TWI555327B - 高效橋式組態的開關式放大器和在其中大幅降低電磁干擾的方法 - Google Patents

高效橋式組態的開關式放大器和在其中大幅降低電磁干擾的方法 Download PDF

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Description

高效橋式組態的開關式放大器和在其中大幅降低電磁干擾的方法
本發明通常涉及電子電路與系統領域。更具體地，本發明涉及放大器電路領域。
開關功率放大器(比如D類放大器)潛在地為移動設備提供有效放大。但是，當在許多移動設備(如同蜂窩電話和移動音頻設備)中使用時，常規的開關功率放大器呈現出問題。不幸的是，常規的開關功率放大器的驅動電路發射可能干擾其他移動設備的電磁干擾(EMI)。例如，EMI可能造成移動設備不能達到聯邦通信委員會(FCC)標準。此外，快速的輸出轉變可能導致大的暫態變化以及大功率信號中的過沖和負脈衝信號，所述大功率信號在常規的開關功率放大器中驅動輸出級電晶體。這些暫態變化可以損壞設備並嚴重降低放大器效率。
常規的無源濾波器或常規的EMI降低電路兩者都沒有成功解決這些缺點。例如，儘管集成的無源濾波器部分限制了大功率信號中的暫態變化，但是這一類型的濾波器仍然不能限制由 於驅動電路而引起的EMI。相反的，常規的EMI降低電路降低了EMI但是忽略了限制大功率信號中的暫態變化。人們期望能夠連貫地同時減少EMI和常規開關功率放大器的大功率信號的大的暫態變化以及過沖和負脈衝信號，而又沒有顯著的開關損耗或消弧電流(crowbar current)。
因此，需要通過提供具有降低的EMI的、並且適合於在移動通信設備中實現的高效放大器，克服所述技術領域中的缺點和缺陷。
本發明涉及具有降低的電磁干擾的高效橋式組態的開關式放大器，結合至少一幅附圖進行了詳細描述，並在權利要求中得到了更完整的闡述。
根據本發明的一個方面，提供大幅降低電磁干擾(EMI)的高效橋式組態的開關式放大器，所述高效橋式組態的開關式放大器包括：將大功率信號提供給負載的輸出級；在所述輸出級的第一控制信號中產生定時非重疊的第一重疊(overlap)保護電路；減慢所述大功率信號的暫態部分以及降低所述大功率信號中的過沖和負脈衝信號的第一邊緣控制電路，從而大幅降低所述EMI。
優選地，調整所述第一重疊保護電路產生的所述定時非重疊，以在所述輸出級中基本消除消弧電流。
優選地，所述第一重疊保護電路包括至少兩個電晶體，所述至少兩個電晶體中的每一個包括可變的源極負反饋，所述源極負反饋是可調節的、以產生所述定時非重疊。
優選地，所述可變的源極負反饋包括電阻性源極負反饋。
優選地，所述第一重疊保護電路包括反相器，所述反相器通過第一可變阻抗與第一電源電壓耦合，所述反相器通過第二可變阻抗與第二電源電壓耦合。
優選地，所述第一可變阻抗和所述第二可變阻抗是可調節的，以產生所述定時非重疊。
優選地，所述第一邊緣控制電路包括至少兩個電晶體，所述至少兩個電晶體中的每一個包括可變的源極負反饋，所述源極負反饋是可調節的、以減慢所述暫態部分和降低所述大功率信號的過沖和負脈衝信號。
優選地，所述可變的源極負反饋包括電阻性源極負反饋。
優選地，所述第一邊緣控制電路包括反相器，所述反相器通過第一可變阻抗與第一電源電壓耦合，所述反相器通過第二可變阻抗與第二電源電壓耦合。
優選地，所述第一可變阻抗和所述第二可變阻抗是可調節的，以減慢所述暫態部分和降低所述大功率信號中的過沖和負脈衝信號。
優選地，所述第一邊緣控制電路用於調節所述大功率信號的轉換速率，從而減慢所述大功率信號的暫態部分和降低所述大功率信號中的過沖和負脈衝信號。
優選地，在蜂窩電話的D類放大器中採用所述高效橋式組態的開關式放大器。
優選地，所述高效橋式組態的開關式放大器還包括：在所述輸出級的第二控制信號中產生第二定時非重疊的第二重疊保護電路；第二邊緣控制電路。
