TW200409452A - Isolated converter with synchronized switching leg - Google Patents

Description

200409452 (Ο 玖、發明議明 (發明說明應敘明.發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明關於一包含交換模式功率供應部分及交換模式放 大器部分。 先前技術 目前大多數放大器構型由ΑΒ級放大器組成，其由一線性 (銅鐵基）電源供應’該電源供應尚提供與主電源隔離。此 構型之缺點為重量大’大尺寸及效率低。由於效率，備份 電源及迷你需求之限制’此型裝置已日益成為瓶頸。曾有 許多嘗試以改進此裝置之效率。改進線性電源供應效率之 主要嘗試在以交換模式電源供應取代，或置換ΑΒ級放大器 而以D級（=交換模式）放大器取代之。該解決方案曾揭示於 DE 34 47 566及ΕΡ 0 561 501專利中。但交換模式電源供應及 D級放大务均需要價昂之組件，如開關，磁元件，能量儲存 元件’控制單元等。準此，由於成本需求，此解決方案在 消費電子市場尚未成功。 D級放大器拓譜利用脈波寬調變計劃。d級作業係交換， 因此D級放大器亦稱交換功率放大器。此型放大器中，輸出 迅速交換為開與關，每一取樣週期較佳為二次。以此方式， 消耗功率實質上可消除。 交換模式轉換器一詞在此技藝中傳統說明一接納DC或 AC之電路而提供同極性及較低或較高之多DC或AC輸出。 因此有一需求’即一包含D級放大器之及一 SMPS之裝置， 其價廉及更有效率，因此可減低習知技藝所遭遇之問題。 (2)200409452 發明課明續頁.: 發明内容 因此發明之目的為提供一放大器裝置，其包含交換模式 電源供應部份及一交換模式放大器部分，該裝置更具效益 及成本較低。 本發明目的係根據本發明之如申請專利範圍所限定之裝 置而達成。 本發明關於一放大裝置，其包含一交換模式電源供應部 分及一叉換模式放大器部分，其特徵為裝置包含： 構成裝置之主側及附屬側之磁元件，該初級側輕合至 裝置足電壓輸入’該次級側耦合至裝置之電壓輸出，該磁 兀件可操作交換模式電源供應部分及教換模式放大器部 分；及 至少 或電壓 該放 合，其 此，提 件各自 器由各 因此， 置換目 較佳 體為一 進一 一控制單兀位於時元件之每一側用以控制電流及/ 〇 大承置供一父換模式電源供應及D級放大器之組 中至少某重要及昂貴組件係由不同部分所共用。因 供較效益佳及成本低之裳置，較傳統解決方案中組 獨立為佳。根據本發明磁元件，較佳為—變壓 部分所分享。經由此法’事實上僅需一主要磁元件。 二價廉，小巧，高效率及商業上可生存之取代件可 前之構型。 j ’換^電源供應部分及交換模式放大器部分積 單元，俾可提供一較小之裝置。 步較佳為至少-儲能元件配置在初級側，該錯能元 200409452 (3) 發明辑明績頁 件操作後可供交換模式電源供應部分及交換模式放大器部 分。結果，另一重要組件由裝置之功能元件所共用，因而 使更有效率及較少成本。 較佳為，電源供應及放大功能由一控制單元提供而達到 該功能。結果，一相當簡單而不昂貴之設計變為可能。 最主要是，此舉之達成係利用在初級側之控制單元，其 包含開關為電流雙向及單向電壓，及/或在次級側之控制單 元，其含供單向電流及雙向電壓之用。 變壓器較佳為中央抽頭，即提供中央配置之接地。此舉 可由提供初級側及次級側間之電化隔離而達成。在消費者 電氣產品上特別重要，因其可使用戶端與主電源隔離。 根據本發明之特性，本發明關於包含上述放大器之音頻 產品。 本發明之應用範圍可自以下之詳述得知。應瞭解，本發 明實施例指出之細述及舉例係說明性質，因此各種變化及 修改對精於此技藝者當甚為明顯，而不悖離本發明之精神 與範圍。 實施方式 本發明關於一放大裝置，其中一交換模式電源供應及一 交換模式D級放大器彼此組合在一起。圖1顯示放大器之實 施例之圖解佈局。 該放大裝置包含一構成裝置之主側S 1及附屬側S2之磁元 件，該主側耦合至裝置之電壓輸入，該附屬側耦合至裝置 之電壓輸出。在一較佳實施例中，磁元件為一變壓器，具 200409452 (4) 發明說明績頁 有初級繞組及次級繞組11及12以電感性耦合一起，由其構 成裝置之主要側及附屬侧S 1及S2。 此外，放大裝置包含控制單元2，3位於變壓器之每一側 用以控制電流及/或電壓，較佳為至少一儲能元件4，如電 容器於主要侧。該儲能元件較佳為操作後可供裝置之交換 模式電源供應功能及交換模式放大器功能，及耦合自在初 級側之該控制單元2。儲能元件可能為一 dc電壓緩衝器。主 要側上之控制單元2較佳包含二個交換接腳，最佳構成一全 橋路轉換器，即以恆定交換頻率及50%之工作週操作。該全 橋路轉換器可包含四個相同開關20，如圖1所示，每二各開 關於一接腳。初級側開關較佳為雙向電流及單向電壓之 用。可由場效電晶體，（FET)，較佳為一 MOSFET，此時，與 一而極體22與一 MOSFET 21並聯組合。 實施例顯示，變壓器之初級繞組11配置為初級側控制單 元2之平衡中心，即在交換接腳之間，在次級側，變壓器較 佳包含二繞組12，繞組間之連接接地。以此方式，達成一 中間軸頭之變壓器，提供一電化隔離於輸入緩衝器與負載 側之間。 次級側之控制單元3較佳包含開關30，其為單向電流及雙 向電壓之用。此等開關較佳為以半導體方式實施，如場效 電晶體（FET)，最佳為MOSFET。圖1所示之能之開關實施中， 其中之MOSFETs 31與二極體32成處聯。具有反向阻止電壓 之一絕緣閘雙極電晶體（IGBT)可供此目的之用。 次級側之開關最佳為相同，亦可為以二並聯分支橋路連 200409452

