JP5313697B2 - 自励発振増幅システム - Google Patents
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Description
PWMは、基本的には、入力及び電源変数の間の掛け算/混合である。これは、ゼロ電源除去に相当する。
スイッチング電力段は、電力MosFETが渦流を有し、差動オフ/オン遅延により駆動する必要があるので、多くの原因から歪を引き起こす。
出力フィルタは、非線形であり、周波数依存出力インピーダンスの有意な増加に寄与し、これは、スピーカ負荷の理想電圧制御に対する要望に逆行する。
EMI。電力段、受動フィルタ、及び接続ケーブル(濾波されているが)は、EMIを発生する。完全な復調は、可能ではなく、接続ケーブル上に残差を残す。
「ロバスト安定性及び卓越」可聴周波数性能を達成することは、現実の世界、及び負荷摂動、入力刺激、及び電源範囲に対するベンチテストパラメータ空間を考慮すると複雑である。
パルス変調は、古典的な搬送波ベースのPWM又はPDM変調を用いて又は自励発振方法を利用することにより実施することができる。搬送波ベースのPWMスイッチング電力増幅器の全体的な欠点は、本発明者の博士論文「エネルギ効率のよい電力変換を有する可聴周波電力増幅器技術」において広く対処されている。古典的PWMスイッチング電力増幅器の欠点を打破するために、制御型発振変調器(COM)、実質的にはフィードバック発振変調器が、国際特許出願WO98/19391に紹介されている。強化カスケードフィードバック方法との組合せで、概略を上記に示すD級の一連の欠点は解決された。
従って、本発明の目的は、スイッチングD級増幅器と特に関連がある新しい発振変調器である「ハイブリッドフィードバック制御型発振変調器(HCOM)」を提供することであり、これは、従来技術よりも単純なトポロジーアーキテクチャを有し、電力段、電源の両方に対して共に局所的であり、かつフィルタ関連誤差に対して局所的である強化広帯域誤差補償を提供する。
第2に、本出願人所有の発明WO98/19391と比較して、本発明の目的は、過剰フィードバック微分又は受動RCフィルタ減衰を必要とすることなく、能動的手段によって出力フィルタの高い安定性及び無条件の安定性制御をもたらす改良型変調器及び制御システムを提供することである。本発明の目的は、フィルタ伝達関数、及び従ってシステム伝達関数からのフィルタ及び負荷依存性を除去することである。
第3に、本発明の目的は、従来技術の効率、安定性、及び性能上の妥協なしに強化された復調を可能にし、従って、全体的なEMIを改善することである。
このシステムは、「ハイブリッドフィードバック制御型発振変調器(HCOM)」アーキテクチャと呼ばれる。
更に別の実施形態は、より高次の制御システム及び増幅器設計における十分な柔軟性を実施して更に性能を高めるために、増幅器出力からの第3のフィードバックループの追加及びこれを第2の前置増幅器段に給送することによる更なる性能改善に関する。
更に別の発明は、適応フィードバック制御が一般的な自励発振スイッチング増幅システムに適用され、それによって性能を作動モード及び負荷状況に基づいて最適化することができる点で特別である。
図面を参照して本発明を更に以下に説明する。
ここで、Kp(s)は、パルス変調及びスイッチング電力段の平均利得であり、パルス変調器の不可避な伝播遅延により周波数依存である。この従来技術の方法では、発振は、位相クロスオーバー周波数f0を制御することにより制御される。
次式は、制御ループ特性の解析及び比較を容易にするために定められる。
ループ伝達関数勾配:
目標周波数帯域内で:
ループ伝達関数内のここでは4つの装置を通じて位相クロスオーバ周波数foを制御することにより、発振が達成される。また、1次ループ補償器B(s)に基づく例示的ループ伝達関数L(s)は、付加インピーダンスに対して図2b(振幅)及び図2c(位相)中に示されている。
更に別の欠点は、感度フィードバック経路内のノイズピックアップ及び潜在的に歪を引き起こすフィードバック微分であり、これが合算点に給送される。フィードバックノイズは、抑止されず、演算増幅器及び比較器から成る順方向経路処理ブロックは、このような高周波数ノイズに感度が高く、折り返し効果を引き起こし、望まれない変調器歪アーチファクトを導入する。フィードバック信号を清浄に保つことが望ましい。
