TW202228385A

TW202228385A - 單級升壓d類放大器

Info

Publication number: TW202228385A
Application number: TW110100190A
Authority: TW
Inventors: 許哲瑋; 余文隆; 施登耀
Original assignee: 晶豪科技股份有限公司
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-07-16
Also published as: TWI744164B

Abstract

升壓D類放大器包括脈寬調變器，耦接至脈寬調變器的升壓控制器，耦接至脈寬調變器和升壓控制器的驅動器，系統電壓源，耦接至系統電壓源的電感，第一開關，第二開關，第三開關，第四開關，耦接至第三開關和接地端之間的第一二極管，耦接至第四開關和接地端之間的第二二極管，以及耦接至第一開關和第四開關之間的電容。脈寬調變器用以接收輸入訊號並據以產生第一調變訊號。升壓控制器用於接收第一調變訊號並據以產生第二調變訊號。驅動器用以接收第一調變訊號和第二調變訊號並據以產生控制訊號。

Description

單級升壓D類放大器

本發明係關於一種D類放大器，尤指一種結合了升壓轉換器的功能以通過單級結構來增加輸出電壓並提高電功率轉換效率的D類放大器。

手機與可攜式裝置的音訊電路須具備低功率、小尺寸和低散熱需求等關鍵特性。然而，音訊放大器通常是效率不佳的發熱體，需要配備較佔空間的散熱片。為了縮小尺寸和降低功率需求，D類或數位放大器提供良好的解決方案。放大器基於特定的操作特性而被分類。D類放大器，使用電晶體的切換模式以控制電力傳送。D類放大器較佳的用於各應用中，因為閘極訊號的全「開」及全「關」特性使電路的驅動部分的電力保持高效率。因高效率及低熱散失特性，D類放大器常用做低頻放大器。D類放大器之於音訊播放的優點，正如切換式電源供應器為電源帶來的優點。藉由D類放大器，音訊輸入會編碼為脈寬調變 (PWM) 訊號，可驅動電源裝置進行開關切換，且僅在切換時耗散功率。這些「數位」放大器可大幅提升音訊放大器的能效，從而降低散熱需求並縮小實體尺寸。此外，近期的技術進展亦改變調變機制，因此輸出端不再需要低通濾波器，可進一步縮小尺寸和降低複雜度。

升壓變換器是可以提升電壓的直流-直流(DC-DC)轉換器，其輸出（負載）電壓會比輸入（電源）電壓要高。升壓變換器至少有二個半導體元件（一個二極體及一個電晶體）及至少一個儲能元件（電感）的開關電源。為了降低電壓漣波，會在輸入端及輸出端加裝使用電容及/或電感的濾波器。

先前技術的一個缺點為：以一個單獨的升壓轉換器來產生高電壓以驅動D類放大器會造成很大的功率損耗。因此本發明提出了一種將升壓轉換器級和D類放大器合併於單級中的新驅動器架構，以提高電功率轉換效率。

實施例提供一種升壓D類放大器。升壓D類放大器包括脈寬調變器，升壓控制器，驅動器，系統電壓源，電感，第一開關，第二開關，第三開關，第四開關，第一二極體，第二二極體，及電容。脈寬調變器用於接收輸入訊號並據以產生第一調變訊號。升壓控制器耦接至脈寬調變器並且用於接收第一調變訊號並據以產生第二調變訊號。驅動器耦接至脈寬調變器及升壓控制器，並且用於接收第一調變訊號和第二調變訊號並據以產生第一控制訊號、第二控制訊號、第三控制訊號和第四控制訊號。系統電壓源用以提供系統電壓。第一二極體耦接於第三開關與接地端之間，第二二極體耦接於第四開關和接地端之間，電容耦接於第一開關和第四開關之間。第一開關包括耦接至電感的第一端，第二端以及耦接至驅動器的控制端，用以接收第一控制訊號。第二開關包括耦接至電感的第一端，第二端和耦接至驅動器的控制端，用以接收第二控制訊號。第三開關包括耦接至第一開關的第二端的第一端，第二端以及耦接至驅動器的控制端，用以接收第三控制訊號。第四開關包括耦接至第二開關的第二端的第一端，第二端以及耦接至驅動器的控制端，用以接收第四控制訊號。

