TW202335427A - D類放大器驅動電路 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露了一種D類放大器驅動電路，用來根據一隨音源大小動態調整之輸入電壓產生一輸出閘極驅動電壓，該驅動電壓用來驅動D類放大器高壓電晶體。該D類放大器驅動電路包含：參考電壓產生電路，用來根據一第一參考電壓產生一第二參考電壓；箝位電路，用來箝位該輸入電壓；低壓降線性穩壓器前級，用來根據該第二參考電壓產生一中間電壓；以及低壓降線性穩壓器輸出級，用來根據該輸入電壓及該中間電壓產生該驅動電壓。

Description

D類放大器驅動電路
本發明是關於電源升壓電路及D類放大器，尤其是關於處理上橋高壓閘極的驅動電路。
圖1顯示習知放大器系統的功能方塊圖。放大器系統100包含電源管理電路110、升壓電路120、電荷泵（charge pump）130、D類放大器140以及其他電路150。電源管理電路110接收系統電壓VBAT，並且根據系統電壓VBAT供電給整個放大器系統100。升壓電路120透過電感L1接收系統電壓VBAT，並且根據系統電壓VBAT產生動態抬升電壓VBST。升壓電路120之輸出動態抬升電壓VBST的接腳透過電容C1耦接至地，並且透過電容C2耦接電荷泵130的輸出接腳（即，輸出驅動電壓GREG之接腳）。電荷泵130根據動態抬升電壓VBST產生驅動電壓GREG，驅動電壓GREG用來驅動升壓電路120的上橋電晶體（high-side bridge transistor，圖未示）及D類放大器140的上橋電晶體（圖未示），而驅動電壓GREG與動態抬升電壓VBST的電壓差在5伏內。D類放大器140受驅動電壓GREG驅動，並且放大其他電路150所產生之音訊訊號SA來產生音訊輸出OUT。音訊輸出OUT透過喇叭101播放。
然而，因為電荷泵130需在不同的時脈相位（clock phase）之間切換（會有一定的切換損耗電流），且電荷泵130的靜態耗電量大，所以電荷泵130會降低放大器系統100在極小訊號音源的能源使用效率。
鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種D類放大器驅動電路，以改善先前技術的不足。
本發明之一實施例提供一種升壓電路及D類放大器閘極驅動電路，用來根據一動態升壓之輸入電壓產生一驅動電壓，該驅動電壓用來驅動一升壓電路及D類放大器。該D類放大器驅動電路包含：一參考電壓產生電路、一箝位電路、一低壓降線性穩壓器前級以及一低壓降線性穩壓器輸出級。參考電壓產生電路用來根據一第一參考電壓產生一第二參考電壓。箝位電路用來箝位該輸入電壓。低壓降線性穩壓器前級耦接該參考電壓產生電路及該箝位電路，用來根據該第二參考電壓產生一中間電壓。低壓降線性穩壓器輸出級耦接該低壓降線性穩壓器前級，用來根據該輸入電壓及該中間電壓產生該驅動電壓。
本發明之D類放大器驅動電路可動態省電流。相較於先前技術，本發明之D類放大器驅動電路及放大器系統更省電，因此更具競爭力。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本發明之揭露內容包含D類放大器驅動電路。由於本發明D類放大器驅動電路所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。