全体として、従来技術の有する上記限界及び制限を克服することが望まれ、これが本発明の主要な目的である。
以下にある一定の好ましい実施形態によって本発明を説明して例示する。
図3は、本発明の第1の好ましい実施形態である汎用「ハイブリッド制御型発振変調器HCOM」を示している。
中心パルス変調器及びスイッチング電力段は、同等の変調器及び電力段平均利得Kp、並びに比較器、駆動及び電力段の総伝播遅延tpdから成る伝達関数Kp(s)を有するシステム利得ブロック11に単純化されている。
比較器は、例えば、シュミットトリガを使った非ヒステリシス型又はヒステリシス型とすることができることに注意されたい。本発明の目的は、以下に紹介する状態フィードバックアーキテクチャに関し、これは、得られる実施が上記に定めたように等価平均利得及び遅延を表現できる限り、一連のパルス変調方法に適用することができる。
続いて、2つのフィードバック信号は、加算器で重ね合わされて、共通状態フィードバック信号vfを形成する。この第1の好ましい実施形態では、このフィードバック信号は、減算器16で入力から減算され、誤差信号veを発生し、この信号は、必要に応じて、伝達関数B(s)を有する補償器を含む順方向経路17を通じて給送される。得られるループ伝達(関数)L(s)は、図3から導出される。
HCOMシステム伝達関数は、図3から生成される。
本発明のこの第1の実施形態の基本的利点は、発振制御が、基本的にフィルタQに反応しない第1のフィードバック経路によって主として制御されることである。従って、安定性は、従来技術のグローバルループ発振変調器以上に改善される。フィルタQ及び負荷への無反応性は、出力フィルタの受動RC減衰の必要性を緩和し、効率性、電力帯域幅を改善し、かつ適用コストを低下させる。
更に別の利点は、フィルタ固有周波数とスイッチング周波数の間の制限がないシステム最適化における大きな柔軟性である。
ループ統合に対する多数の代替の手法を当業者は考案することができる。以下に、特定の利点を有する本発明のある一定の実施形態を説明する。
HCOM具体化の特定的な実施例を図4に示している。第1のフィードバック経路23は、ここでは、復調を提供する低域通過特性を有し、状態フィードバック重み係数βが、第1及び第2の状態フィードバック寄与の相対的重み付けを決める。
フィルタ出力からの第2のフィードバック経路24は、ここでは、フィードバック進み特性を有する。
極及びゼロの周波数は、中心周波数fa及び係数αと以下の式で結び付けられる。
この実施形態における順方向経路27には、強化発振制御周波数特性のための第2の極を有する遅延補償器28が備えられている。
この好ましい実施形態では、出力フィルタは、標準的2次LCフィルタを仮定しているが、本発明は、後述のようにより高次のフィルタアーキテクチャと組み合わせることができる。開放負荷状況における過渡的挙動を制御するために、適度の減衰を適用することが必要である。この状況における主な課題は、出力コンデンサ上の電圧上の共振を防止することである。Zoebelネットワークによる出力フィルタ及び負荷の全体伝達関数は、次式で与えられる。
フィルタ固有周波数及びQ(Zoebelネットワークなし)は、次式で与えられる。
目標周波数帯域内で、
フィードバック経路重み付けがβ=1に等しい場合、次式を得る。
目標周波数帯域内で、
目標周波数帯域内では、
及び
従って、システム伝達関数利得は、古典的フィードバック理論に従う第2のフィードバック経路によって専ら制御され、誤差訂正及び第2のフィードバック経路ループ利得寄与を安定させる周波数応答は1であり、かつ段フィードバック重み係数βにより制御される。
この好ましい実施形態では、β<<1の場合、フィルタ伝達関数は、システム伝達関数から実質的に打ち消される。
本発明の上記実施形態は、シングルエンド及びBTL出力段構成の両方で達成することができる。特に有利な実施では、HCOM状態フィードバック経路が、簡単な受動R、C手段により、いかなる能動装置なしに実施することができるシングルエンド出力段を有する。