實施例另提供一種升壓D類放大器。升壓D類放大器包括脈寬調變器，升壓控制器，驅動器，系統電壓源，電感，第一開關，第二開關，第三開關，第四開關，第一二極體，第二二極體，電容，及反饋電路。脈寬調變器用於接收輸入訊號並據以產生第一調變訊號。升壓控制器耦接至脈寬調變器並且用於接收第一調變訊號並據以產生第二調變訊號。驅動器耦接至脈寬調變器及升壓控制器，並且用於接收第一調變訊號和第二調變訊號並據以產生第一控制訊號、第二控制訊號、第三控制訊號和第四控制訊號。系統電壓源用以提供系統電壓。第一二極體耦接於第三開關與接地端之間，第二二極體耦接於第四開關和接地端之間，電容耦接於第一開關和第四開關之間。第一開關包括耦接至電感的第一端，第二端以及耦接至驅動器的控制端，用以接收第一控制訊號。第二開關包括耦接至電感的第一端，第二端和耦接至驅動器的控制端，用以接收第二控制訊號。第三開關包括耦接至第一開關的第二端的第一端，第二端以及耦接至驅動器的控制端，用以接收第三控制訊號。第四開關包括耦接至第二開關的第二端的第一端，第二端以及耦接至驅動器的控制端，用以接收第四控制訊號。反饋電路耦接電容的兩端、升壓控制器和脈寬調變器，用以穩定第一調變訊號及第二調變訊號。

第1圖為實施例中升壓D類放大器100的示意圖。升壓D類放大器100包括脈寬調變器110，升壓控制器120耦接到脈寬調變器110，驅動器130耦接到脈寬調變器110及升壓控制器120，系統電壓源140，電感L耦接於系統電壓源140，第一開關S1，第二開關S2，第三開關S3，第四開關S4，第一二極體D1耦接於第三開關S3與接地端GND之間，第二二極體D2耦接於第四開關S4和接地端GND之間，及電容Co耦接於第一開關S1和第四開關S4之間。

脈寬調變器110用於接收輸入訊號IN並產生第一調變訊號。升壓控制器120用於接收第一調變訊號並據以產生第二調變訊號。驅動器130用於接收第一調變訊號和第二調變訊號並據以產生第一控制訊號SS1、第二控制訊號SS2、第三控制訊號SS3和第四控制訊號SS4。系統電壓源140用以提供系統電壓PVDD。

第一開關S1包括耦接至電感L的第一端，第二端以及耦接至驅動器130的控制端，用以接收第一控制訊號SS1。第二開關S2包括耦接至電感L的第一端，第二端和耦接至驅動器130的控制端，用以接收第二控制訊號SS2。第三開關S3包括耦接至第一開關S1的第二端的第一端，第二端以及耦接至驅動器130的控制端，用以接收第三控制訊號SS3。第四開關S4包括耦接至第二開關S2的第二端的第一端，第二端以及耦接至驅動器130的控制端，用以接收第四控制訊號SS4。

揚聲器SPK作為負載，耦接於第一開關S1的第二端和第四開關S4的第一端之間。電容Co和電感L形成用於降低電壓漣波的濾波器。第一二極體D1和第二二極體D2用以阻止反向電流損壞電路。

