CN1689223A - 提供开关放大器中的直流隔离 - Google Patents

Abstract

说明一种开关电路，它包括具有驱动端子和电源端子的输出开关。驱动电路向输出开关提供驱动信号。隔离电路提供驱动电路和输出开关之间的直流隔离。瞬态控制电路控制驱动端子，以便在电源端子的电源电压稳定期间保持输出开关是断开的。

Description

提供开关放大器中的直流隔离

发明背景

本发明一般涉及提供开关放大器中的直流隔离或开关方式电源拓扑。

在开关电路拓扑中可以采用各种技术来提供在较高功率输出装置和驱动它们的较低功率电路之间的隔离。这些技术包括电容性和电感性耦合。与这些技术关联的一项挑战涉及到在加电时输出装置的状态。就是说，如果输出装置的栅极保持浮动，而电源在逐步上升，此时输出装置可能导通。这在声频应用中特别不利，因为常会导致开关放大器所驱动的扬声器发出令人不快的劈啪声。在某些情况下，这种瞬态状况对于输出装置和/或被驱动的负载甚至会是灾难性的。

所以需要提供用于开关电路拓扑的直流隔离技术以避免这种问题。

发明概述

按照本发明，提供了一些技术，用以在加电时控制开关电路中输出装置的状态，以避免上述瞬态状况。更具体地说，本发明的各种实施例控制这种输出装置的栅极的初始化，以预防这种瞬态状况。按照一个具体的实施例，提供了一种开关电路，它包括输出开关，所述输出开关具有驱动端子和电源端子。驱动器电路对所述输出开关提供驱动信号。隔离电路提供驱动电路和输出开关之间的直流隔离。瞬态控制电路控制所述驱动端子，从而在电源端子的电源电压稳定过程中保持所述输出开关断开。

按照更具体的实施例，提供一种开关放大器，它包括第一和第二输出FET，它们形成连接在高侧和低侧电源端子之间的半桥、单端配置。驱动电路将互补驱动信号提供到所述第一和第二输出FET。第一和第二输出电容器分别将驱动电路连接到到第一和第二输出FET，提供其间的隔离。第一箝位晶体管连接在第一输出晶体管(例如，p-沟道器件)的栅极和高侧电源端子之间。第一RC网络连接到高侧电源端子并可用来驱动第一箝位晶体管。第二箝位晶体管连接在第二输出晶体管(例如，n-沟道器件)的栅极和低侧电源端子之间。第二RC网络连接到低侧电源端子并可用来驱动第二箝位晶体管。箝位晶体管和RC网络可用来在预定期间内将所述各输出FET的栅极箝位到各自的电源端子的高侧和低侧电源电压，从而使所述各输出FET在高侧和低侧电源电压稳定期间保持断开。

参阅本说明的其余部分以及附图，可以更进一步理解本发明的性质和优点。

附图简要说明

图1是按照本发明一个具体实施例实现的开关电路拓扑的简化示意图。

图2是图1的开关电路拓扑的另一实施例的简化示意图。

具体实施例的详细说明

现详细说明本发明的具体实施例，包括发明人认为是实施本发明的最佳方式。这些具体实施例的实例示于附图中。虽然结合这些具体实施例来说明本发明，但并不是要将本发明限制在所述实施例上。相反，本发明应覆盖可以包括在由所附权利要求书所定义的精神和范围内的替换，修改以及等效物。在以下说明中，提出了许多具体细节以便对本发明提供透彻的理解。本发明也可不用这些细节的部分或全部来实施。此外，众所周知的特征就不再赘述，以免不必要的影响了对本发明的清晰说明。

图1示出可以在其中实施本发明特定实施例的单声道开关放大器。开关放大器100包括低压噪声整形信号处理器102，它产生互补1-位数字信号Y和 Y。按照图示实施例，这些0～5V的信号由高电流驱动电路104电平移动到0～10V，以便将适当的电压和电流电平提供到驱动输出FET106和108。应理解，此电平移动并不是本发明的所有实施例都需要的。就是说，也有一些高电流逻辑器件可以用0～5V信号对输出FET提供足够的驱动。两个电容器Cc提供输出FET和电流驱动电路104之间的直流隔离，并和二极管D1和D2一起，将驱动电路104的输出信号电平移动到高侧FET106栅极上的VPP～VPP-10伏和低侧FET108栅极上的VNN～VNN+10伏。按照FET驱动电压相对较低(例如10伏范围)的实施例，二极管D1和D2可包括信号二极管。按照FET驱动电压相对较高(例如15伏范围)的实施例，可以用齐纳二极管将栅极箝位到±10V。