優選地，所述高效橋式組態的開關式放大器還包括用於阻止所述第一控制信號和所述第二控制信號同時將ON信號提供給所述輸出級的控制失效保護(failsafe)電路。
優選地，所述控制失效保護電路包括反或閘，所述反或閘具有與所述第一重疊保護電路的輸入耦合的輸出。
根據本發明的一個方面，提供在高效橋式組態的開關式放大器中大幅降低電磁干擾(EMI)的方法，所述方法包括：接收已調信號；在所述高效橋式組態的開關式放大器的輸出級的控制信號中產生定時非重疊；在所述輸出級中，減慢暫態部分和降低大功率信號的過沖和負脈衝信號，從而大幅降低所述EMI。
優選地，所述產生所述定時非重疊基本消除所述輸出級中的消弧電流。
優選地，所述產生所述定時非重疊包括改變所述高效橋式組態的開關式放大器的重疊保護電路的負反饋阻抗。
優選地，所述減慢所述暫態部分和所述降低所述大功率信 號的過沖和負脈衝信號包括改變所述高效橋式組態的開關式放大器的邊緣控制電路的負反饋阻抗。
優選地，所述減慢所述暫態部分和所述降低所述大功率信號的過沖和負脈衝信號包括調整所述大功率信號的轉換速率。
100‧‧‧移動設備環境
102‧‧‧高效放大器
110‧‧‧脈寬調製器/脈衝密度調製器
130‧‧‧驅動電路
140‧‧‧預驅動器級
180‧‧‧輸出級
182‧‧‧大功率信號
190‧‧‧負載
202‧‧‧高效放大器
210‧‧‧脈寬調製器/脈衝密度調製器
212‧‧‧已調的信號
230‧‧‧驅動電路
232‧‧‧輸出端
240‧‧‧預驅動器級
244a‧‧‧第一反或閘
244b‧‧‧第二反或閘
242、245a、246a、268a、246b、268b‧‧‧反相器
250a‧‧‧第一重疊保護電路
250b‧‧‧第二重疊保護電路
252a‧‧‧第一源極負反饋電阻器
252b‧‧‧源極負反饋電阻器
256a‧‧‧第二源極負反饋電阻器
256b‧‧‧源極負反饋電阻器
258‧‧‧電源電壓
259‧‧‧電源電壓
260a‧‧‧第一邊緣控制電路
260b‧‧‧第二邊緣控制電路
262a‧‧‧源極負反饋電阻器
262b‧‧‧源極負反饋電阻器
266a‧‧‧源極負反饋電阻器
266b‧‧‧源極負反饋電阻器
272a‧‧‧第一控制信號
272b‧‧‧第二控制信號
280‧‧‧輸出級
282‧‧‧大功率信號
286‧‧‧開關電路
400‧‧‧常規大功率信號
482‧‧‧大功率信號
圖1是根據本發明的一個實施例的、在移動設備中實現的示範性開關放大器的概念性框圖；圖2A是根據本發明的一個實施例的、用於降低電磁干擾(EMI)的高效放大器的框圖；圖2B是根據本發明的一個實施例的、描述高效放大器中的定時非重疊的示意圖；圖3是根據本發明的一個實施例的、呈現在高效放大器中大幅降低EMI的方法的流程圖；圖4A是在常規的放大器電路中信號轉變的示意圖；圖4B是根據本發明的實施例的、高效放大器電路中信號轉變的示意圖。
本發明涉及具有降低的電磁干擾(EMI)的高效放大器。儘管參照特定的實施例描述本發明，但是由此處所附的權利要求所確定的本發明的原理可以明顯地超出此處描述的發明的特定描述的實施例的範圍得以應用。此外，在本發明的描述中，為了避免使本發明的創造性方面模糊，一定的細節已經省去。省去的細節在本領域的普通技術人員的知識範圍內。
本申請中的圖和它們伴隨的細節描述僅僅涉及本發明的示範性實施例。為了維持簡潔，使用本發明的原理的本發明的其他實施例並沒有在本申請中進行特定描述或由圖進行特定闡述。應該記住的是，除非另有注釋，否則圖中的相似的或對應的元件由相似的或對應的參考數字表明。此外，本申請中的圖和說明通常不按比例，並且沒有意圖對應於實際的相對尺寸。