第2圖為第1圖中開關控制訊號的示意圖。如第2圖所示，控制訊號SS1是控制第一開關S1且頻率為300kHz的方波訊號。與控制訊號SS1互補的控制訊號SS2是控制第二開關S2的方波訊號。控制訊號SS3是控制第三開關S3且頻率為2MHz之脈寬調變訊號與方波訊號的混合訊號。控制訊號SS4是控制第四開關S4的頻率為2MHz之脈寬調變訊號與方波訊號的混合訊號。當第一控制訊號SS1具有高電壓時，第三控制訊號SS3具有高頻脈寬調變訊號，而第四控制SS4訊號具有高電壓。當第一控制訊號SS1具有低電壓時，第三控制SS3訊號具有高電壓，並且第四控制SS4訊號具有高頻脈寬調變訊號。

第3圖是升壓D類放大器100在時刻t0至時刻t1之間的工作電流的示意圖。在時刻t0至時刻t1之間，控制訊號SS1具有高電壓，控制訊號SS2具有低電壓，SS4具有高電壓，並且控制訊號SS3具有脈寬調變訊號，可使第三開關S3以2MHz的頻率切換。當第三開關S3截止時，電流I1可以從系統電壓源140通過電感L，第一開關S1，電容Co和揚聲器SPK，第四開關S4，第二二極管D2，最後至接地端GND。當第三開關S3導通時，另一電流I2可以從系統電壓源140經過電感L，第一開關S1，第三開關S3，第一二極管D1流至接地端GND。在此期間，電感L將通過產生磁場來充電。然後，當第三開關S3截止時，先前產生的磁場會朝著揚聲器SPK釋放電流I1。

第4圖是升壓D類放大器100在時刻t1至時刻t2之間的工作電流的示意圖。在時間t1到時間t2之間，控制訊號SS1具有低電壓，控制訊號SS2具有高電壓，SS3具有高電壓，並且控制訊號SS4具有脈寬調變訊號，可使第三開關S4以2MHz的頻率切換。當第四開關S4截止時，電流I1可從系統電壓源140通過電感L，第二開關S2，電容Co和揚聲器SPK，第三開關S3，第一二極管D1，最後至接地端GND。當第四開關S4導通時，另一電流I2可以從系統電壓源140經過電感L，第二開關S2，第四開關S4，第二二極管D2流至接地端GND。在此期間，電感L將通過產生磁場來充電，然後，當第四開關S4截止時，先前產生的磁場會朝著揚聲器SPK釋放到電流I1。

電路的升壓功能可以下列方程式表示：

在方程式中，Vo表示輸出電壓，PVDD表示系統電壓。k代表升壓轉換器的升壓比。d代表高頻脈寬調變訊號的佔空比。因此如上所述，第三開關S3和第四開關S4的高頻切換可以提高輸出訊號SPKS的電壓。

第5圖為高頻脈寬調變訊號的佔空比為99％的升壓D類放大器100的輸入訊號和輸出訊號示意圖。在實施例中，輸入訊號IN是振幅為1V的正弦波。在揚聲器SPK處可測量到輸出訊號SPKS。如第5圖所示，當高頻脈寬調變訊號的佔空比為99％時，輸入訊號IN和輸出訊號SPKS幾乎可以彼此重疊。這表明升壓D類放大器100的電路架構可以至少使諧波失真最小化。

第6圖為高頻脈寬調變訊號的佔空比為40％的升壓D類放大器100的輸入訊號和輸出訊號示意圖。在實施例中，輸入訊號IN是振幅為1V的正弦波。在揚聲器SPK處可測量到輸出訊號SPKS。如第6圖所示，當高頻脈寬調變訊號的佔空比為40％時，輸出訊號SPKS可以放大到3V。這表明升壓D類放大器100的電路架構能夠根據高頻脈寬調變訊號的佔空比來放大輸入訊號IN。因此，實施例以有效的方式組合了D類放大器和升壓轉換器，並保持訊號的完整性。

第7圖為高頻脈寬調變訊號的佔空比為10％的升壓D類放大器100的輸入訊號和輸出訊號示意圖。在實施例中，輸入訊號IN是振幅為1V的正弦波。在揚聲器SPK處可測量到輸出訊號SPKS。如第7圖所示，當高頻脈寬調變訊號的佔空比為10％時，輸出訊號SPKS可以放大到3.6V。這表明升壓D類放大器100的電路架構能夠根據高頻脈寬調變訊號的佔空比來放大輸入訊號IN。佔空比的降低可增加功率提升的倍數。因此，實施例以有效的方式組合了D類放大器和升壓轉換器，並保持訊號的完整性。