在电源电压VPP和VNN逐步上升时，晶体管Q1和Q2对输出晶体管106和108的栅极进行静噪(根据对应于Rd和Cd的时间常数)。就是说，由于RC的时间常数的缘故，晶体管Q1和Q2的基极端子滞后于电源电压，保持晶体管Q1和Q2接通，将输出FET的栅极有效箝位在电源电压，从而确保输出FET始终是断开的，直到电源电压已稳定且晶体管Q1和Q2随后断开。这就消除了扬声器上烦人和潜在的灾难性接通爆声(即当一个器件接通时)，或灾难性的穿通电流(即当两个器件都接通时)，不然由于输出FET栅极的不定状态就可能会发生上述情况。显然接通爆声是声频应用所特有的，但本发明并不限于此应用。更一般地说，本发明的优点在于：在电源电压逐步上升时，开关放大器或开关方式电源的输出开关是保持断开的。应理解，可以选择Rd和Cd的值，以便建立电源稳定以及Q1和Q2断开之间任何所需的时延。

按照特定的实施例，从电容器Cc所提供的直流隔离中可以引发出重要的好处。就是说，由于驱动电路104与输出FET的高电源电压(例如±50V)相隔离，对于直接连接到输出开关的驱动电路就没有击穿电压的要求。这样，如果驱动电路104是一个集成电路，在其制造过程中就可采用较低电压(所以就较便宜)的工艺。

此外，驱动电路104与输出FET的隔离创造了一种可能性，即：将驱动电路104和信号处理器102的低压电路集成在单片集成电路上(以虚线110表示)。这样，例如，在图1的示范实施例中，对于这种单片IC就可以使用16～20V的工艺(几何尺寸在0.5uM左右)，而不用对驱动电路104的80～100V的工艺(具有相应较大的几何尺寸)，并对处理器102用5～10V的工艺。一般来说，较低电压的工艺比高电压的工艺更为便宜和更为通用，设计人员可以从大量半导体工厂提供的多种成熟工艺中进行选择。

虽然已参阅具体实施例对本发明作了特别的图示和说明，本专业的技术人员应理解，在不背离本发明的精神和范围内可以对所公开的实施例形式和细节上作改变。例如，本发明一般涉及在开关放大器拓扑中实现直流隔离，方法是当电源逐步上升时确保输出开关保持是断开的。此技术可以应用到各种开关电路拓扑上，而不应限于上述具体的声频放大器拓扑。就是说，本发明可以用于例如任何类型的数字或D类放大器，包括sigma delta调制器、改进型sigmadelta调制器(例如，加州Santa Clara的Tripath Technology Inc.的T类放大器)、任何类型的脉冲宽度调制(PWM)放大器等等。更一般地说，由于上述失效方式发生在开关方式电源(SMPS)中，按照本发明的上述技术也可用于这种装置中。

此外，图1的示范实施例中的电路仅是实施本发明的一种途径。即，提供直流连接的方式不必限于容性连接，其它技术，例如变压器，也可采用。此外，除了用图1所示的RC电路来控制Q1和Q2的基极之外，也可采用其它类型的控制电路，包括但不限于在可编程时段中启动的有源电路元件。例如，按照图2所示的另一实施例，Q1的基极连接到另一晶体管Q3的集电极，驱动Q3，以便将Q1的基极向下拉一段时间。这种晶体管的驱动信号和所述时间段可由多种模拟或数字电路中的任何一种(由控制器202表示)来控制，包括例如微处理器或任何其它类型的控制器。此电路可以被包括在所述驱动电路中或与所述驱动电路集成在一起或与其分开。这种控制器可以配置成在电源电压稳定期间(例如加电时)进行工作。这种控制器也可以配置成在放大器工作期间控制Q1和Q2，而与驱动电路的驱动无关，例如，对故障情况(例如任何驱动级掉电)作出响应。此外，应理解，这种控制器也可配置成直接驱动晶体管Q1和Q2。