特別に簡単な変形は、例えば、第2のフィードバック進み係数を除去すること、すなわち、A2(s)=KAにより可能である。別の単純化は、第1のA1(s)フィードバック極の除去、すなわち、A1(s)=βKAに関係する。両代替形は、本発明のこの第2の好ましい実施形態の例示的実施例である。
本発明の更に別の好ましい実施形態は、特に、1の伝達関数を有する順方向経路17を有する更に別の単純化を提供することにある。考えられる具現化形態を図9に示している。第1のフィードバック経路によって判断される安定した発振を可能にするために、A1(s)は、ここでは以下のように2次であることが好ましい。
本発明のこの特に簡単な実施形態に対するパラメータセットの例は、下表で与えられる。
シングルエンド出力段の具現化において、この第3の好ましい実施形態は、いかなる演算増幅器もなしに達成することができる。従って、HCOMシステムは、非ヒステリシス又は代替的にヒステリシス型発振のいずれかを可能にするために受動形(受動回路)及び比較器のみを必要とする。シリコン集積を考慮した場合、これは、非常に魅力的であり、多くの用途において得られるL(s)特性は、電力段、電源、及び出力フィルタによって導入される誤差を補償するために十分であることになる。本発明の第3の実施形態を表す単純化されたHCOMアーキテクチャは、周波数応答対負荷(4、8、開放負荷)を示す図11に示すように、依然として、基本的に、負荷摂動及び同様に重要なフィルタが導入する歪に対して不変である。
所定の設計手法が主に例示であること、及びパラメータセット(β、α、fα、fpA1、fpA2)を最適化する意味で、上記に説明して例証した本発明のこの第3の実施形態に関する多数の可能な変形があることを重視すべきである。
本発明の第4の実施形態は、フィルタ出力から実施された1つ又はカスケード状のフィードバックループ31の追加を含む。これは、最高性能が求められる場合、すなわち、出力フィルタの実証かつ更に改善された制御を有することに関連する。
このHCOM実施形態は、図13に示され、ここでは、必要に応じて、伝達関数C(s)を含むフィードバックブロック32を有する別のフィードバック経路31、及び伝達関数D(s)を含むループフィルタ34を有する順方向経路33がある。フィードバック伝達関数C(s)は、全システム利得を決める一定の減衰として達成されることが好ましく、かつループフィルタ伝達関数D(s)は、総グローバルループ特性を制御する遅延補償器として実施されることが好ましい。単純化のために、別の具現化形態が図14に示されており、ここでは、第2のフィードバック経路は、カスケード構造として達成されている。
基本的HCOMアーキテクチャの強化のための本明細書に説明した実施例は、主として例示的であり、組合せは、当業者には明らかである。
汎用自励発振増幅器に関連する発明を開示する。増幅器は、一般的に、幅広い入力刺激及び負荷インピーダンスの完全複素平面に対処するように設計される。更に、増幅器は、極端なベンチテスト状況に準拠する必要がある。2つの相当に異なる状態を以下のように定義することができる。
LACは、2つの異なる状態、及び関連したループ伝達関数LS1(s)及びLS(2)を有することが好ましい。明白な長所は、適応フィードバックループが、ここでは概略で示した2つの異なる現実世界の状態を最適化し、従来技術の妥協的設計と対照的に、性能及びロバスト安定性の両方を両状態で高めることができることである。
L1 開放負荷における有効ループ伝達関数
L2 公称負荷両状態における有効ループ伝達関数
Claims (13)
- 入力信号(Vi)を変調してパルス変調信号を形成するためのパルス変調器(11;21)と、
前記パルス変調信号の増幅のためのスイッチング電力増幅段(11;21)と、
前記スイッチング出力信号を復調するための受動フィルタ(12;22)と、
を含む自励発振増幅システムであって、
スイッチング段出力(Vp)から印加される第1のフィードバック(13;23)経路と、
フィルタ出力(Vo)から印加される第2のフィードバック(14;24)経路と、
前記2つのフィードバック経路からの信号を入力信号(Vi)から差し引くことによって誤差信号(Ve)を形成するための手段と、
前記信号形成手段をパルス変調器に接続し、それによって閉ループを形成する順方向経路(17;27)と、