第8圖為另一實施例中升壓D類放大器200的示意圖。升壓D類放大器200包括脈寬調變器110，升壓控制器120耦接到脈寬調變器110，驅動器130耦接到脈寬調變器110及升壓控制器120，系統電壓源140，電感L耦接到系統電壓源140，第一開關S1，第二開關S2，第三開關S3，第四開關S4，第一二極體D1耦接於第三開關S3與接地端GND之間，第二二極體D2耦接於第四開關S4和接地端GND之間，及電容Co耦接於第一開關S1和第四開關S4之間。

升壓D類放大器100與升壓D類放大器200之間的區別在於，升壓D類放大器200另包括反饋電路150。反饋電路150耦接至電容Co兩端，升壓控制器120和脈寬調變器110。反饋電路150將輸出訊號SPKS的一部分返回輸入至升壓控制器120和脈寬調變器110，藉以穩定第一調變訊號和第二調變訊號。反饋電路150通過將輸出訊號SPKS與輸入訊號IN進行比較來形成反饋誤差訊號，並且可以利用反饋誤差訊號來控制訊號失真。反饋電路150可在一定頻率範圍更均勻放大訊號，並降低訊號增益對分量變化敏感度。

因此，本發明實施例的升壓D類放大器以有效的方式將D類放大器和升壓轉換器在單級結構中組合，保持訊號完整性，並且無需單獨的升壓轉換器來驅動D類放大器。實施例中的升壓D類放大器可以提高功率轉換效率並且輸出具有低總諧波失真的高質量訊號。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100, 200:D類放大器 110:脈寬調變器 120:升壓控制器 130:驅動器 140:系統電壓源 150:反饋電路 L:電感 S1~S4:開關 D1, D2:二極體 GND:接地端 Co:電容 SPK:揚聲器 SS1~SS4:控制訊號 IN:輸入訊號 SPKS:輸出訊號 I1, I2:電流 PVDD:系統電壓

第1圖為實施例中升壓D類放大器的示意圖。第2圖為第1圖中開關控制訊號的示意圖。第3圖為升壓D類放大器工作電流的示意圖。第4圖為升壓D類放大器工作電流的另一示意圖。第5圖為高頻脈寬調變訊號的佔空比為99％的升壓D類放大器的輸入訊號和輸出訊號示意圖。第6圖為高頻脈寬調變訊號的佔空比為40％的升壓D類放大器的輸入訊號和輸出訊號示意圖。第7圖為高頻脈寬調變訊號的佔空比為10％的升壓D類放大器的輸入訊號和輸出訊號示意圖。第8圖為另一實施例中升壓D類放大器的示意圖。