開關功率放大器(比如D類放大器)典型地包括調製器、驅動器和負載。調製器將已調的脈衝信號提供至驅動器，所述驅動器可以使用電晶體的開關功能，以採用大功率信號驅動負載。但是，當在很多移動設備(包含蜂窩電話和移動音頻設備)中使用時，有效的、常規的開關功率放大器可以呈現出問題。不幸的是，由常規的開關功率放大器的驅動電路產生的EMI可能干擾無線通信，並且可能破壞對聯邦通信委員會(FCC)運行要求的遵守。此外，常規的驅動電路可以體現出可能破壞靈敏的電子設備、消耗大量動態功耗以及降低放大器效率的大的暫態電流變化。常規的無源濾波器和常規的EMI降低電路沒有協調地解決這些問題。
圖1是根據本發明的一個實施例的、包括高效放大器102的移動設備環境100的框圖。如圖1中所示，高效放大器102將大功率信號182提供至負載190，所述負載190可能包括例如揚聲器、移動設備耳機或多功能設備。高效放大器102可能包括脈寬調製器/脈衝密度調製器110和驅動電路130。驅動電路130可能包括預驅動器級140(pre-driver stage)和輸出級180。高效放大器102可能 集成至半導體鑄模中和/或在蜂窩電話或移動音頻設備中實現。注意的是，儘管圖1將來自高效放大器102的大功率信號182表示為單端輸出，但是更一般地，高效放大器102可以適應於提供不同的輸出至諸如負載190的負載。
圖2A是描述高效放大器202的示意圖，該圖進一步描述了圖1中的高效放大器102所提供的示範性特徵。圖2A中，高效放大器202包括脈寬調製器/脈衝密度調製器210以及包含預驅動器級240和輸出級280的驅動電路230。高效放大器202的脈寬調製器/脈衝密度調製器210可能將已調的信號212提供至驅動電路230。輸出級280可能包括開關電路286，為了提供開關放大，所述開關電路具有以H-橋配置或本領域中已知的其他配置排列的一個或多個功率電晶體。第一控制信號272a和第二控制信號272b控制輸出級280。輸出級280可能在輸出端232提供大功率信號282。
比較圖1和圖2，可以看出，圖2A中的預驅動器級240和輸出級280可以對應於圖1中各自部分的預驅動器級140和輸出級180。此外，輸出端232可能對應於一對差分輸出端的其中一個。因此，在一個實施例中，高效放大器202可能包含兩個重複的驅動電路230，每個驅動電路230從脈寬調製器/脈衝密度調製器210接收已調的輸入，並且在對應於輸出端232的各自的差分輸出端提供各自的大功率輸出信號。
根據圖2A中所示的實施例，預驅動器級240驅動輸出級280。如圖2A中所示，預驅動器級240可能包括第一重疊保護電 路250a、第二重疊保護電路250b、第一邊緣控制電路260a以及第二邊緣控制電路260b。除了這些部件，預驅動器級240可能還包括反或閘244a和244b，以及反相器242、245a、246a、268a、246b和268b。
專注於重疊保護電路250a和250b，重疊保護電路250a和250b可能包含由至少兩個電晶體組成的反相器，至少兩個電晶體中的每一個包括可變的源極負反饋(比如電阻性源極負反饋)，所述源極負反饋是可調節的，以產生定時非重疊。例如，第一重疊保護電路250a可能包括至少包含兩個電晶體的反相器254a。反相器254a可能通過第一源極負反饋電阻器252a與電源電壓259耦合，以及通過第二源極負反饋電阻器256a與電源電壓258耦合。相似地，第二重疊保護電路250b可能包括可能包含至少兩個電晶體的反相器254b。反相器254b可能通過源極負反饋電阻器252b與電源電壓259耦合，以及通過源極負反饋電阻器256b與電源電壓258耦合。
