DE60128117T2

DE60128117T2 - Schaltleistungsverstärkung

Info

Publication number: DE60128117T2
Application number: DE60128117T
Authority: DE
Inventors: Bruno J. Putzeys
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: EP1323230A2; US20020053945A1; CN1319269C; DE60128117D1; WO2002025809A2; WO2002025809A3; US6803816B2; ATE360916T1; JP2004509548A; CN1561573A; KR20020067522A; EP1323230B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltleistungsverstärker, der dazu bestimmt ist, ein Audio-Ausgangssignal zu liefern.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0930700 ist ein so genannter Klasse-D-Verstärker bekannt, welcher an einem Eingang ein so genanntes PCM-Eingangssignal empfängt.
Bei Anwendung herkömmlicher Klasse-D-Technologie kann jede von drei unvollkommenen Eigenschaften, nämlich Wirkungsgrad, Linearität oder EMI, auf Kosten mindestens einer der anderen beiden verbessert werden. Die Schaltfrequenz ist direkt proportional zu der geforderten Signalbandbreite. Ferner führt die hohe Wiederholfrequenz von zum Beispiel DSD (Direct Stream Digital) zu einem sehr hohen Schaltgeräusch und daher einem niedrigen Wirkungsgrad. Ein DSD-Signal ist eine Darstellung eines Audiosignals unter Verwendung der folgenden Parameter. Abtastfrequenz = 64 oder 48 mal 44,1 kHz. Ein Bit, Noise Shaped. Maximaler Modulationsindex = 50 %. Bei Verwendung einer Bandbreite 60 kHz, Spektralinformation bis zu 100 kHz.
Klasse-D-Verstärker, die parallelgeschaltete, phasenverschobene Ausgangsstufen verwenden, sind bekannt aus:

WATANABE: "Digitally Controlled OptimumCurrent Tracking Scheme of Two-Paralleled High-Power PWM Amplifier for Magnetic Resonance Imaging", IEEE, 1997, XP010241617;
NIELSEN: PARALLEL PHASE SHIFTED CARRIER PULSE WIDTH MODULATION (PSCPWM) – A NOVEL APPROACH TO SWITCHING POWER AMPLIFIER DESIGN", JOURNAL OF THE AUDIO ENGINEERING SOCIETY, AUDIO ENGINEERING SOCIETY,
NEW YORK, NY, USA, 22. März 1997 (1997-03-22), XP001055906; ROBINSON F V P: "The interleaved operation of power amplifiers", 7TH. INTERNATIONAL CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND VARIABLE SPEED DRIVES. PEVD'98. LONDON, 21.-23. SEPT. 1998, IEE CONFERENCE PUBLICATION NO. 456, LONDON: IEE, Großbritannien, 21. September 1998 (1998-09-21), XP006504990; und
FLINDERS F M; WOLFS P J; KWONG K C: "Improved Techniques for Switching Power Amplifiers", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, 30. Oktober 1992 (1992-10-30), XP002259131.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Schaltleistungsverstärker zu verbessern.
Zu diesem Zweck umfasst ein Schaltleistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Die Genauigkeit und der Wirkungsgrad eines Schaltleistungsverstärkers werden verbessert, indem mehrere Schaltleistungsstufen geringer Leistung zu einem größeren Verstärker kombiniert werden.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, den Wirkungsgrad des Schaltleistungsverstärkers zu erhöhen, ohne die anderen unvollkommenen Eigenschaften zu verschlechtern. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Vorteile mehrerer Phasen sind: Ausgangsschalter brauchen nur einen Bruchteil der Gesamtleistung zu liefern, die Schalter sind kleiner und schalten daher schneller, mit weniger Verlusten, die Anzahl der Output Transitions (Ausgangs-Übergänge) ist über diese kleineren Schalter verteilt, und der Einfluss eines Zeitfehlers auf einen Schalter beträgt nur 1/n von dem, was bei einer einzigen Phase der Fall gewesen wäre.
Es wird ein spezielles Ansteuerungsverfahren angewendet, um eine verlustarme Kombination der Signalspannungen zu ermöglichen. Es wird ein induktiver Combiner entwickelt, um eine fehlerfreie Kombination zu gewährleisten. Dieses Verfahren ermöglicht eine direkte Umwandlung von zum Beispiel DSD-Signalen in Analogleistung mit geringer Verzerrung und hohem Wirkungsgrad.
Die Erfindung und zusätzliche Merkmale, welche optional verwendet werden können, um die Erfindung vorteilhaft zu implementieren, werden aus den Beispielen ersichtlich und unter Bezugnahme auf die Beispiele erläutert, die im Folgenden beschrieben und in den Figuren dargestellt sind. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Schaltleistungsverstärkers gemäß der Erfindung,
2 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Schaltleistungsverstärkers gemäß der Erfindung mit einem DSD-Eingangssignal,
3 ein als Blockschaltbild dargestelltes Beispiel eines Schaltleistungsverstärkers gemäß der Erfindung mit einem PCM-Eingangssignal,
4 ein Blockschaltbild einer analogen Implementierung eines Schaltleistungsverstärkers,
5 ein Beispiel eines Induktor-Summiermittels.
1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds ein Beispiel eines Schaltleistungsverstärkers (Switching Power Amplifier) SPA. An einem Eingang I empfängt der Schaltleistungsverstärker ein Eingangssignal. Der Eingang I ist mit einer Eingangseinheit (Input Unit) INU zum Umwandeln des Eingangssignals in ein Signal, welches in der Mehrphasen-Treibereinheit (Multiphase Drive Unit) MPDU verwendet werden kann, verbunden. Der Ausgang der Mehrphasen-Treibereinheit ist mit der Leistungsstufe (Power Stage) PS verbunden. Der Ausgang der Leistungsstufe ist mit einer Summiereinheit (Summation Unit) SUMU verbunden. Der Ausgang der Summiereinheit ist über ein Tiefpassfilter mit dem Ausgang O des Schaltleistungsverstärkers verbunden.
Die Vorteile von mehreren Phasen sind: Ausgangsschalter brauchen nur einen Bruchteil der Gesamtleistung zu liefern, die Schalter sind kleiner und schalten daher schneller, mit weniger Verlusten, die Anzahl der Output Transitions (Ausgangs-Übergänge) ist über diese kleineren Schalter verteilt, und der Einfluss eines Zeitfehlers auf einen Schalter beträgt nur 1/n von dem, was bei einer einzigen Phase der Fall gewesen wäre.
2 zeigt ein Beispiel eines Schaltleistungsverstärkers SPA2, welcher an einem Eingang I2 ein so genanntes DSD-Signal empfängt. Der Eingang I2 ist über die Eingangseinheit INU2 mit der Mehrphasen-Treibereinheit MPDU2 verbunden. Auch in diesem Beispiel ist die Mehrphasen-Treibereinheit mit der Leistungsstufe PS2 verbunden, und der Ausgang der Leistungsstufe ist mit der Summiereinheit SUMU2 verbunden. Der Ausgang der Summiereinheit ist über ein Tiefpassfilter LPF2 mit dem Ausgang O2 des Schaltleistungsverstärkers verbunden.
