CN1960170A - 功率放大器的输出偏置保护 - Google Patents

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Abstract

输出偏置保护电路通过监视运算放大器中的功率晶体管的温度以检测输出单元的故障状态来提供对负载和功率放大器的保护。在输出偏置保护电路中，当输出单元驱动负载时，传感器单元监视功率晶体管之间的温度差。当检测到温度差达到第一门限等级时，断开单元向保护开关单元发送断开信号，并且启动滞后单元。滞后单元将门限等级切换到低于第二门限等级。传感器单元继续监视温度差直到达到第二门限等级。然后停止断开单元。

Description

功率放大器的输出偏置保护
发明背景
本发明涉及一种利用温度感测提供保护的功率放大器，在发生故障的情况下，例如，当输出端短路到恒定电位，使负载两端的输出偏置时，或者当发生异常输出偏置情况时，如由于耦合电容器的损坏引起漏电或环境影响造成的放大器特性改变等，它可能使DC偏置电流流经诸如扬声器之类的负载，并且偏置电流通过扬声器的音圈时所产生的热会损坏扬声器。因此保护电路会预先阻止引起的偏置对功率放大器和负载的不利影响或损坏。美国专利No.2003/0160653A1中公开了这种保护电路的一个例子。
在功率放大器系统中，希望避免在可能导致系统，特别是功率晶体管永久损坏的错误模式下工作。在常规设计中，保护电路利用外部低通滤波器和控制单元来检测和判断偏置的发生。
图5示出了具有防止诸如扬声器之类的负载被损坏的保护装置的现有技术的功率放大器。该功率放大器系统包括功率放大器9、电子音量电路10、耦合电容器11、低通滤波器12、控制单元13和显示单元14。
功率放大器9设置有非反相放大电路16，用于对从电子音量电路10通过耦合电容器11提供到输入端Q0的音频信号进行非反相放大；反相放大电路17，用于对所述音频信号进行反相放大；功率放大电路18，用于放大来自非反相放大电路16的音频信号；和另一个功率放大电路19，用于放大来自反相放大电路17的音频信号。
功率放大电路18和19的输出接点分别通过开关元件20和21连接到输出端Q1和Q2。来自功率放大电路18的输出电压S1和来自功率放大电路19的输出电压S2提供给差动电压检测单元22，以产生用于检测偏置的差动电压信号S12。差动电压检测单元22具有用于计算输出电压S1和S2之间的差的差动放大器，和将从差动放大器输出的差动信号(S1-S2)的电压电平与特定的门限电压VTHD进行比较的比较器。比较器比较门限电压VTHD和差动信号(S1-S2)，并输出对应于差(S1-S2)的占空比中的差动电压信号S12。
低通滤波器12的频带等于或低于音频频带，并且通过平滑从外部输出端Q4输出的差动电压信号S12来产生DC电压的检测信号Vdet。检测信号Vdet提供给控制单元13。
控制单元13执行基本控制。例如，控制单元13通过接收从操作面板或用户操作而提供的命令信息来调整扬声器15的音量，从而按用户的命令来控制电子音量电路10的操作。控制单元13不仅执行基本控制，而且还预设用来检测有/无偏置的门限电压Vok。考虑实际允许的偏置电压预先确定门限电压Vok。
控制单元13比较检测信号Vdet的电压电平和门限电压Vok，并且当检测信号Vdet的电压电平高于门限信号Vok时，判断来自功率放大电路18和19的输出中无偏置。相反，当检测信号Vdet的电压电平等于或低于门限信号Vok时，控制单元13检测来自功率放大电路18和19的输出中有偏置。