在這一實施例中，邊緣保護電路260a和260b可能也包含至少兩個電晶體，所述至少兩個電晶體中的每一個包括可變的源極負反饋(比如電阻性源極負反饋)，所述源極負反饋是可調節的、以減慢暫態部分和降低大功率信號的過沖和負脈衝信號。如圖2A中所示，第一邊緣保護電路260a可能包括可能包含至少兩個電晶體的反相器264a。反相器264a可能通過源極負反饋電阻器262a與電源電壓259耦合，以及通過源極負反饋電阻器266a與電源電壓258耦合。第二邊緣保護電路260b可能包括可能包含至少 兩個電晶體的反相器264b。反相器264b可能通過源極負反饋電阻器262b與電源電壓259耦合，以及通過源極負反饋電阻器266b與電源電壓258耦合。注意的是，儘管圖2A將源極負反饋表徵為電阻提供，但是更一般地，可以通過將各自的電晶體與它們各自的電源電壓耦合的可變的負反饋阻抗來提供源極負反饋。
進一步如圖2A中所示，根據本發明，預驅動器級240可能包括兩個控制失效保護電路。第一控制失效保護電路可能包括具有與第一重疊保護電路250a耦合的第一反或閘244a。第一反或閘244a的輸入可能包括由例如輸入反相器242反相後的已調的信號212以及第二控制信號272b。第二控制失效保護電路可能包括具有與第二重疊保護電路250b耦合的第二反或閘244b。第二反或閘244b的輸入可能包括已調的信號212以及第一控制信號272a。
另外，反相器242、245a、246a、268a、246b和268b可能分別連接預驅動器級240中的部件。因此，輸入反相器242可能連接已調的信號212和第一反或閘244a。反相器245a和246a可能連接第一反或閘244a和第一重疊保護電路250a。相似地，反相器246b可能連接第二反或閘244b和第二重疊保護電路250b。反相器268a可能連接第一重疊保護電路250a和第一邊緣控制電路260a。反相器268b可能同樣地連接第二重疊保護電路260b和第二邊緣控制電路260b。
在圖1和圖2A中例證的本發明的實施例將參照圖3中的流程圖300以及圖2B、4A和4B作進一步描述。根據本發明的一個實施例，圖3中的流程圖300描述由高效放大器使用的大幅降低EMI 的方法的步驟。根據本發明的一個實施例，圖2B描述了高效放大器中的定時非重疊，而圖4A和4B展示了分別由常規的開關放大器和根據本創造性概念運作的一個開關放大器產生的輸出信號變化。
參考圖3，注意的是，已經在流程圖300中省去了對本領域的普通技術人員來說顯而易見的一定細節和特徵。例如，一個步驟可能包括所屬領域中已知的一個或多個子步驟。儘管流程圖300中表明的步驟310至340對於描述本發明的一個實施例是足夠的，但是本發明的其他實施例可能利用與流程圖300中所示的這些不同的步驟。
流程圖300的步驟310包括接收已調的信號。參考圖2A，步驟310可能視為對應於由高效放大器202的驅動電路230接收已調的信號212。如圖2A中所示，驅動電路230可能接收來自高效放大器202的脈寬調製器/脈衝密度調製器210的已調信號212。
繼續圖3中的步驟320，流程圖300的步驟320包括在高效放大器的輸出級的控制信號中產生定時非重疊。對於圖2A中的第一重疊保護電路250a，可能調節第一源極負反饋電阻器252a和第二源極負反饋電阻器256a表示的可變阻抗，以將定時非重疊引入至控制信號272a中。相似地，在第二重疊保護電路250b中，可能調節源極負反饋電阻器252b和源極負反饋電阻器256b表示的可變阻抗，以將定時非重疊引入至控制信號272b中。
可以從圖2A中看出，高效放大器202的控制失效保護電路可能阻止第一控制信號272a和第二控制信號272b同時提供ON信號 (開啟信號)至輸出級280。例如，第一反或閘244a可能對第二控制信號272b和由輸入反相器242反相後的已調的信號212執行邏輯或非操作，從而確保第一控制信號272a不會與第二控制信號272b同時處於邏輯ON狀態。相似地，第二反或閘244b可能對第一控制信號272a和已調的信號212執行邏輯或非操作，從而確保第二控制信號272b不會與第一控制信號272a同時處於邏輯ON狀態。