Die Eingangseinheit INU2 filtert in diesem Beispiel das DSD-Eingangssignal und führt der Mehrphasen-Treibereinheit MPDU2 k Signale zu. Die Mehrphasen-Treibereinheit führt der Leistungsstufe PS2, welche in diesem Beispiel eine n-phasige Leistungsstufe ist, n Treibersignale zu. Der Ausgang der Leistungsstufe ist mit einer Summiereinheit zum Summieren der n verschiedenen Ausgangssignale verbunden. Der Ausgang der Summiereinheit ist über das Tiefpassfilter LPF2, zum Beispiel ein LC-Tiefpassfilter, mit dem Ausgang O2 des Schaltleistungsverstärkers SPA2 verbunden.
Dieses Verfahren der Erzeugung einer Verstärkung ermöglicht, dass das SD-Signal den Verstärker vollständig moduliert, selbst wenn sein Modulationsgrad zu niedrig ist.
3 zeigt ein anderes Beispiel eines Schaltleistungsverstärkers SPA3 gemäß der Erfindung. In diesem Beispiel empfängt der Eingang I3 ein so genanntes PCM-Signal, wobei dieser Eingang mit der Eingangseinheit INU3 verbunden ist. Auch in diesem Beispiel ist die Eingangseinheit mit der Mehrphasen-Treibereinheit MPDU3 verbunden, wobei diese Mehrphasen-Treibereinheit mit der Leistungsstufe PS3 verbunden ist. Der Ausgang der Leistungsstufe ist mit der Summiereinheit SUMU3 verbunden, wobei diese Summiereinheit über ein Tiefpassfilter LPF3 mit dem Ausgang O3 des Schaltleistungsverstärkers verbunden ist. In diesem Beispiel wird anstelle eines DSD-Eingangssignals ein PCM-Eingangssignal verwendet. Die Eingangseinheit INU3 umfasst in diesem Beispiel einen Upsampler und einen Noise-Shaper (Rauschformer), um der Mehrphasen-Treibereinheit MPDU3 k Signale zuzuführen.
4 zeigt ein anderes Beispiel eines Schaltleistungsverstärkers SPA4, der als ein Analogverstärker ausgeführt ist. In diesem Beispiel empfängt der Eingang I4 ein analoges Eingangssignal, wobei dieser Eingang mit der Eingangseinheit INU4 verbunden ist. In diesem Beispiel umfasst die Eingangseinheit einen Subtrahierer SUB4 zum Subtrahieren eines Steuersignals cs4 von dem Eingangssignal. Es ist möglich, ein zweites Steuersignal CS42 von zum Beispiel dem Ausgang O4 zu addieren. Der Ausgang des Subtrahierers ist über eine Filtereinheit FU4 und eine A/D-Wandlereinheit ADC4 mit der Mehrpha sen-Treibereinheit MPDU4 verbunden. Der Ausgang der Mehrphasen-Treibereinheit ist auch in diesem Beispiel mit der Leistungsstufe PS4 verbunden. Der Ausgang der Leistungsstufe ist mit der Summiereinheit SUMU4 verbunden. Der Ausgang der Summiereinheit ist über ein Tiefpassfilter LPF4 mit dem Ausgang des Schaltleistungsverstärkers verbunden.
In diesem Beispiel empfängt der Schaltleistungsverstärker SPA4 ein analoges Eingangssignal. Wenn die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund steht, und weniger die Fähigkeit, digitales Audio direkt zu verarbeiten, sind die Vorteile eines Mehrphasenbetriebs noch immer wesentlich genug, um eine Anwendung in einer analogen Umgebung zu rechtfertigen. Dies geschieht mittels einer analogen Regelschleife, wie sie in Low-Bit-A/D-Wandlern mit Überabtastung (Oversampling) verwendet wird, wobei ihr Ausgang in den Flash-A/D-Wandler eingespeist wird, der ebenso viele Elemente aufweist wie die Leistungsstufe. Der Ausgang von dem A/D-Wandler kann dann wie oben dargelegt verarbeitet werden.
Der Eingang der Regelschleife ist die Differenz, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang nach der Summiereinheit SUMU4 ermittelt wird. Zusätzliche Rückführsignale können auch an verschiedenen Punkten am Ausgangsfilter abgenommen werden, einschließlich des Ausgangs.
5 zeigt ein Beispiel einer Summiereinheit SUMU5, der eine Art und Weise des Addierens (genau genommen der Mittelbildung) von Signalen mit hoher Genauigkeit aufweist, die darin besteht, den so genannten Autotransformator zu verwenden. Die Genauigkeit der Summierung wird nicht von der Art des Kerns beeinflusst. Die Signale werden über Verstärker A1-A4 den Spulen L1 und L2 zugeführt. Die Spulen L1 und L2 sind mit der Ausgangsspule L3 gekoppelt. Es ist anzumerken, dass eine weitere Verdopplung der Anzahl der Phasen durch Hinzufügen einer Ebene der Summation erfolgen kann. Einer der großen Vorteile dieses Verfahrens ist eine sehr hohe Genauigkeit der Summierung; das Summationsnetzwerk ist von dem Ausgangsfilter getrennt, der Ausgangsstrom bewirkt keine Magnetisierung der Kerne. Der Brummstrom kann klein gemacht werden, und die Größe der Spulen ist unabhängig vom Betrag der zu liefernden Leistung. Ferner können, wenn die Signale auf diese Weise addiert werden, die Toleranzen der Induktoren vernachlässigt werden.
Oben wurde die Erfindung anhand einiger Beispiele beschrieben. Für einen Fachmann sind vielfältige Varianten offensichtlich, die im Schutzbereich der Erfindung enthalten sind, der durch die Patentansprüche definiert ist.
Text in der Zeichnung