圖2是本發明發大器系統之一實施例的功能方塊圖。發大器系統300包含電源管理電路110、升壓電路120、D類放大器140、其他電路150及D類放大器驅動電路200。圖2之電源管理電路110、升壓電路120、D類放大器140及其他電路150分別與圖1之電源管理電路110、升壓電路120、D類放大器140、其他電路150具有相同或相似的功能，故不再贅述。D類放大器驅動電路200耦接升壓電路120及D類放大器140，用來根據動態抬升電壓VBST產生閘極驅動電壓VBSTR，並且參考系統電壓VBAT來進行省電控制。換言之，動態抬升電壓VBST可以視為D類放大器驅動電路200的輸入電壓。以下將配合圖3詳述D類放大器驅動電路200的電路。電壓PVDD（即，升壓電路120產生的輸出電壓）為D類放大器140的輸入電壓。
圖3是D類放大器驅動電路200之一實施例的電路圖。D類放大器驅動電路200包含參考電壓產生電路210、箝位電路220、低壓降線性穩壓器（low dropout (LDO) linear regulator）前級230、低壓降線性穩壓器輸出級240以及控制電路250。
參考電壓產生電路210包含誤差放大器（error amplifier (EA)）212、電晶體HN1、電阻R1及電阻R2。誤差放大器212的其中一個輸入端接收參考電壓Vr，誤差放大器212的另一個輸入端耦接或電連接電晶體HN1的源極，且誤差放大器212的輸出端耦接或電連接電晶體HN1的閘極。電阻R2的一端接收動態抬升電壓VBST，而電阻R2的另一端耦接或電連接電晶體HN1的汲極。電阻R1的一端耦接或電連接電晶體HN1的源極，而電阻R1的另一端耦接或電連接接地準位GND。參考電壓產生電路210輸出參考電壓VR2，參考電壓VR2如方程式(1)所示，參考電壓產生電路210的操作細節為本技術領域具有通常知識者所熟知，故不再贅述。
(1)
在一些實施例中，參考電壓Vr是精準（變異量少）的能隙電壓（bandgap voltage），而且因為參考電壓產生電路210不使用電流鏡來產生參考電壓VR2，所以參考電壓VR2與動態抬升電壓VBST之間的差值變異量很小，使得低壓降線性穩壓器輸出級240的電壓VBSTR與動態抬升電壓VBST差值更不易有超壓風險。
箝位電路220接收動態抬升電壓VBST，用來保護低壓降線性穩壓器前級230中的低耐壓元件（包含但不限於電流源234、電晶體LN1及電晶體LN2），避免該些低耐壓元件承受高電壓而損壞。
低壓降線性穩壓器前級230包含箝位電路232、電流源234及四個電晶體（HP1、HP2、LN1及LN2）。電流源234的目的是提供參考電流（例如用來偏壓電晶體HP1及電晶體HP2）。電晶體HP1的閘極耦接或電連接電晶體HN1的汲極（即，電晶體HP1的閘極接收參考電壓VR2），電晶體HP1的源極耦接或電連接箝位電路220，且電晶體HP1的汲極耦接或電連接箝位電路232。電晶體HP2的閘極輸出中間電壓VFB，電晶體HP2的源極耦接或電連接箝位電路220，且電晶體HP2的汲極耦接或電連接箝位電路232。
箝位電路232用來保護電晶體LN1及電晶體LN2，避免該些電晶體承受高電壓而損壞。電晶體LN1的閘極耦接或電連接電晶體LN2的閘極，電晶體LN1的源極耦接或電連接接地準位GND，且電晶體LN1的汲極耦接或電連接箝位電路232。電晶體LN2的閘極耦接或電連接電晶體LN1的閘極，電晶體LN2的源極耦接或電連接接地準位GND，且電晶體LN2的汲極耦接或電連接箝位電路232及電晶體LN2的閘極。
