反饋比較式數字類功率放大器的製作方法
2023-09-09 18:43:25 2
專利名稱：反饋比較式數字類功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明主要用於電子類的音頻功率放大領域。也可用於輸出電壓受輸入電壓控制的壓控開關電源。
現有的音頻功率放大器，按功率管工作的電流導通角的不同，一般都工作在甲類，乙類，甲乙類3種工作狀態，這些類型的功放存在效率低下，體積龐大，成本較高等缺點。
近年來，隨著高頻功率開關器件和開關理論的迅猛發展，出現了使功率管工作在開關狀態的丁類功率放大器，也稱作數字功率放大器。它經歷了一定的發展，已取得了很大的進步，但仍然存在一些問題需要克服如音質不夠好，損耗較大，EMI(電磁幹擾)嚴重，結構原理複雜導致成本偏高，批量生產一致性較差等。
從現有的資料來看，一般的數字功放的原理方法大致可分為以下幾種1.把輸入音頻信號跟一固定的三角波(或鋸齒波)比較，產生PWM(脈寬調製)信號去控制功率開關；2.把輸入的音頻信號進行ADC(模數轉換)，由數位訊號處理器產生PWM(脈寬調製)信號控制功率開關；3.直接把數字形式音頻信號輸入到數位訊號處理器裡，產生PWM(脈寬調製)信號控制功率開關。第1種方法要很高的開關頻率才可以保證好的音質，但因為高的開關頻率導致高損耗，使得數字功放的高效率優勢大打折扣，而且因為PWM信號頻率固定，容易產生強的EMI(電磁幹擾)。第2種方法需要高速的多位ADC(模數轉換)器件，導致成本較高。第3種方法很難跟現存的一些模擬音源設備兼容。這3種方法都沒有反饋，使得開關功率器件到負載部分的電路參數誤差對電性能影響很大，不容易保證一致性，其次，由於缺少反饋，使得輸出阻抗相對較大，在大動態時很難保證音質。為改善一致性和音質不夠好的缺點，也有人在上面3種方法的基礎上，引入負反饋，把輸出的信號跟輸入信號作誤差運算，再跟三角波(或鋸齒波)比較，產生PWM(脈寬調製)信號；或者把輸出的信號經過ADC變換，再輸入到數位訊號處理器進行處理。但這樣一來，卻導致了系統更加複雜，系統穩定性不容易控制，成本更高。
本發明提出了一種新的拓撲結構，把輸出跟模擬電壓輸入直接進行電壓比較，產生一個數字控制信號，用該控制信號產生PWM(脈寬調製)信號，再用PWM信號去控制功率開關產生PWM功率輸出，再通過LPF(低通濾波器)濾出音頻成分推動負載。該拓撲結構具有結構簡單，成本低廉，性能優越的特點。該結構巧妙地利用了電壓比較電路，既解決了ADC(數模轉換)的成本問題，又因為引入了負反饋，使得輸出阻抗大大降低，保證了音質和生產一致性。
本發明是這樣實現的結合附圖
，說明如下。
該拓撲結構由電壓比較電路，脈寬調製電路，電子功率開關，緩衝電路，續流二極體，低通濾波電路和負載組成。
電壓比較電路(VCOMP)負責把輸入跟輸出作電壓比較，產生一個指示信號Vd，相當於一位的數位訊號，指示輸入跟輸出電壓作比較的高低關係。
脈寬調製電路(PWM CTRL)負責根據電壓比較電路送來的一系列指示信號Vd，產生兩個相應的PWM(脈寬調製)信號GP和GN，分別去控制與正電源和負電源相連接的兩個電子功率開關的導通和截止。
電子功率開關(SW1和SW2)，是功率轉換器件，完成邏輯電平的PWM控制信號到高電壓大電流的PWM功率輸出的轉換。
緩衝電路(SNUBBER)，一般由阻容元件構成。可以防止功率開關連接節點M電壓突變產生強幹擾和降低功率開關的應力。