如果判断有偏置，那么控制单元13通过外部输入端Q3向开关元件20和21提供开关控制信号，然后使开关元件20和21进入非导通状态(OFF状态)以切断功率放大电路18和19与扬声器15之间的连接。如果判断无偏置，那么控制单元13使开关元件20和21保持导通状态(ON状态)。控制单元13向开关显示单元14提供信号以显示告警。
在这种常规设计中，判断是否出现偏置以及保护控制是通过检测差动电压，通过外部LPF 12和控制单元13提供所检测的差动电压，然后将开关控制信号反馈给功率放大器9来实现的。该操作非常缓慢并且在保护开始前给功率放大器9和扬声器15造成很大压力。因此会使性能恶化。
发明内容
本发明的目的是利用温度感测来提供一种具有有效保护系统的功率放大器。该保护系统保护包括功率晶体管和诸如扬声器之类的负载的输出单元。这样，可以避免当输出端短路到恒定电位或产生异常输出偏置时可能发生的损坏，并且不会影响原始性能。
根据本发明，具有保护电路的功率放大器电路包括：设置在第一放大器中的第一功率晶体管；设置在第二放大器中的第二功率晶体管；偏置单元，用于向所述第一和第二放大器提供偏置信号；设置在用于发送偏置信号的路径上的保护开关；保护开关单元，用于向保护开关提供控制信号；和输出偏置保护电路，用于提供使所述控制信号产生的断开信号。所述输出偏置保护电路包括：位于所述第一功率晶体管附近的第一温度感测晶体管，用于在所述第一功率晶体管发热超过预定温度时产生温度感测信号；位于所述第二功率晶体管附近的第二温度感测晶体管，用于在所述第二功率晶体管发热超过预定温度时产生温度感测信号；以及断开单元，用于在所述第一和第二温度感测晶体管中的至少一个产生温度感测信号时，产生断开信号。
根据优选实施例，输出偏置保护电路还包括：判断装置，用于确定使所述第一和第二温度感测晶体管导通的第一预定温度。
根据优选实施例，输出偏置保护电路还包括：滞后单元，用于为第一和第二温度感测晶体管提供旁路，从而确定使所述第一和第二温度感测晶体管截止的第二预定温度，所述第二预定温度低于所述第一预定温度。
虽然所附权利要求中陈述了本发明的这些新特特征，通过下面结合附图的详细描述，可以更好地理解本发明的结构和内容以及其它目的和特征。
附图说明
图1显示根据本发明的功率放大器的桥式推挽放大电路(BTL：BALANCED TRANSFORMER LESS)配置的方框图。
图2是显示详细的保护单元的方框图。
图3是根据本发明优选实施例的输出偏置保护电路的电路图。
图4是显示根据本发明具有输出偏置保护电路的功率放大器的操作流程图。
图5是具有保护装置的常规音频功率放大器的方框图。
具体实施方式
下面的描述说明了本发明实施例的最佳模式。
图1显示了根据本发明功率放大器9的桥式推挽放大电路(BTL：BALANCED TRANSFORMER LESS)配置的优选实施例。功率放大器9优选是用来驱动扬声器Sp的音频功率放大器。功率放大器9包括输入端1、输出单元2、第一和第二输出端3A和3B、偏置单元4、备用引脚5、静音引脚6和保护单元7。
输入终端1接收来自外部设备，例如微控制器的音频信号VIN。输出单元2包括第一和第二运算放大器2A和2B、缓存器21A、和反相器21B。音频信号VIN分别通过缓存器21A和反相器21B，以相反的相位分别进入第一运算放大器2A和第二运算放大器2B。第一和第二运算放大器2A和2B为推挽式，即每个都包括一对串联在电源(正极VCC)和地(负极VEE)之间的功率晶体管。各连接在各对功率晶体管中间的第一和第二输出端3A和3B连接到扬声器Sp。第一和第二运算放大器2A和2B将音频信号VIN转换成在第一和第二输出端3A和3B极性分别相反的一对输出电压VOUT和-VOUT。然后，将加倍的输出电压VOUT施加到扬声器Sp两端。