發明巍明績頁、 接安排，每一包含二開關及一互聯33位於每一分支之開關 之間。準此，一實施例中，二開關配置在p-分支，包令二 極體及MOSFET組合Qlp，Dip及Q2p，D2p。同理，n八支包 含二極體及MOSFET組合Qln，Din及Q2n，D2n。該互聯提供 放大裝置之負載輸出。此外，電感34可安排在互連33負載 輸出中心3 5之每一側。該電感功能為低通濾波器。

以上討論之實施例中，負載電流發現為流經遽波哭34之 電流之差，並與互連33之負載輸出位置35之電位v〇成比例。 互聯之每側上地位為vp及vn。此電位可以下式表之· vo= 1/2*(νρ + νη) 圖2顯示開關之時序。為明白之計，假定此圖中為理_之 組件。

該時序說明附屬交換接腳，腳1及2與主要接腳之時序。 在vx之正渡越之後（自負電壓至正電壓），電晶體Qln及 為導電。此外，VX之正脈衝波前應較佳被視為導電延遲之 參考瞬間（式中以*代表），其後，Qlp及Q2n為不導電。反之， vx之負脈衝波前較佳為Qin及Q2P之導電時間。應注意，不 需在vx之脈衝波前之直後立即使電晶體導電，因為具有開 關之串聯一極體將首先被反極性。仔細研究信號可得· vo=(2*dp-l)*(Vl/N) vo=(dp-dn)*(Vl/N) □ vo=(1^2*dn)*(Vl/N) dp+dn=l 其中，dp及dn分別代表Qlp&Q2p及Q2n&Qln之工作週期。 為獲得完全之參考信號如Vref之再生，僅需要Vp_之脈衝 -10 - (6) (6) 積 電 期 及 制 特 遲 級 最 波 使 現 次 換 導 制 香明說明績頁： 虹平均及vn-使其在每週期内等於㈣(或數週期)。例如， :供應位準’ V1降低可由使脈衝變寬予以補償，即每週 内之dp及dn。 ΐ ==大裝置甚易實施以便—包含交換模式電源供應 人 （放大器部分可積體為一單元，次級側亦可# 以便達到電源供應功能及放大功能。 二 *月〈放大裝置特別是如上所述者，可提供數個有用 性： 初級側之每一交換接腳之斷電及隨後導電間之延 =編電壓並無影響…卜，輸出處無開關及初 J ^生又二極體恢復渡越引起之影響。 =而要在次級側插入開關之阻止延遲。結果，放大器中 嚴=之失真源，所謂死區可自轉換器消除。 功能頻率倍增可在負載終端獲得。圖2之情況下，輸出紋 ’、率加倍。此外’步進電壓位準之有效數目增加-位準， 〉慮波承堂見 此一優點特別在利諉個次級交換接腳時出 如上所述。 所有電容性能量儲存緩衝器位於高壓側。 如可為小型製成及不需其他磁儲存元件，但一小刑 級電感器以供低通遽波除外。 土 pa 营、 、σ 已揭示一放大裝置以提供一方法以統合一交 杈式電源供應及一 D級放大器（交換模式放大器）。此舉可 ^ =本上利用一磁元件，一主要儲能元件及開關加以控 後可達到電源供應功能及放大功能。以此方式，— 200409452 ⑺ 發明說明蜻頁 體積小及高度有效之電流構型可以達成。該放大裝置特別 適用於音頻產品。