低壓降線性穩壓器輸出級240包含電晶體HN2、電阻RFB1及電阻RFB2。電阻RFB1、電阻RFB2及電晶體HN2串接於動態抬升電壓VBST與接地準位GND之間。更明確地說，電阻RFB1的一端耦接或電連接動態抬升電壓VBST（即，接收動態抬升電壓VBST），電阻RFB1的另一端耦接或電連接電晶體HP2的閘極與電阻RFB2的一端。電阻RFB2的一端耦接或電連接電晶體HP2的閘極，電阻RFB2的另一端耦接或電連接電晶體HN2的汲極。電晶體HN2的閘極耦接或電連接電晶體LN1的汲極，電晶體HN2的汲極輸出驅動電壓VBSTR，且電晶體HN2的源極耦接或電連接接地準位GND。
電晶體HN2的閘極的直流電壓與電晶體LN1的汲極的直流電壓受箝位電路232箝位，而傳遞於電晶體HN2與電晶體LN1之間的交流訊號則不受箝位電路232影響。低壓降線性穩壓器前級230及低壓降線性穩壓器輸出級240之各電晶體的操作細節為本技術領域具有通常知識者所熟知，故不再贅述。
中間電壓VFB實質上等於參考電壓VR2。在一些實施例中，當電阻RFB1的電阻值等於電阻RFB2的電阻值時，驅動電壓VBSTR如方程式(2)所示。
(2)
如方程式(2)所示，驅動電壓VBSTR與動態抬升電壓VBST之間的差值（ ）實質上為定值，也就是說，驅動電壓VBSTR可以快速追蹤動態抬升電壓VBST，達到驅動升壓電路120及D類放大器140上橋P型金氧半場效電晶體（P-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下簡稱PMOS）之功效。
控制電路250透過控制訊號BYPSb耦接或電連接參考電壓產生電路210、低壓降線性穩壓器前級230及低壓降線性穩壓器輸出級240。控制電路250根據系統電壓VBAT及動態抬升電壓VBST產生控制訊號BYPSb。動態抬升電壓VBST某種程度上反應D類放大器140的音訊源播放功率需求；更明確地說，動態抬升電壓VBST與D類放大器140的音訊源播放功率需求大致或實質上成正比。當D類放大器140的音訊源播放功率需求小時，控制電路250透過偵測動態抬升電壓VBST與系統電壓VBAT之間大小關係產生控制訊號BYPSb來關閉參考電壓產生電路210與低壓降線性穩壓器前級230，確保電晶體HN2在VBST-VBSTR電壓差在超壓安全範圍內才完全導通；如此一來，整體D類放大器驅動電路200可以降低耗電量。更明確地說，在系統進入低耗電模式（或稱為旁路模式，即當D類放大器140的音訊源播放功率需求小時，也就是訊號音源極小時）下，控制電路250藉由控制控制訊號BYPSb為低準位（例如0伏）來關閉誤差放大器212、電晶體HN1、電晶體LN1及電晶體LN2（即，控制電晶體HN1、電晶體LN1及電晶體LN2的閘極電壓為0伏），此時反相器260（耦接或電連接於控制電路250與電晶體HN2的閘極之間）所輸出的控制訊號BYPS為高準位（例如5伏），使電晶體HN2完全導通。換言之，在低耗電模式下，參考電壓產生電路210及低壓降線性穩壓器前級230關閉（無能量消耗），而D類放大器驅動電路200中只剩低壓降線性穩壓器輸出級240消耗極少的電流，因而在系統小訊號音源播放時達到整體效率上升目的。
在一些實施例中，在低耗電模式下（即，當電晶體HN2導通時），驅動電壓VBSTR實質上為0伏，而動態抬升電壓VBST則近似或等於系統電壓VBAT；即，動態抬升電壓VBST與驅動電壓VBSTR之間的電壓差約為系統電壓VBAT。換言之，在低耗電模式下，D類放大器驅動電路200維持動態抬升電壓VBST與驅動電壓VBSTR之間的電壓差實質上等於系統電壓VBAT，確保後續升壓電路120及D類放大器140上橋PMOS不會超壓，一樣可以正常運作。