圖2B是可能的控制信號272中的定時非重疊的示意圖。如圖所示，第一控制信號272a的上升沿可能與第二控制信號272b產生第一定時非重疊274a。此外，第二控制信號272b的下降沿可能與第一控制信號272a產生第二定時非重疊274b。
可以使第一控制信號272a和第二控制信號272b中的定時非重疊適用於基本消除高效放大器202的輸出級280中的消弧電流。因此，當在高與低電平之間變化時，這些定時非重疊使輸出級280中的高端和低端轉換較少可能地同時進行。
移至圖3中的步驟330，流程圖的步驟330包括減慢暫態變化和降低輸出級中大功率信號的過沖和負脈衝信號，從而在輸出級中大幅降低EMI。返回至圖2A，第一邊緣控制電路260a和第二邊緣控制電路260b可能適應於減慢大功率信號282的暫態部分以及降低大功率信號282中的過沖和負脈衝信號。在第一邊緣控制電路260a中，例如，可以調整由源極負反饋電阻器262a和源極負反饋電阻器266a表示的可變阻抗，以降低第一控制信號272a的轉換速率，最終降低大功率信號282的轉換速率。相似地，在 第二邊緣控制電路260b中，可以調整由源極負反饋電阻器262b和源極負反饋電阻器266b表示的可變阻抗，以降低輸入第二邊緣控制電路260b的信號的轉換速率，從而降低大功率信號282的轉換速率。
如上所述，圖4A和4B闡述了在根據本創造性原理產生的大功率信號(比如圖2A中的大功率信號282)中示範性降低的暫態變化。首先參照圖4A，圖4A是在大約3.40μs和大約3.56μs時標之間的常規大功率信號400的示意圖。如圖4A中所示，常規大功率信號400具有大約1ns的上升沿時間。雖然這一上升沿時間很迅速，但是常規的大功率信號400承受由快速信號變化產生的暫態變化的缺點。例如，常規的大功率信號400在穩定於穩態值之前以振盪方式重複地低於和超過期望的輸出電壓。
轉至圖4B，圖4B是依照本發明的實施例的、在大約3.40μs和大約3.56μs時標之間的大功率信號482的示意圖，所述大功率信號482優選地避免了大量的過沖和負脈衝信號。如圖4B中所示，與圖4A中所示的常規上升沿時間相比，大功率信號482的上升沿時間已經轉為它的大約10倍，即大約10ns。儘管大功率信號482比圖4A中的常規的大功率信號具有更慢的上升沿時間，但是大功率信號482沒有常規大功率信號中存在的暫態變化。更具體地，大功率信號482獲得了穩態值，而不存在常規大功率信號400中的暫態變化，或至少具有大幅衰減的暫態變化。這些由本發明的實施例產生的緩慢的上升沿和受限的暫態變化保護了輸出級設備，大幅降低了EMI，並且確保了受限的動態功耗。
現在繼續至圖3中的步驟340，流程圖300的步驟340包括採用大功率信號驅動高效放大器的負載。再次參考圖2A，圖2A展示了大功率信號282可能由高效放大器202輸出至輸出端232。如上所述，在一些實施例中，例證本創造性概念的高效放大器可以適應於提供單端輸出，而在其他實施例中，可以向負載提供差分輸出。
從上述描述中，明顯的是，本發明的實施例描述了有效驅動開關功率放大器的新型電路，以便產生與常規實現相比大幅降低的EMI。在所公開的本發明的實施例中，示範性驅動電路在降低或基本消除由功率切換變化造成的EMI干擾的同時，用於提供有效的放大；並且該示範性驅動電路由降低的暫態變化和受限的消弧電流表徵。因此，本發明的實施例在沒有常規切換驅動電路的成本或其他缺點的情況下，協同解決了EMI和暫態變化的問題。
從本發明的上述描述中，表示的是各種技術可以用於實現本發明的概念而不背離它的範圍。此外，雖然本發明是通過具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，還可以對本發明進行形式和細節的改變。描述的實施例在各方面被認為是闡述性的而非限制性的。還應該理解的是，本發明並不受限於此處描述的特定實施例，而是在不脫離本發明的範圍的情況下，能夠有很多重排列、改變和替換。