本發明已以較佳實施例說明如上。但對精於此技藝者可 有許多變化及修改。例如，控制單元可包含上述以外型式 之開關。此外，磁元件僅可由裝置之二部分分享，但亦可 分享一或多個其他元件。此外，其他電路方案亦可使用， 特別是其他可提供相同功能之元件可取代實施例中所提之 元件。 本發明之此種及其他相關修改及變化必須考慮在本發明 申請專利範圍之内。 圖式簡單說明 為簡化之計，本發明以下將以參考實施例作較詳細說 明，各實施例說明於所附圖式中，其中： 圖1為說明本發明一實施例之放大裝置之電路圖；及 圖2為圖1之放大裝置之時序圖。

圖式元件符號說明 1 磁元件 2 控制單元 3 控制單元 4 儲能元件 12 次級繞組 2 1 金氧半導體場效電晶體 22 二極體 30 開關 -12- 200409452 (8) 發明說嗎磺頁 : 32 二極體 33 互聯 34 電感 20 開關 11 初級繞組 3 1 金氧半導體場效電晶體 3 5負載輸出中心

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Claims (1)

1. 200409452 拾、申請專利範圍 1. 一種放大裝置，包含一交換模式電源供應部分及一交換 模式放大器部分，其特徵為包含： 一磁元件（1)構成裝置之初級及次級側（S1，S2)，該初級 侧耦合至裝置之電壓輸入，及該次級側耦合至裝置之電 壓輸出，該磁元件（1)係供操作交換模式電源供應及交換 模式放大器；及 至少一控制單元（20，30)於磁元件之每一側以控制電流 及/或電壓。 2. 如申請專利範圍第1項之放大器裝置，其中該交換模式 電源供應部分及交換模式放大器部分構成一積體單元。 3. 如申請專利範圍第1或2項之放大器裝置，其中該磁元件 係一變壓器（1)，其具有在初級側之初級繞組（11)及次級 側之次級繞組（12)，該繞組電感耦合一起。 4. 如前述申請專利範圍中任何一項之放大器裝置，其進一 步在初級側包含至少一儲能元件（4)，該儲能元件可供 交換模式電源供應部分及交換模式放大器部分之操作。 5. 如前述申請專利範圍中任何一項之放大器裝置，其中該 控制單元（20，30)可以控制以達成電源供應及放大功 能。 6. 如前述申請專利範圍之任何一項之放大裝置，其中至少 一初級側之一控制單元包含開關（20)，其供雙向電流及 單向電壓之用。 7. 如前述申請專利範圍中任何一項之放大器裝置，其中該 初級側之控制單元（2 0)構成一全橋路轉換器，其最好以 200409452 8. 9. 怪定交換頻率操作。 如前述申請專利範圍中任一項之放大 級側之至少一控制單元（30)，其供單 之用。 如前述申請專利範圍中之任一項之放 變壓器係（1)係中央抽頭，即為中央安 一種包含如前述申請專利範圍第1 - 9 : 大器裝置之音頻產品。 申請專利範圍續頁 器裝置，其中該次 向電流及雙向電壓 大器裝置，其中該 排之接地連接。 賓中任何一項之放 10.