在一些實施例中，若為了避免控制電路250在動態抬升電壓VBST相對高時就控制D類放大器驅動電路200直接進入旁通低耗電模式（這可能會造成後續電路元件因承受過高的電壓而損壞），控制電路250可以偵測動態抬升電壓VBST即時的變化（即，根據動態抬升電壓VBST與系統電壓VBAT之間大小關係產生控制訊號BYPSb）。圖4是控制電路250之一實施例的功能方塊圖。控制電路250包含比較器252及邏輯電路254。比較器252比較電壓Vref1及電壓Vref2來產生比較結果CPR，而邏輯電路254根據比較結果CPR產生控制訊號BYPSb。
在一些實施例中，電壓Vref1可以是系統電壓VBAT或是從系統電壓VBAT所衍生出的電壓（例如分壓），而電壓Vref2可以是動態抬升電壓VBST或是從動態抬升電壓VBST所衍生出的電壓。因此，當控制電路250偵測到動態抬升電壓VBST相對較低時（例如當電壓Vref2小於電壓Vref1時，或是動態抬升電壓VBST實質上小於系統電壓VBAT時），邏輯電路254根據高準位的比較結果CPR輸出低準位的控制訊號BYPSb。本技術領域具有通常知識者可以彈性地設計邏輯電路254；舉例來說，在其他的實施例中，邏輯電路254根據高準位的比較結果CPR輸出高準位的控制訊號來直接控制電晶體HN2的閘極以使其導通，並以該控制訊號的反相訊號來關閉參考電壓產生電路210及低壓降線性穩壓器前級230。此外，在一些實施例中，本技術領域具有通常知識者可以將遲滯（hysteresis）的概念應用於比較器252，以避免邏輯電路254在短時間內反覆切換控制訊號BYPSb的準位。
綜上所述，本發明之D類放大器驅動電路200沒有切換損耗電流，而且在低耗電模式下只有極小的耗電（因為關閉大部分的電路）。再者，因為本發明之D類放大器驅動電路200只需一顆功率元件（即，電晶體HN2），所以面積比電荷泵小。因此，本發明之發大器系統300較習知的放大器系統100更具競爭力。
請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸及比例僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100:放大器系統 110:電源管理電路 120:升壓電路 130:電荷泵 140:D類放大器 150:其他電路 VBAT:系統電壓 L1:電感 VBST:動態抬升電壓 C1,C2:電容 GREG,VBSTR:驅動電壓 SA:音訊訊號 OUT:音訊輸出 101:喇叭 300:發大器系統 PVDD:電壓 200:D類放大器驅動電路 210:參考電壓產生電路 212:誤差放大器 220,232:箝位電路 230:低壓降線性穩壓器前級 234:電流源 240:低壓降線性穩壓器輸出級 250:控制電路 252:比較器 254:邏輯電路 260:反相器 HN1,LN1,LN2,HP1,HP2,HN2:電晶體 R1,R2,RFB1,RFB2:電阻 Vr,VR2:參考電壓 GND:接地準位 VFB:中間電壓 BYPSb,BYPS:控制訊號 Vref1,Vref2:電壓 CPR:比較結果
圖1顯示習知放大器系統的功能方塊圖； 圖2是本發明發大器系統之一實施例的功能方塊圖； 圖3是本發明D類放大器驅動電路之一實施例的電路圖；以及 圖4是本發明控制電路之一實施例的功能方塊圖。
200:D類放大器驅動電路
210:參考電壓產生電路
212:誤差放大器
220,232:箝位電路
230:低壓降線性穩壓器前級
234:電流源
240:低壓降線性穩壓器輸出級
250:控制電路
260:反相器
VBAT:系統電壓
VBST:動態抬升電壓
VBSTR:驅動電壓
HN1,LN1,LN2,HP1,HP2,HN2:電晶體
R1,R2,RFB1,RFB2:電阻
Vr,VR2:參考電壓
GND:接地準位