DSD in: = DSD ein
PCM Data in: = PCM-Daten ein
Analog in: = Analog ein

Claims

Audio-Schaltleistungsverstärker, welcher umfasst: – eine Eingangseinheit (INU; INU3; INU4) zum Umwandeln eines Audio-Eingangssignals, – mehrere parallele Schaltleistungsstufen (PS; A1, A2) zum Ausgeben mehrerer Ausgangssignale, – eine Treibereinheit (MPDU) zum Ansteuern der mehreren Schaltleistungsstufen (PS) in Reaktion auf ein Ausgangssignal der Eingangseinheit, und – eine Summiereinheit (SUMU5) zum Summieren der mehreren Ausgangssignale der Schaltleistungsstufen (PS; A1, A2), dadurch gekennzeichnet, dass die Summiereinheit (SUMU5) einen Autotransformator (L1) umfasst, welcher aufweist: – einen Kern, – ein Ende, das mit einer ersten von den mehreren parallelen Schaltleistungsstufen (A1) verbunden ist, – ein anderes Ende, das mit einer zweiten von den mehreren parallelen Schaltleistungsstufen (A2) verbunden ist, und – einen Mittelabgriff zum Liefern eines Ausgangsstroms, der keine Magnetisierung des Kerns des Autotransformators (L1) bewirkt.
Audio-Schaltleistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summiereinheit umfasst: – einen weiteren Autotransformators (L2), welcher aufweist: – einen weiteren Kern, – ein Ende, das mit einer dritten von den mehreren parallelen Schaltleistungsstufen (A3) verbunden ist, – ein anderes Ende, das mit einer vierten von den mehreren parallelen Schaltleistungsstufen (A4) verbunden ist, und – einen Mittelabgriff zum Liefern eines weiteren Ausgangsstroms, der keine Magnetisierung des weiteren Kerns bewirkt, und – noch einen weiteren Autotransformators (L3), welcher aufweist: – noch einen weiteren Kern, – ein Ende, das mit dem Mittelabgriff des ersten erwähnten Autotransformators (L1) verbunden ist, – ein anderes Ende, das mit dem Mittelabgriff des weiteren Autotransformators (L2) verbunden ist, und – einen Mittelabgriff zum Liefern noch eines weiteren Ausgangsstroms, der keine Magnetisierung des noch weiteren Kerns bewirkt.
Audio-Schaltleistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (DR) eine Mehrphasen-Treibereinheit ist.
Audio-Schaltleistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren parallelen Schaltleistungsstufen (PS; A1, A2) eine N-phasige Leistungsstufe sind.
Audio-Schaltleistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangseinheit (INU3) einen Upsampler und einen Noise-Shaper umfasst und das Eingangssignal ein PCM-Signal ist.
Audio-Schaltleistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangseinheit (INU4) eine Filtereinheit (FU4) und einen A/D-Wandler (ADC4) umfasst und das Eingangssignal ein analoges Signal ist.
Verfahren zum Ansteuern eines Audio-Schaltleistungsverstärkers, der mehrere parallele Schaltleistungsstufen (PS; A1, A2) zum Ausgeben mehrerer Ausgangssignale umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Umwandeln (INU; INU3; INU4) eines Audio-Eingangssignals, – Ansteuern (MPDU) der mehreren Schaltleistungsstufen (PS) in Reaktion auf ein Ausgangssignal der Eingangseinheit, und – Summieren (SUMU5) der mehreren Ausgangssignale der Schaltleistungsstufen (PS; A1, A2), dadurch gekennzeichnet, dass für den Schritt des Summierens (SUMU5) ein Autotransformator (L1) verwendet wird, welcher aufweist: – einen Kern, – ein Ende, das mit einer ersten von den mehreren parallelen Schaltleistungsstufen (A1) verbunden ist, – ein anderes Ende, das mit einer zweiten von den mehreren parallelen Schaltleistungsstufen (A2) verbunden ist, und – einen Mittelabgriff zum Liefern eines Ausgangsstroms, der keine Magnetisierung des Kerns des Autotransformators (L1) bewirkt.