管D1流至接地端GND。在此期间，电感L将通过产生磁场来充电。然后，当第三开关S3截止时，先前产生的磁场会朝着扬声器SPK释放电流I1。

图4是升压D类放大器100在时刻t1至时刻t2之间的工作电流的示意图。在时间t1到时间t2之间，控制信号SS1具有低电压，控制信号SS2具有高电压，SS3具有高电压，并且控制信号SS4具有脉宽调制信号，可使第三开关S4以2MHz的频率切换。当第四开关S4截止时，电流I1可从系统电压源140通过电感L，第二开关S2，电容Co和扬声器SPK，第三开关S3，第一二极管D1，最后至接地端GND。当第四开关S4导通时，另一电流I2可以从系统电压源140经过电感L，第二开关S2，第四开关S4，第二二极管D2流至接地端GND。在此期间，电感L将通过产生磁场来充电，然后，当第四开关S4截止时，先前产生的磁场会朝着扬声器SPK释放到电流I1。

电路的升压功能可以下列方程式表示：

V_o＝PVDD×k×(1-d²)

在方程式中，Vo表示输出电压，PVDD表示系统电压。k代表升压转换器的升压比。d代表高频脉宽调制信号的占空比。因此如上所述，第三开关S3和第四开关S4的高频切换可以提高输出信号SPKS的电压。

图5为高频脉宽调制信号的占空比为99％的升压D类放大器100的输入信号和输出信号示意图。在实施例中，输入信号IN是振幅为1V的正弦波。在扬声器SPK处可测量到输出信号SPKS。如图5所示，当高频脉宽调制信号的占空比为99％时，输入信号IN和输出信号SPKS几乎可以彼此重叠。这表明升压D类放大器100的电路架构可以至少使谐波失真最小化。

图6为高频脉宽调制信号的占空比为40％的升压D类放大器100的输入信号和输出信号示意图。在实施例中，输入信号IN是振幅为1V的正弦波。在扬声器SPK处可测量到输出信号SPKS。如图6所示，当高频脉宽调制信号的占空比为40％时，输出信号SPKS可以放大到3V。这表明升压D类放大器100的电路架构能够根据高频脉宽调制信号的占空比来放大输入信号IN。因此，实施例以有效的方式组合了D类放大器和升压转换器，并保持信号的完整性。

图7为高频脉宽调制信号的占空比为10％的升压D类放大器100的输入信号和输出信号示意图。在实施例中，输入信号IN是振幅为1V的正弦波。在扬声器SPK处可测量到输出信号SPKS。如图7所示，当高频脉宽调制信号的占空比为10％时，输出信号SPKS可以放大到3.6V。这表明升压D类放大器100的电路架构能够根据高频脉宽调制信号的占空比来放大输入信号IN。占空比的降低可增加功率提升的倍数。因此，实施例以有效的方式组合了D类放大器和升压转换器，并保持信号的完整性。

图8为另一实施例中升压D类放大器200的示意图。升压D类放大器200包括脉宽调制器110，升压控制器120耦接到脉宽调制器110，驱动器130耦接到脉宽调制器110及升压控制器120，系统电压源140，电感L耦接到系统电压源140，第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，第四开关S4，第一二极管D1耦接于第三开关S3与接地端GND之间，第二二极管D2耦接在第四开关S4和接地端GND之间，及电容Co耦接在第一开关S1和第四开关S4之间。

升压D类放大器100与升压D类放大器200之间的区别在于，升压D类放大器200还包括反馈电路150。反馈电路150耦接至电容Co两端，升压控制器120和脉宽调制器110。反馈电路150将输出信号SPKS的一部分返回输入至升压控制器120和脉宽调制器110，藉以稳定第一调制信号和第二调制信号。反馈电路150通过将输出信号SPKS与输入信号IN进行比较来形成反馈误差信号，并且可以利用反馈误差信号来控制信号失真。反馈电路150可在一定频率范围更均匀放大信号，并降低信号增益对分量变化敏感度。

因此，本发明实施例的升压D类放大器以有效的方式将D类放大器和升压转换器在单级结构中组合，保持信号完整性，并且无需单独的升压转换器来驱动D类放大器。实施例中的升压D类放大器可以提高功率转换效率并且输出具有低总谐波失真的高质量信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种升压D类放大器，包括：