VFB:中間電壓
BYPSb,BYPS:控制訊號

Claims (10)

  1. 一種D類放大器驅動電路，用來根據一輸入電壓產生一驅動電壓，該驅動電壓用來驅動一D類放大器，該D類放大器驅動電路包含： 一參考電壓產生電路，用來根據一第一參考電壓產生一第二參考電壓； 一箝位電路，用來箝位該輸入電壓； 一低壓降線性穩壓器前級，耦接該參考電壓產生電路及該箝位電路，用來根據該第二參考電壓產生一中間電壓；以及 一低壓降線性穩壓器輸出級，耦接該低壓降線性穩壓器前級，用來根據該輸入電壓及該中間電壓產生該驅動電壓。
  2. 如請求項1之D類放大器驅動電路，更包含： 一控制電路，用來根據該輸入電壓及一系統電壓產生一控制訊號，該控制訊號用來控制該參考電壓產生電路、該低壓降線性穩壓器前級及該低壓降線性穩壓器輸出級。
  3. 如請求項2之D類放大器驅動電路，其中，當該輸入電壓實質上小於該系統電壓時，該控制電路透過該控制訊號關閉該參考電壓產生電路以及該低壓降線性穩壓器前級。
  4. 如請求項3之D類放大器驅動電路，其中，該低壓降線性穩壓器輸出級包含串聯之一第一電阻、一第二電阻及一電晶體，該中間電壓輸出至該第一電阻與該第二電阻之間，當該輸入電壓實質上小於該系統電壓時，該控制電路打開該電晶體。
  5. 如請求項4之D類放大器驅動電路，其中，當該電晶體關閉時，該驅動電壓實質上為零伏。
  6. 如請求項2之D類放大器驅動電路，其中，該參考電壓產生電路包含： 一誤差放大器，接收該第一參考電壓； 一電晶體，具有一閘極、一源極及一汲極，其中，該閘極耦接該誤差放大器的一輸出端； 一第一電阻，耦接於該電晶體之該源極與一接地準位之間；以及 一第二電阻，其中，該第二電阻的一端耦接該電晶體之該汲極，該第二電阻的另一端接收該輸入電壓； 其中，該電晶體的該汲極輸出該第二參考電壓。
  7. 如請求項2之D類放大器驅動電路，其中，該箝位電路係一第一箝位電路，該低壓降線性穩壓器前級包含： 一第二箝位電路； 一電流源，耦接於該第一箝位電路與一接地準位之間； 一第一電晶體，耦接於該第一箝位電路及該第二箝位電路之間，其中，該第一電晶體之一閘極接收該第二參考電壓； 一第二電晶體，耦接於該第一箝位電路及該第二箝位電路之間，其中，該第二電晶體之一閘極輸出該中間電壓； 一第三電晶體，耦接於該第二箝位電路與該接地準位之間；以及 一第四電晶體，耦接於該第二箝位電路與該接地準位之間； 其中，該第三電晶體之一閘極耦接該第四電晶體之一閘極，且該第四電晶體之一汲極耦接該第四電晶體之該閘極。
  8. 如請求項7之D類放大器驅動電路，其中，當該輸入電壓實質上小於該系統電壓時，該控制電路透過該控制訊號關閉該第三電晶體及該第四電晶體。
  9. 如請求項7之D類放大器驅動電路，其中，該低壓降線性穩壓器輸出級包含： 一第五電晶體，具有一閘極、一源極及一汲極，其中，該第五電晶體的該閘極耦接該第三電晶體的一汲極，且該第五電晶體的該源極耦接該接地準位； 一第一電阻，具有一第一端及一第二端，其中，該第一端接收該輸入電壓；以及 一第二電阻，具有一第三端及一第四端，其中，該第三端耦接該第二端，且該第四端耦接該第五電晶體的該汲極； 其中，該第一電阻的該第二端及該第二電阻的該第三端接收該中間電壓，且該第五電晶體的該汲極輸出該驅動電壓。
  10. 如請求項2之D類放大器驅動電路，其中，該控制電路包含： 一比較器，藉由比較一第一電壓及一第二電壓產生一比較結果；以及 一邏輯電路，耦接該比較器，用來根據該比較結果產生該控制訊號。
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