偏置单元4向其它单元提供偏置电流，从而偏置处在现用状态的其它单元。偏置单元4监视备用引脚5的状态，并且在备用引脚5激活时开始(或终止)偏置。偏置电流或偏置信号也提供给输出单元2。保护开关7A被插入到用于向输出单元2发送偏置信号的路径上。
保护单元7检测功率放大器9的故障状态。故障状态包括，例如，输出端3A和3B中一个短路到恒定电位，导致异常的负载状态。当检测到故障状态时，保护单元7产生一个使保护开关7A断开的控制信号，从而切断输出模单元2与偏置单元4。因此，在故障状态下防止输出单元2保持导通状态，并且保护输出单元2不被故障状态损坏。
图2示出了显示保护单元7的结构的功率放大器9的配置。保护单元7包括保护开关单元71、和输出偏置保护电路8。
保护开关单元71产生控制保护电路7A通/断状态的控制信号。所示保护开关7A具有两个设置在输出单元2和偏置单元4之间的开关元件，并且用来允许(或禁止)偏离电流。特别地，当接收到从保护单元7中的输出偏置保护电路8产生的断开信号Sc后，保护开关单元71产生使保护开关7A断开的控制信号。
图3显示了根据优选实施例的输出偏置保护电路8的电路图。输出偏置保护电路8包括传感器单元81、判断装置82、断开单元83、和滞后单元84。
传感器单元81包括三个NPN晶体管Q1、Q2和Q3。NPN晶体管Q1是位于靠近上方功率晶体管的温度感测晶体管，而NPN晶体管Q2是位于靠近下方功率晶体管的温度感测晶体管，上方和下方功率晶体管分别位于运算放大器2A和2B内部。两个NPN晶体管Q1和Q2的基极连接到恒定偏置电压。两个NPN晶体管Q1和Q2的发射极相互连接并且还连接到晶体管Q3的集电极。NPN晶体管Q3是从NPN晶体管Q1和Q2中抽出恒定偏置电流的电流宿。两个NPN晶体管Q1和Q2的集电极电流(IC(Q1)、IC(Q2))在正常工作状态是相同的。因此，晶体管Q1或Q2的集电极电流等于NPN晶体管Q3抽出的集电极电流(IC(Q3))的一半。然而，当运算放大器2A或2B中的功率晶体管出现故障时，功率晶体管的温度上升。假设运算放大器2A中的上方功率晶体管过载，并且温度因此而上升。在这种情况下，NPN晶体管Q1的集电极电流(IC(Q1))增加，而NPN晶体管Q2的集电极电流下降。
判断装置82包括三个PNP晶体管Q4、Q5和Q6。这三个PNP晶体管Q4、Q5和Q6设置输出偏置保护电路8的门限等级。三个PNP晶体管Q4、Q5和Q6的发射极连接到电源VCC。PNP晶体管Q4的基极和集电极连接到两个PNP晶体管Q5和Q6的基极。因此，两个PNP晶体管Q5和Q6的集电极电流(IC(Q5)、IC(Q6))是来自PNP晶体管Q4的集电极电流(IC(Q4))的镜像，以便向传感器单元81提供恒定电流。
断开单元83包括四个PNP晶体管Q7、Q8、Q9和Q10。四个PNP晶体管Q7、Q8、Q9和Q10的发射极连接到电源VCC。两个PNP晶体管Q7和Q8的基极连接到判断装置82的PNP晶体管Q5的集电极，并且还连接到传感器单元81的NPN晶体管Q1的集电极。两个PNP晶体管Q9和Q10的基极连接到判断装置82的PNP晶体管Q6的集电极，并且还连接到传感器单元81的NPN晶体管Q2的集电极。