脉宽调制器(pulse-width modulation，PWM)，用以接收输入信号并据以产生第一调制信号；

升压控制器，耦接于该脉宽调制器，用以接收该第一调制信号并据以产生第二调制信号；

驱动器，耦接至该脉宽调制器和该升压控制器，用以接收该第一调制信号和该第二调制信号，并据以产生第一控制信号，第二控制信号，第三控制信号和第四控制信号；

系统电压源，用以提供系统电压；

电感，耦接至该系统电压源；

第一开关，包括：

第一端，耦接至该电感；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用于接收该第一控制信号；

第二开关，包括：

第一端，耦接至该电感；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用以接收该第二控制信号；

第三开关，包括：

第一端，耦接至该第一开关的该第二端；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用以接收该第三控制信号；

第四开关，包括：

第一端，耦接该第二开关的该第二端；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用以接收该第四控制信号；

第一二极管，耦接于该第三开关的该第二端与接地端之间；

第二二极管，耦接于该第四开关的该第二端与该接地端之间；及

电容，耦接于该第一开关的该第二端和该第四开关的该第一端之间。

2.如权利要求1所述的升压D类放大器，还包括扬声器，耦接于该第一开关的该第二端与该第四开关的该第一端之间。

3.如权利要求1所述的升压D类放大器，其中该第一开关、该第二开关、该第三开关和该第四开关是双极接面晶体管。

4.如权利要求1所述的升压D类放大器，其中该第一开关、该第二开关、该第三开关和该第四开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。

5.如权利要求1所述的升压D类放大器，其中该第一控制信号和该第二控制信号为互补。

6.如权利要求5所述的升压D类放大器，其中当该第一控制信号具有高电压时，该第二控制信号具有低电压，该第三控制信号具有高频脉宽调制信号，并且该第四控制信号具有高电压。

7.如权利要求5所述的升压D类放大器，其中当该第一控制信号具有低电压时，该第二控制信号具有高电压，该第四控制信号具有高频脉宽调制信号，并且该第三控制信号具有高电压。

8.一种升压D类放大器，包括：

脉宽调制器(pulse-width modulation，PWM)，用以接收输入信号并据以产生第一调制信号；

升压控制器，耦接于该脉宽调制器，用以接收该第一调制信号并据以产生第二调制信号；

驱动器，耦接至该脉宽调制器和该升压控制器，用以接收该第一调制信号和该第二调制信号，并据以产生第一控制信号，第二控制信号，第三控制信号和第四控制信号；

系统电压源，用以提供系统电压；

电感，耦接至该系统电压源；

第一开关，包括：

第一端，耦接至该电感；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用于接收该第一控制信号；

第二开关，包括：

第一端，耦接至该电感；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用以接收该第二控制信号；

第三开关，包括：

第一端，耦接至该第一开关的该第二端；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用以接收该第三控制信号；

第四开关，包括：

第一端，耦接该第二开关的该第二端；

第二端；及

控制端，耦接至该驱动器，用以接收该第四控制信号；

第一二极管，耦接于该第三开关的该第二端与接地端之间；

第二二极管，耦接于该第四开关的该第二端与该接地端之间；

电容，耦接于该第一开关的该第二端和该第四开关的该第一端之间；及

反馈电路，耦接至该电容的两端，该升压控制器和该脉宽调制器，并用以稳定该第一调制信号及该第二调制信号。

9.如权利要求8所述的升压D类放大器，还包括扬声器，耦接于该第一开关的该第二端与该第四开关的该第一端之间。

10.如权利要求8所述的升压D类放大器，其中该第一开关、该第二开关、该第三开关和该第四开关是双极接面晶体管。

11.如权利要求8所述的升压D类放大器，其中该第一开关、该第二开关、该第三开关和该第四开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。

12.如权利要求8所述的升压D类放大器，其中该第一控制信号和该第二控制信号为互补。

13.如权利要求12所述的升压D类放大器，其中当该第一控制信号具有高电压时，该第二控制信号具有低电压，该第三控制信号具有高频脉宽调制信号，并且该第四控制信号具有高电压。

14.如权利要求12所述的升压D类放大器，其中当该第一控制信号具有低电压时，该第二控制信号具有高电压，该第四控制信号具有高频脉宽调制信号，并且该第三控制信号具有高电压。

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