100‧‧‧移動設備環境
102‧‧‧高效放大器
110‧‧‧脈寬調製器/脈衝密度調製器
130‧‧‧驅動電路
140‧‧‧預驅動器級
180‧‧‧輸出級
182‧‧‧大功率信號
190‧‧‧負載

Claims (8)

  1. 一種大幅降低電磁干擾(EMI)的高效橋式組態的開關式放大器，包括：將大功率信號提供至負載的輸出級；第一重疊保護電路；第二重疊保護電路，其中所述第一重疊保護電路與所述第二重疊保護電路可調整以在所述輸出級的第一控制信號及第二控制信號中產生定時非重疊；第一邊緣控制電路；第二邊緣控制電路，其中所述第一邊緣控制電路與所述第二邊緣控制電路可調整以減慢所述大功率信號的暫態部分以及降低所述大功率信號中的過沖和負脈衝信號，從而大幅降低所述EMI；以及控制失效保護(failsafe)電路，配置成阻止所述第一控制信號和所述第二控制信號同時將ON信號提供給所述輸出級，其中，所述控制失效保護電路包括：第一反或閘，包括：第一輸入，耦接到脈寬調製器/脈衝密度調製器；第二輸入，耦接到所述輸出級的第二輸入；以及 輸出，耦接到所述第一重疊保護電路；其中所述輸出級的所述第二輸入配置成接收所述第二控制信號；以及第二反或閘，包括：第一輸入，耦接到所述脈寬調製器/脈衝密度調製器；第二輸入，耦接到所述輸出級的第一輸入；以及輸出，耦接到所述第二重疊保護電路；其中所述輸出級的所述第一輸入配置成接收所述第一控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的高效橋式組態的開關式放大器，其中，調整所述第一重疊保護電路產生的所述定時非重疊，以在所述輸出級中基本消除消弧電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的高效橋式組態的開關式放大器，其中，所述第一重疊保護電路包括至少兩個電晶體，所述至少兩個電晶體中的每一個包括可變的源極負反饋，所述源極負反饋是可調節的、以產生所述定時非重疊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的高效橋式組態的開關式放大器，其中，所述可變的源極負反饋包括電阻性源極負反饋。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的高效橋式組態的開關式放大 器，其中，所述第一重疊保護電路包括反相器，所述反相器通過第一可變阻抗與第一電源電壓耦合，所述反相器通過第二可變阻抗與第二電源電壓耦合。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的高效橋式組態的開關式放大器，其中，所述第一可變阻抗和所述第二可變阻抗是可調節的，以產生所述定時非重疊。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的高效橋式組態的開關式放大器，其中，所述第一邊緣控制電路用於調節所述大功率信號的轉換速率，從而減慢所述大功率信號的暫態部分和降低所述大功率信號中的過沖和負脈衝信號。
  8. 一種在高效橋式組態的開關式放大器中大幅降低電磁干擾(EMI)的方法，包括以下步驟：接收已調信號；在所述高效橋式組態的開關式放大器的輸出級的第一控制信號及第二控制信號中產生定時非重疊；在所述輸出級中，減慢暫態部分和降低大功率信號的過沖和負脈衝信號，從而大幅降低所述EMI；以及使用控制失效保護(failsafe)電路以阻止所述第一控制信號和所述第二控制信號同時將ON信號提供給所述輸出級。
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