滞后单元84包括PNP晶体管Q11、四个NPN晶体管Q12、Q13、Q14和Q15，和电阻R1。PNP晶体管Q11的发射极连接到电源VCC。PNP晶体管Q11的基极连接到判断装置82的PNP晶体管Q4的基极和集电极。因此，PNP晶体管Q11的集电极电流(IC(Q11))是来自PNP晶体管Q4的发射极电流(IC(Q4))的镜像，所以能够提供恒定电流。两个NPN晶体管Q12和Q13的发射极接地，而NPN晶体管Q13的基极连接到NPN晶体管Q12的基极和集电极。两个NPN晶体管Q12和Q13形成电流镜像，使得断开单元83的PNP晶体管Q7和Q9的集电极电流(IC(Q7)、IC(Q9))与NPN晶体管Q13的集电极电流相同。NPN晶体管Q14的基极和集电极连接到PNP晶体管Q11的集电极以及NPN晶体管Q13的集电极。NPN晶体管Q14的发射极连接的NPN晶体管Q15的发射极以及电阻R1的一端。电阻R2的另一端接地。在正常工作中，NPN晶体管Q15截止。在故障状态下，接通NPN晶体管Q15导通作为电流宿，从传感器单元81的NPN晶体管Q1和Q2抽出恒定的集电极电流(IC(Q1)、IC(Q2))。
在工作中，当运算放大器2A或2B中的上方功率晶体管过载并且发热超过预定温度时，温度感测晶体管Q1则产生施加到晶体管Q8的温度感测信号，以产生断开信号Sc。温度感测信号还被施加到晶体管Q7以激活滞后单元84。当滞后单元84被激活后，晶体管Q15导通以共享晶体管Q3和Q15之间的Q1的集电极电流(IC(Q1))。当上方功率晶体管冷却时，温度传感器晶体管Q1停止产生温度感测信号。从而终止了断开信号Sc，导致控制信号的终止。
同样，当运算放大器2A或2B中的下方功率晶体管过载并且发热超过预定温度时，温度感测晶体管Q2则产生施加到晶体管Q10的温度感测信号，以产生断开信号Sc。温度感测信号还施加到晶体管Q9以激活滞后单元84。当滞后单元84被激活时，晶体管Q15导通以共享晶体管Q3和Q15之间的Q2的集电极电流(IC(Q2))。当下方功率晶体管冷却时，温度传感器晶体管Q2停止产生温度感测信号。从而终止了断开信号Sc，导致控制信号的终止。下面将更详细地描述其工作。在正常工作中，断开单元83处在断开状态，所有没有来自PNP晶体管Q7、Q8、Q9和Q10的电流。由于没有来自Q8和Q10的电流，因此不产生断开信号Sc。这样，就不会激活保护开关单元71。由于没有来自断开单元83的Q7和Q9的电流，因此滞后单元84的Q12和Q13形成的电流镜像不工作。由于电流镜像(Q12和Q13)不工作，因此，Q11所有的集电极电流(IC(Q11))将流过Q14并且在电阻R1的两端产生电压(VR1)。R1两端的电压(VR1)会降低Q15的基极和发射极两端的电压(VBE(Q15))，因此NPN晶体管Q15将截止。由于没有来自Q15的电流，因此
IC(Q1)＝IC(Q2)＝(1/2)IC(Q3)
并且
IC(Q1)＜IC(Q4)，IC(Q2)＜IC(Q4)
因此
IC(Q1)＝IC(Q5)
并且
IC(Q2)＝IC(Q6)。
当发生故障导致输出端3A出现巨大正偏置时，会有巨大的恒定电流流过运算放大器2A中的上方功率晶体管，从而导致上方功率晶体管周围的温度升高。传感器单元81的温度感测晶体管Q1将检测到上方晶体管的温度升高并且增加Q1的集电极电流IC(Q1)，直到其达到第一门限等级(Vth1)(IC(Q1)≥IC(Q4))。从公式
V be = KT q ln I E I s ,
清楚地表明流过晶体管的发射极电流(或集电极电流，假设基极电流非常小可以忽略不记)和晶体管两端的基极-发射极电压取决于温度。在这种故障状态下，温度感测晶体管Q1会开始从断开单元的Q7和Q8引入电流。因此可以得到