按照又一更具体实施例，在正常工作时，例如，在加到控制器202上的+5V和+10V是在可接受的极限之内的情况下，则Q3的栅极保持低。如果+10V掉电，则驱动电路不再可以用来维持高侧栅极的高电平，图2的电路可确保高侧栅极断开。可理解，图2的监控电路可以被包括在驱动器芯片中或被集成在驱动器芯片中。

最后，虽然已参阅各种实施例对本发明的各种优点、方面和目的进行了说明，但是应理解本发明的范围不应因参阅这些优点、方面和目的而受到限制。

Claims (22)

1.一种开关电路，它包括：

输出开关，它具有驱动端子和电源端子；

驱动电路，用于对所述输出开关提供驱动信号；

隔离电路，用于在所述驱动电路和所示开关电路之间提供直流隔离；

瞬态控制电路，用于控制所述驱动端子，以便在所述电源端子的电源电压稳定期间保持所述输出开关是断开的。

2.如权利要求1所述的开关电路，其中所述隔离电路包括电容器。

3.如权利要求1所述的开关电路，其中所述隔离电路包括变压器。

4.如权利要求1所述的开关电路，其中所述瞬态控制电路包括箝位电路，后者可用来在预定的时段将所述驱动端子箝位在所述电源电压。

5.如权利要求4所述的开关电路，其中所述箝位电路包括连接在所述电源端子和所述驱动端子之间的箝位开关。

6.如权利要求5所述的开关电路，其中所述箝位电路还包括连接到所述电源端子的RC电路，后者可用来对滞后于所述电源电压的箝位开关提供选通信号。

7.如权利要求5所述的开关电路，其中所述箝位电路还包括第二箝位开关，后者可用来对所述箝位开关提供选通信号。

8.如权利要求7所述的开关电路，其中所述箝位电路还包括控制器电路，后者可用来驱动所述第二箝位开关。

9.如权利要求8所述的开关电路，其中所述控制器电路可用来对故障信号作出响应而驱动所述第二箝位开关。

10.如权利要求8所述的开关电路，其中所述控制器电路可用来在所述电源电压稳定期间驱动所述第二箝位开关。

11.如权利要求5所述的开关电路，其中所述箝位电路还包括控制器电路，后者可用来向所述箝位开关提供选通信号。

12.如权利要求11所述的开关电路，其中所述控制器电路可用来对故障信号作出响应而产生所述选通信号。

13.如权利要求11所述的开关电路，其中所述控制器电路可用来在所述电源电压稳定期间产生所述选通信号。

14.如权利要求1所述的开关电路，其中还包括低压信号处理器，后者可用来对所述驱动电路提供输入信号。

15.如权利要求14所述的开关电路，其中所述低压信号处理器以及所述驱动电路集成在单一集成电路中。

16.如权利要求14所述的开关电路，其中所述低压信号处理器包括噪声整形信号处理器。

17.如权利要求1所述的开关电路，其中所述开关电路包括声频开关放大器。

18.如权利要求1所述的开关电路，其中所述开关电路包括sigmadelta调制器、改进型sigma delta调制器和脉冲宽度调制放大器中的任何一种。

19.如权利要求1所述的开关电路，其中所述开关电路包括开关方式电源。

20.如权利要求1所述的开关电路，其中所述输出开关包括半桥式配置中的两个开关器件。

21.如权利要求1所述的开关电路，其中所述输出开关包括单端式配置中的两个开关器件。

22.一种开关放大器，它包括：

连接在高侧和低侧电源端子之间的半桥、单端配置中的第一和第二输出FET；

驱动电路，用于向所述第一和第二输出FET提供互补驱动信号；

第一和第二电容器，用于分别将所述驱动电路连接到到所述第一和第二输出FET，并提供其间的隔离；

第一箝位晶体管，它连接在所述第一输出FET的栅极和所述高侧电源端子之间；

第一RC网络，它连接到所述高侧电源端子并可用来驱动所述第一箝位晶体管；

第二箝位晶体管，它连接在所述第二输出FET的栅极和所述低侧电源端子之间；

第二RC网络，它连接到所述低侧电源端子并可用来驱动所述第二箝位晶体管；

其中，所述箝位晶体管和所述RC网络可用来在预定时段内将所述输出FET的栅极箝位到各电源端子的高侧和低侧电源电压，从而在所述高侧和低侧电源电压稳定期间保持所述输出FET的断开。

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