CN1930774A - 具有输出电压均衡器的开关模式电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于馈送单端D类放大器的开关模式电源，该开关模式电源具有两个电压源(1，2)。所述电源包括电压均衡器电路，该电压均衡器电路包括具有连接到所述公共点(3)的第一端子的线圈(10)；连接在线圈(10)的第二端子和第一电压源(1)的正极侧之间的第一开关(11)；连接在所述线圈(1)的第二端子和第二电压源(2)的负极侧之间的第二开关(12)；以及控制电路(13，14)，用于确定电压源(1或2)之一的电压(v1，v2)何时超过预定门限值(vthresh，ON)，并且响应这个确定，周期性地操作与所述这个电压源相关联的开关(11或12)接通和断开，由此将能量从所述一个电压源(1或2)重新分配到另一个电压源(2或1)。因此，本发明的电压均衡器充当开关模式转换器，将能量从一个电压源重新分配到另一个电压源，由此确保两个电源的输出电压基本上相等。此外，所述电压均衡器需要很少的元件，并且因而实现简单。因为所述两个开关仅仅需要处理过多的功率，所以它们可以是相对小的并且成本低的。

Description

具有输出电压均衡器的开关模式电源
技术领域
本发明涉及具有两个(反相的)电压源的开关模式电源。这种电源通常被用于驱动D类放大器。本发明还涉及由这种电源驱动的D类放大器。
背景技术
基于半桥的(所谓的单端)D类放大器需要具有两个反相的电压源的电源，并且通常使用开关模式电源。当这种电源连接到D类放大器时，出现称为“泵效应”(pump effect)的现象，这意味着，对于低音频来说，D类放大器将能量从一个电压源传送到另一个电压源。这个效应可以是十分显著的，导致削弱放大器的性能并且甚至能导致破坏D类放大器中的IC。
为了解决这个问题，可以将输出电容器的电容值设置很大，由此将纹波减少到相比输出电压来说的一个可接受值。但是，输出电容器(典型为电解电容器)变得十分巨大并且昂贵。
可替换地，耗散的功率钳位被设置在每个电压源上，由此耗散传送到电压源的过多功率。当然，缺点是这导致效率降低、热问题和元件的体积额外大。
发明内容
本发明的一个目的是克服这个问题，并且提供开关模式电源的输出电压均衡。
根据本发明，利用一种开关模式电源实现这个和其它的目的，所述开关模式电源包括两个电压源，第一电压源的负极侧在一个公共点中连接到第二电压源的正极侧，并且所述开关模式电源还包括电压均衡器电路，所述电压均衡器电路包括：具有连接到所述公共点的第一端子的线圈；连接在线圈的第二端子和第一电压源的正极侧之间的第一开关；连接在所述线圈的第二端子和第二电压源的负极侧之间的第二个开关；以及控制电路，用于确定电压源之一的电压何时超过预定门限值，并且响应这个确定，周期性地操作与所述这个电压源相关联的开关接通和断开，由此将能量从所述一个电压源重新分配到另一个电压源。
因此，本发明的电压均衡器充当开关模式转换器，将能量从一个电压源重新分配到另一个电压源，由此确保两个电源的输出电压基本上相等。此外，所述电压均衡器需要很少的元件，因而实现简单。因为所述两个开关仅仅需要处理过量的功率，所以它们可以是相对小的并且成本低的。
根据优选实施例，控制电路包括用于每个开关的一个控制电路，每个电路包括：与相应电压源并联连接的比较器，用于当电源输出电压超过所述门限值时，产生激活信号；以及连接到所述开关的栅极并且接收所述激活信号的振荡器，用于当出现所述激活信号时，提供周期性的门信号。所需的控制电路的这个设计十分简单，进一步提高本发明的电压均衡器的成本效率。
比较器优选地是磁滞比较器，用来当电源输出电压下降低于第二门限值时禁止激活信号。通过具有不同的门限来激活和去激活均衡器的周期性开关，可获得更加平稳的过程。
所述开关优选地是MOSFET开关。这些开关的优点是通过MOSFET的寄生体二极管提供整流效应，从而使额外的整流二极管变得多余。
有利地使用所述开关模式电源来驱动D类放大器。
附图说明
现在参考附图将更加详细地描述本发明的这个和其它方面，所述附图示出了本发明的当前优选实施例。
图1是根据本发明的开关模式电源的示意电路图。
图2a是示出图1中的电源输出电压的图。
图2b是示出了在图1的控制电路之一中来自比较器的激活信号以及由振荡器所产生的门信号的图。
图2c是示出通过图1中线圈的电流的图。
具体实施方式
图1中的电源具有以串联连接的两个电解电容器(elcap)1，2形式的两个反相电源，上面电解电容器1的负极侧和下面电解电容器2的正极侧连接到公共点3。每个电源分别与包括变压器绕组4和二极管6的电路以及包括变压器绕组5和二极管7的电路并联连接，所述变压器绕组4，5的一侧分别与二极管6，7串联连接，以便两个变压绕组4和5相互连接到公共点3。在使用时，变压器绕组4和5将经由二极管6和7传送能量到负载，例如D类放大器(未示出)。例如，电压源1和2的输出电压可以是+/-27V。
根据本发明，图1中的电源还具有线圈10，该线圈连接在公共点3和两个开关11和12的第一端子之间，所述开关的第二端子分别连接到电解电容器1和2的另一侧。因此，电压源1，2的每一个分别与包括开关11和线圈10的电路以及包括开关12和线圈10的电路并联连接，所述开关11，12分别与线圈10串联连接。
开关11，12可以是晶体管开关，例如MOSFET。上面的开关11优选地是p沟道MOSFET，其漏极连接到线圈10并且其源极连接到上面电压源1的正极侧，而下面的开关12优选地是n沟道MOSFET，其源极连接到线圈3并且其漏极连接到下面电压源2的负极侧。利用这样的设计，简化了MOSFET的驱动(不需要浮动驱动)。
控制电路13和14分别控制每个开关11，12，在所示的例子中每个控制电路包括比较器15，16和振荡器17，18。每个控制电路的比较器15，16与它各自的电压源1，2并联连接，并且具有与振荡器17，18连接的输出信号(称为激活信号19，20)。振荡器(该振荡器通过电压源1，2提供电压)具有与相应开关11，12的栅极相连接的输出21，22。所述比较器优选地是磁滞类型的，具有给定的参考电压和给定的磁滞。在所给出的实例中，参考电压可以是29V，具有1V的磁滞。
现在参考图2a-2c将描述图1中电路的功能。在图2a中，示出了两个电解电容器的电压，在时间点t1，下面电解电容器的输出电压v2超过了上面电解电容器的输出电压v1大于一个预定的门限值Vthresh，ON，在该例子中给出为29V。这可通过下面控制电路中的比较器来检测，这产生了到振荡器的激活信号。该振荡信号在图2b中示出。
每当振荡信号为高时，下面的MOSFET被接通，并且线圈连接到下面的电解电容器。正如图2c中所示出的，线圈中的电流(和磁通量)随着时间以V2/L的速率增加，由此从电解电容器传送能量到线圈。当MOSFET被断开时，电流将改为流过上面MOSFET的体二极管和上面的电解电容器，由此传送能量到上面的电解电容器。正如图2c中所示出的，线圈中的电流将以V1/L的速率下降。当降低的速率低于增加的速率(因为在这个实例中电压V1低于V2)时，振荡信号的接通周期略短于断开周期是有利的，以便在下一个振荡开始之前(非连续模式)，允许线圈磁通量完全地传送到上面的电解电容器。如果接通周期和断开周期在长度上相等(连续模式)，则这可能导致磁通积聚，在这种情况下线圈的铁氧体磁心可能饱和。连续模式对于低电压和高电流的应用可能是有利的。
通过重复地开关下面MOSFET，将能量从下面的电解电容器传送到上面的电解电容器，直到在时间点t2，下面的输出电压v2下降低于预定值Vthresh，OFF，在本例子中给出为28V。在大约100kHz的开关频率和大约50μH的线圈电感的情况下，将需要大约500-1000开关周期以使输出电压差减少1V。
以完全相同的方法执行从上面电解电容器到下面电解电容器的能量传送。
本领域的技术人员应该理解的是，本发明决不局限于上述描述的优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，很多修改和变更是可能的。例如，图1中的简化电路实际上可以包括额外元件，由于清楚起见省略了所述额外元件。