IC(Q1)＝IC(Q5)+IB(Q7)+IB(Q8)。
从断开单元83的两个PNP晶体管Q7和Q8的基极引入电流会激活断开单元83。因此，晶体管Q8会向保护开关单元71提供断开信号Sc，而晶体管Q7会向滞后单元84的Q12提供电流。Q12的集电极电流(IC(Q12))镜像到Q13的集电极电流(IC(Q13))，并且是从Q11中抽出所有电流。然后，晶体管Q14截止，电阻R1两端的电压(VR1)降低。这样，Q15的基极和发射极电压(VBE(Q15))升高，使晶体管Q15导通。因此，晶体管Q15作为电流源向传感器单元81的温度感测晶体管Q1和Q2提供额外的电流。当滞后单元84导通后，得到
IC(Q1)+IC(Q2)＝IC(Q3)+IC(Q15)的关系
其中IC(Q1)大于IC(Q2)。
响应断开信号Sc，保护开关单元71产生使保护开关7A接通的控制信号。这样，禁止了来自偏置单元4的偏置电流流到输出模单元2。由于偏置电流不再流过运算放大器2A中的上方功率晶体管，因此上方功率晶体管周围的温度降低。这样，传感器单元81的温度感测晶体管Q1检测到上方功率晶体管的温度下降，导致Q1的集电极电流(IC(Q1))减小。然后，当Q1的集电极电流(IC(Q1))达到第二门限等级(Vth2)，即，当IC(Q1)＜IC(Q4)时，晶体管Q14导通，以使晶体管Q15截止。第二门限等级(Vth2)低于第一门限等级(Vth1)，因此产生滞后。一旦温度感测晶体管Q1的集电极电流(IC(Q1))低于第二门限等级(Vth2)，则停止从断开单元83的Q7和Q8引入电流，并且终止来自PNP晶体管Q8的集电极的断开信号Sc。停止滞后单元并且立即恢复输出单元2的正常工作，而不影响功率放大器9的原始性能。
利用滞后单元84，Q1的集电极电流(IC(Q1))在晶体管Q1由于来自上方功率放大器的热量而被导通前只流过晶体管Q3，但是在Q1导通后，Q1的集电极电流(IC(Q1))流过并联的两个晶体管Q3和Q15。这样，晶体管Q15就作为旁路。由于晶体管Q1的集电极电流路径在Q1导通之前和之后发生了改变，因此当功率晶体管发热超过第一预定温度时，晶体管Q1被导通，而当功率晶体管的温度冷却到低于第一预定温度的第二预定温度以下时，晶体管Q1被截止。因此，能够防止晶体管Q1在导通和截止之间反复振荡。这同样适用于晶体管Q2的导通和截止。输出偏置保护电路8可以通过调整门限等级来调整接通保护的灵敏度。通过控制传感器单元81的电流宿Q3和控制到判断装置82的PNP晶体管Q4的恒定电流，可以调整对应于第一预定温度的第一门限等级(Vth1)。通过控制电阻R1的电阻值，可以调整输出偏置保护电路8的复原，即，调整对应于第二预定温度的第二门限等级(Vth2)。因此，能够改变由NPN晶体管Q15提供的额外电流。根据允许范围内的偏置电压预先确定门限值，从而保证功率放大器9的正确工作。
输出偏置保护电路8与常规的热停机(thermal shutdown)电路的区别在于输出偏置保护电路8感测运算放大器2A和2B内部功率晶体管之间的温差，而热停机电路感测整个功率放大器9的温度。为了保证输出偏置保护电路8的正确工作，总是把热停机电路放在远离运算放大器2A和2B内部功率晶体管的地方。
图4显示了对功率放大器9的输出偏置保护的流程图。
步骤S1：
在正常工作期间，温度传感器检测功率晶体管的温度。
(IC(Q1)＜IC(Q4)，IC(Q2)＜IC(Q4))
步骤S2：