100:D類放大器

110:脈寬調變器

120:升壓控制器

130:驅動器

140:系統電壓源

L:電感

S1~S4:開關

D1,D2:二極體

GND:接地端

Co:電容

SPK:揚聲器

SS1~SS4:控制訊號

IN:輸入訊號

SPKS:輸出訊號

PVDD:系統電壓

Claims

一種升壓D類放大器，包括：一脈寬調變器（pulse-width modulation, PWM），用以接收一輸入訊號並據以產生一第一調變訊號；一升壓控制器，耦接於該脈寬調變器，用以接收該第一調變訊號並據以產生一第二調變訊號；一驅動器，耦接至該脈寬調變器和該升壓控制器，用以接收該第一調變訊號和該第二調變訊號，並據以產生一第一控制訊號，一第二控制訊號，一第三控制訊號和一第四控制訊號；一系統電壓源，用以提供一系統電壓；一電感，耦接至該系統電壓源；一第一開關，包括：一第一端，耦接至該電感；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用於接收該第一控制訊號；一第二開關，包括：第一端，耦接至該電感；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用以接收該第二控制訊號；一第三開關，包括：一第一端，耦接至該第一開關的該第二端；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用以接收該第三控制訊號；一第四開關，包括：一第一端，耦接該第二開關的該第二端；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用以接收該第四控制訊號；一第一二極體，耦接於該第三開關的該第二端與一接地端之間；一第二二極體，耦接於該第四開關的該第二端與該接地端之間；及一電容，耦接於該第一開關的該第二端和該第四開關的該第一端之間。
如請求項1所述的升壓D類放大器，另包括一揚聲器，耦接於該第一開關的該第二端與該第四開關的該第一端之間。
如請求項1所述的升壓D類放大器，其中該第一開關，該第二開關，該第三開關和該第四開關是雙極接面電晶體。
如請求項1所述的升壓D類放大器，其中該第一開關，該第二開關，該第三開關和該第四開關是金氧半場效電晶體。
如請求項1所述的升壓D類放大器，其中該第一控制訊號和該第二控制訊號係為互補。
如請求項5所述的升壓D類放大器，其中當該第一控制訊號具有高電壓時，該第二控制訊號具有低電壓，該第三控制訊號具有高頻脈寬調變訊號，並且該第四控制訊號具有高電壓。
如請求項5所述的升壓D類放大器，其中當該第一控制訊號具有低電壓時，該第二控制訊號具有高電壓，該第四控制訊號具有高頻脈寬調變訊號，並且該第三控制訊號具有高電壓。
一種升壓D類放大器，包括：一脈寬調變器（pulse-width modulation, PWM），用以接收一輸入訊號並據以產生一第一調變訊號；一升壓控制器，耦接於該脈寬調變器，用以接收該第一調變訊號並據以產生一第二調變訊號；一驅動器，耦接至該脈寬調變器和該升壓控制器，用以接收該第一調變訊號和該第二調變訊號，並據以產生一第一控制訊號，一第二控制訊號，一第三控制訊號和一第四控制訊號；一系統電壓源，用以提供一系統電壓；一電感，耦接至該系統電壓源；一第一開關，包括：一第一端，耦接至該電感；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用於接收該第一控制訊號；一第二開關，包括：第一端，耦接至該電感；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用以接收該第二控制訊號；一第三開關，包括：一第一端，耦接至該第一開關的該第二端；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用以接收該第三控制訊號；一第四開關，包括：一第一端，耦接該第二開關的該第二端；一第二端；及一控制端，耦接至該驅動器，用以接收該第四控制訊號；一第一二極體，耦接於該第三開關的該第二端與一接地端之間；一第二二極體，耦接於該第四開關的該第二端與該接地端之間；一電容，耦接於該第一開關的該第二端和該第四開關的該第一端之間；及一反饋電路，耦接至該電容的兩端，該升壓控制器和該脈寬調變器，並用以穩定該第一調變訊號及該第二調變訊號。
如請求項8所述的升壓D類放大器，另包括一揚聲器，耦接於該第一開關的該第二端與該第四開關的該第一端之間。
如請求項8所述的升壓D類放大器，其中該第一開關，該第二開關，該第三開關和該第四開關是雙極接面電晶體。
如請求項8所述的升壓D類放大器，其中該第一開關，該第二開關，該第三開關和該第四開關是金氧半場效電晶體。
如請求項8所述的升壓D類放大器，其中該第一控制訊號和該第二控制訊號係為互補。
如請求項12所述的升壓D類放大器，其中當該第一控制訊號具有高電壓時，該第二控制訊號具有低電壓，該第三控制訊號具有高頻脈寬調變訊號，並且該第四控制訊號具有高電壓。
如請求項12所述的升壓D類放大器，其中當該第一控制訊號具有低電壓時，該第二控制訊號具有高電壓，該第四控制訊號具有高頻脈寬調變訊號，並且該第三控制訊號具有高電壓。