CN1728545A - 反馈比较式数字类功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到数字音频功率放大器(也称作丁类音频功率放大器或数字功放)的一种拓扑结构，同时也可用于压控开关电源。它是由电压比较电路，脉宽调制电路，电子功率开关，缓冲电路，续流二极管，低通滤波电路和负载组成。该拓扑结构巧妙地利用了电压比较电路，既解决了ADC(数模转换)的成本问题，又因为引入了负反馈，使得输出阻抗大大降低，保证音质和生产一致性。该拓扑结构具有结构简单，成本低廉，性能优越的特点。

Description

反馈比较式数字功率放大器

本发明主要用于电子类的音频功率放大领域。也可用于输出电压受输入电压控制的压控开关电源。

现有的音频功率放大器，按功率管工作的电流导通角的不同，一般都工作在甲类，乙类，甲乙类3种工作状态，这些类型的功放存在效率低下，体积庞大，成本较高等缺点。

近年来，随着高频功率开关器件和开关理论的迅猛发展，出现了使功率管工作在开关状态的丁类功率放大器，也称作数字功率放大器。它经历了一定的发展，已取得了很大的进步，但仍然存在一些问题需要克服：如音质不够好，损耗较大，EMI(电磁干扰)严重，结构原理复杂导致成本偏高，批量生产一致性较差等。

从现有的资料来看，一般的数字功放的原理方法大致可分为以下几种：1.把输入音频信号跟一固定的三角波(或锯齿波)比较，产生PWM(脉宽调制)信号去控制功率开关；2.把输入的音频信号进行ADC(模数转换)，由数字信号处理器产生PWM(脉宽调制)信号控制功率开关；3.直接把数字形式音频信号输入到数字信号处理器里，产生PWM(脉宽调制)信号控制功率开关。第1种方法要很高的开关频率才可以保证好的音质，但因为高的开关频率导致高损耗，使得数字功放的高效率优势大打折扣，而且因为PWM信号频率固定，容易产生强的EMI(电磁干扰)。第2种方法需要高速的多位ADC(模数转换)器件，导致成本较高。第3种方法很难跟现存的一些模拟音源设备兼容。这3种方法都没有反馈，使得开关功率器件到负载部分的电路参数误差对电性能影响很大，不容易保证一致性，其次，由于缺少反馈，使得输出阻抗相对较大，在大动态时很难保证音质。为改善一致性和音质不够好的缺点，也有人在上面3种方法的基础上，引入负反馈，把输出的信号跟输入信号作误差运算，再跟三角波(或锯齿波)比较，产生PWM(脉宽调制)信号；或者把输出的信号经过ADC变换，再输入到数字信号处理器进行处理。但这样一来，却导致了系统更加复杂，系统稳定性不容易控制，成本更高。

本发明提出了一种新的拓扑结构，把输出跟模拟电压输入直接进行电压比较，产生一个数字控制信号，用该控制信号产生PWM(脉宽调制)信号，再用PWM信号去控制功率开关产生PWM功率输出，再通过LPF(低通滤波器)滤出音频成分推动负载。该拓扑结构具有结构简单，成本低廉，性能优越的特点。该结构巧妙地利用了电压比较电路，既解决了ADC(数模转换)的成本问题，又因为引入了负反馈，使得输出阻抗大大降低，保证了音质和生产一致性。

本发明是这样实现的：

结合附图，说明如下。

该拓扑结构由电压比较电路，脉宽调制电路，电子功率开关，缓冲电路，续流二极管，低通滤波电路和负载组成。

电压比较电路(VCOMP)负责把输入跟输出作电压比较，产生一个指示信号Vd，相当于一位的数字信号，指示输入跟输出电压作比较的高低关系。

脉宽调制电路(PWM CTRL)负责根据电压比较电路送来的一系列指示信号Vd，产生两个相应的PWM(脉宽调制)信号GP和GN，分别去控制与正电源和负电源相连接的两个电子功率开关的导通和截止。