を含み、
前記第1及び第2のフィードバック経路と前記順方向経路は、前記閉ループの自励発振条件を保証するような伝達関数(A1(s)、A2(s)、B(s))を有し、
第1のフィードバック、第2のフィードバック、順方向経路フィルタB(s)、及び伝播遅延の総位相遅延が180度である発振周波数で、自励発振が発生し、前記第2のフィードバック経路(24)の伝達関数(A2(s))が進み補償器を有することを特徴とする自励発振増幅システム。 - 前記第1のフィードバック経路13のDCフィードバック利得KA1、及び第2のフィードバック経路14のものKA2は、重み係数βにより重み付けされ、すなわち、KA1=βKA2であることを特徴とする請求項1に記載の自励発振増幅システム。
- 前記第2のフィードバック経路からのループ利得及び帯域幅を高め、それによってフィルタ関連の歪と伝達関数フィルタQ感受性とを低減するためにβ<<1であることを特徴とする請求項2に記載の自励発振増幅システム。
- 前記第1のフィードバック経路は、低域通過又は積分特性を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自励発振増幅システム。
- 前記第1のフィードバック経路は、低域通過特性を有し、前記第2のフィードバック経路は、位相進み特性を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の自励発振増幅システム。
- 可聴周波帯域内のシステムループ利得帯域幅を高め、かつ良好な状態の変調信号を可能にするために、順方向経路補償ブロックが遅延特性を有することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の自励発振増幅システム。
- 前記順方向経路は、伝達関数B(s)を有する補償ブロックを含むことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の自励発振増幅システム。
- パルス変調が、非ヒステリシス比較器を利用することによって可能にされることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の自励発振増幅システム。
- 前記受動フィルタ(12、22)のフィルタ固有周波数fn、及び前記受動フィルタ(12、22)のQ値であって、fn/Δf(Δfは半値幅)の値を有するフィルタQを利用して、fb<fn<2fbを選択し、ここでfbは目標周波数帯域幅の最大周波数値であり、且つ公称負荷において共振フィルタQ>=1を実施することによって、目標周波数帯幅の最大周波数値fbにおいて100%を超える過変調指数を可能にするようにして、第2のフィードバック経路からの全体ループ利得帯域幅寄与を強化することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の自励発振増幅システム。
- 付加的なループ補償が、別のフィードバック経路C(s)を通じて前記フィルタ出力からの第3のフィードバックによって適用され、前記フィードバック信号は、入力ノードから差し引かれて付加的な前置増幅器段D(S)に給送され、補償された入力信号を形成することを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の自励発振増幅システム。
- フィードバック経路ブロックC(s)が、前記第2のフィードバック経路A2(s)と同一であることを特徴とする請求項10に記載の自励発振増幅システム。
- 前記順方向経路に、フィルタブロックを含む適応手段が更に備えられ、前記フィルタブロックは、前記入力信号及び負荷特性に基づいて2つの異なるフィルタ関数間で切り換え可能なように配置されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項記載の自励発振増幅システム。
- 前記状態切り換えは、前記順方向経路フィルタブロックの出力電圧によって判断されることを特徴とする請求項12に記載の自励発振増幅システム。
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