Claims (8)

1.一种用于馈送单端D类放大器的开关模式电源，所述电源包括两个电压源(1，2)，第一电压源(1)的负极侧在公共点(3)连接到第二电压源(2)的正极侧，
其特征在于开关模式电源具有电压均衡器电路，所述电压均衡器电路包括：
线圈(10)，所述线圈(10)具有连接到所述公共点(3)的第一端子，
连接在线圈(10)的第二端子和第一电压源(1)的正极侧之间的第一开关(11)，
连接在线圈(1)的第二端子和第二电压源(2)的负极侧之间的第二开关(12)，以及
控制电路(13，14)，用于确定电压源(1或2)之一的电压(v1，v2)何时超过第一门限值(vthresh，ON)，并且响应这个确定，周期性地操作与所述这个电压源相关联的开关(11或12)接通和断开，由此将能量从所述一个电压源(1或2)重新分配到另一个电压源(2或1)。
2.根据权利要求1的开关模式电源，其中所述控制电路包括用于每个开关(11，12)的一个控制电路(13，14)，每个电路包括：
与相应电压源(1，2)并联连接的比较器(15，16)，用于当源输出电压(v1，v2)超过所述第一门限值(vthresh，ON)时产生激活信号(19，20)，以及
连接到开关(11，12)的栅极并且接收所述激活信号(19，20)的振荡器(17，18)，用于当出现所述激活信号(19，20)时提供周期性的门信号(21，22)。
3.根据权利要求2的开关模式电源，其中比较器还可以是磁滞比较器，用来当电源输出电压(v1，v2)下降低于第二门限值(vthresh，OFF)时禁止激活信号。
4.根据权利要求3的开关模式电源，其中所述第一门限值(vthresh，ON)大于所述第二门限值(vthresh，OFF)。
5.根据权利要求3或4的开关模式电源，其中所述第一和第二门限值(vthresh，ON，vthresh，OFF)大于期望的电源输出电压。
6.根据先前任一权利要求的开关模式电源，其中所述开关是MOSFET开关(11，12)。
7.根据先前任一权利要求的开关模式电源，其中所述电压源是电解电容器(1，2)。
8.一种根据先前任一权利要求的开关模式电源馈送的D类触发器。
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