对判断装置82设置该输出偏置保护电路的预定门限等级。在检测到的温度超过偏置保护电路的第一门限等级(Vth1)(IC(Q1)≥IC(Q4)或IC(Q2)≥IC(Q4))的情况下，流程进入下一步S3，否则重复步骤S1。
步骤S3：
断开单元83向保护开关单元71发送断开信号Sc，从而激活保护开关单元71以产生控制信号并且激活滞后模单元84。
步骤S4：
保护开关单元71产生使保护开关7A断开的控制信号，从而切断从偏置单元4到输出单元2的偏离电流。然后功率晶体管都保持在截止状态。此后，其温度会下降。
步骤S5：
为了复原，监视检测到的温度是否仍然超过输出偏置保护电路的第二门限等级(Vth2)(IC(Q1)＜IC(Q4)或IC(Q2)＜IC(Q4))。如果功率晶体管已经冷却，流程则返回步骤S1，否则重复S3。
基于优选实施例给出的本发明的上述公开不应被理解为对本发明的限制。在阅读所述公开之后，对本发明的各种改变和修改对本领域的技术人员来说是显而易见的。很显然，这些改变和修改属于本发明的真正精神和范围内。另外，可以理解，所附权利要求意在包括这些改变和修改。

Claims (6)

1.一种具有保护电路的功率放大器电路，包括：
设置在第一放大器(2A)中的第一功率晶体管；
设置在第二放大器(2B)中的第二功率晶体管；
偏置单元(4)，用于向所述第一和第二放大器提供偏置信号；
设置在用于发送所述偏置信号的路径上的保护开关(7A)；
保护开关单元(71)，用于向所述保护开关(7A)提供控制信号；以及
输出偏置保护电路(8)，用于提供产生所述控制信号的断开信号(Sc)，所述输出偏置保护电路(8)包括：
第一温度感测晶体管(Q1)，位于所述第一功率晶体管附近，用于在所述第一功率晶体管发热超过预定温度时，产生温度感测信号；
第二温度感测晶体管(Q2)，位于所述第二功率晶体管附近，用于在所述第二功率晶体管发热超过预定温度时，产生温度感测信号；以及
断开单元(83)，用于在所述第一和第二温度感测晶体管中的至少一个产生温度感测信号时，产生断开信号(Sc)。
2.根据权利要求1所述的功率放大器电路，其中所述输出偏置保护电路(8)还包括：
判断装置(82)，用于确定使所述第一和第二温度感测晶体管导通的第一预定温度。
3.根据权利要求1所述的功率放大器电路，其中所述输出偏置保护电路(8)还包括：
滞后单元(84)，为所述第一和第二温度感测晶体管提供旁路电路，从而确定使所述第一和第二温度感测晶体管截止的第二预定温度，所述第二预定温度低于所述第一预定温度。
4.一种具有保护电路的功率放大器电路，包括：
设置在放大器(2A)中的功率晶体管；
偏置单元(4)，用于向所述放大器提供偏置信号；
设置在用于发送所述偏置信号的路径上的保护开关(7A)；
输出偏置保护电路(8)，用于提供使所述保护开关导通和截止的断开信号(Sc)，所述输出偏置保护电路(8)包括：
温度感测晶体管(Q1)，位于所述功率晶体管附近，用于在所述功率晶体管发热超过预定温度时，产生温度感测信号；
断开单元(83)，用于在所述温度感测晶体管产生温度感测信号时，产生断开信号(Sc)。
5.根据权利要求4所述的功率放大器电路，其中所述输出偏置保护电路(8)还包括：
判断装置(82)，用于确定使所述温度感测晶体管导通的第一预定温度。
6.根据权利要求4所述的功率放大器电路，其中所述输出偏置保护电路(8)还包括：
滞后单元(84)，用于为所述温度感测晶体管提供旁路电路，从而确定使所述温度感测晶体管截止的第二预定温度，所述第二预定温度低于所述第一预定温度。
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