电子功率开关(SW1和SW2)，是功率转换器件，完成逻辑电平的PWM控制信号到高电压大电流的PWM功率输出的转换。

缓冲电路(SNUBBER)，一般由阻容元件构成。可以防止功率开关连接节点M电压突变产生强干扰和降低功率开关的应力。

续流二极管(D1和D2)，是用来给后面的低通滤波器在DC-DC转换时提供续流通道，防止电流突变产生高压击坏功率开关管而设的。

低通滤波器(LPF)，一般由电感电容组成，也可以带有高频吸收网络。配合功率开关和续流二极管，完成DC-DC转换和滤波的双重功效。

负载(Rload)，一般是扬声器。该拓扑结构用于其他用途时，也可能是其他形式的器件或装置。

这些电路模块形成一个大的反馈环，电压比较电路把输出电压跟输入电压的差值信息以1位的高速数据流的形式传递到脉宽调制电路，脉宽调制电路根据该数据系列，产生脉宽调制信号控制开关管输出，就得到了一个高电压大电流的PWM功率输出，经过低通滤波滤出低频成分，输出到负载上。输出电压跟输入电压不断比较，电路不断调整输出，让输出电压与输入电压成某一函数关系，则输出电压就是输入电压函数变换后的功率输出。如果设计反馈环，让输出电压跟输入电压成一正比例关系，能在音频频域里响应，就实现了音频信号的功率放大，因功率管工作在开关状态，所以该放大器属于丁类音频功率放大器，也就是数字音频功率放大器。

Claims (10)

1.一种主要用在数字音频功率放大器也可用于压控开关电源的拓扑结构。它由电压比较电路(VCOMP)，脉宽调制电路(PWM CTRL)，电子功率开关(SW1和SW2)，缓冲电路(SNUBBER)，续流二极管(D1和D2)，低通滤波电路(LPF)和负载(Rload)组成。

2.根据权利要求1所述的电路。其特征为从音频信号输入到输出形成一个反馈环，其环路为：电压比较电路→脉宽调制电路→电子功率开关→低通滤波电路→电压比较电路。

3.根据权利要求1和2所述的电路。其特征为利用电压比较电路，把低通滤波电路输出(节点OUT)的电压反馈回来，跟输入的音频信号的电压进行比较，产生数字控制信号(设该信号名为Vd)，用该数字控制信号控制脉宽调制电路工作。

4.根据权利要求3所述的电压比较电路(VCOMP)，该电压比较电路可以为多种形式的能完成电压比较输出数字信号的电路。反馈电压跟输入音频电压可以直接比较，也可以是经过放大或者阻抗元件衰减后，再作电压比较，或者是再利用阻抗元件互相叠加运算后跟地电位比较。

5.根据权利要求1所述的脉宽调制电路(PWM CTRL)，可以是多种形式的能完成根据输入控制信号Vd变化而输出相应PWM(脉宽调制)信号的电路单元。该电路单元在实现形式上，可以是ASIC(特定用途芯片)，FPGA(现场可编程门阵列)，PLD(可编程逻辑器件)，门电路组成的电路模块，或者是单片机，微型计算机。设该脉宽调制电路输出的信号名为GP和GN。

6.根据权利要求1和5所述的电路。电子功率开关可以是多种可以完成开关功能的电子器件，包括MOSFET，双极型晶体管，IGBT，MCT，或者晶闸管。设与正电源(VPP)和负电源(VNN)连接的电子功率开关分别为SW1和SW2，它们分别受GP和GN控制。设SW1与SW2相连的节点名为M。

7.根据权利要求1和6所述的电路，缓冲电路(SNUBBER)连接在节点M上，起到缓冲该节点电压变化的作用。

8.根据权利要求1和6所述的电路。续流二极管D1的正极连接在节点M上，负极连接在正电源上；续流二极管D2的正极连接在负电源上，负极连接在节点M上。

9.根据权利要求1和6所述的电路。低通滤波电路(LPF)连接在节点M和负载之间，设低通滤波电路与负载相连的节点名为OUT。低通滤波电路一般由电感电容组成，也可以带有阻容元件等能量吸收网络，完成低通滤波的作用。

10.根据权利要求1和9所述的电路。负载(Rload)接在节点OUT上。当该拓扑结构用于作音频功率放大，负载一般为扬声器。当该拓扑结构用于其他场合时，负载可以是其他形式的元器件或者装置。

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