續流二極體(D1和D2)，是用來給後面的低通濾波器在DC-DC轉換時提供續流通道，防止電流突變產生高壓擊壞功率開關管而設的。
低通濾波器(LPF)，一般由電感電容組成，也可以帶有高頻吸收網絡。配合功率開關和續流二極體，完成DC-DC轉換和濾波的雙重功效。
負載(Rload)，一般是揚聲器。該拓撲結構用於其他用途時，也可能是其他形式的器件或裝置。
這些電路模塊形成一個大的反饋環，電壓比較電路把輸出電壓跟輸入電壓的差值信息以1位的高速數據流的形式傳遞到脈寬調製電路，脈寬調製電路根據該數據系列，產生脈寬調製信號控制開關管輸出，就得到了一個高電壓大電流的PWM功率輸出，經過低通濾波濾出低頻成分，輸出到負載上。輸出電壓跟輸入電壓不斷比較，電路不斷調整輸出，讓輸出電壓與輸入電壓成某一函數關係，則輸出電壓就是輸入電壓函數變換後的功率輸出。如果設計反饋環，讓輸出電壓跟輸入電壓成一正比例關係，能在音頻頻域裡響應，就實現了音頻信號的功率放大，因功率管工作在開關狀態，所以該放大器屬於丁類音頻功率放大器，也就是數字音頻功率放大器。
權利要求
1.一種主要用在數字音頻功率放大器也可用於壓控開關電源的拓撲結構。它由電壓比較電路(VCOMP)，脈寬調製電路(PWM CTRL)，電子功率開關(SW1和SW2)，緩衝電路(SNUBBER)，續流二極體(D1和D2)，低通濾波電路(LPF)和負載(Rload)組成。
2.根據權利要求1所述的電路。其特徵為從音頻信號輸入到輸出形成一個反饋環，其環路為電壓比較電路→脈寬調製電路→電子功率開關→低通濾波電路→電壓比較電路。
3.根據權利要求1和2所述的電路。其特徵為利用電壓比較電路，把低通濾波電路輸出(節點OUT)的電壓反饋回來，跟輸入的音頻信號的電壓進行比較，產生數字控制信號(設該信號名為Vd)，用該數字控制信號控制脈寬調製電路工作。
4.根據權利要求3所述的電壓比較電路(VCOMP)，該電壓比較電路可以為多種形式的能完成電壓比較輸出數位訊號的電路。反饋電壓跟輸入音頻電壓可以直接比較，也可以是經過放大或者阻抗元件衰減後，再作電壓比較，或者是再利用阻抗元件互相疊加運算後跟地電位比較。
5.根據權利要求1所述的脈寬調製電路(PWM CTRL)，可以是多種形式的能完成根據輸入控制信號Vd變化而輸出相應PWM(脈寬調製)信號的電路單元。該電路單元在實現形式上，可以是ASIC(特定用途晶片)，FPGA(現場可編程門陣列)，PLD(可編程邏輯器件)，門電路組成的電路模塊，或者是單片機，微型計算機。設該脈寬調製電路輸出的信號名為GP和GN。
6.根據權利要求1和5所述的電路。電子功率開關可以是多種可以完成開關功能的電子器件，包括MOSFET，雙極型電晶體，IGBT，MCT，或者晶閘管。設與正電源(VPP)和負電源(VNN)連接的電子功率開關分別為SW1和SW2，它們分別受GP和GN控制。設SW1與SW2相連的節點名為M。
7.根據權利要求1和6所述的電路，緩衝電路(SNUBBER)連接在節點M上，起到緩衝該節點電壓變化的作用。
8.根據權利要求1和6所述的電路。續流二極體D1的正極連接在節點M上，負極連接在正電源上；續流二極體D2的正極連接在負電源上，負極連接在節點M上。
9.根據權利要求1和6所述的電路。低通濾波電路(LPF)連接在節點M和負載之間，設低通濾波電路與負載相連的節點名為OUT。低通濾波電路一般由電感電容組成，也可以帶有阻容元件等能量吸收網絡，完成低通濾波的作用。
10.根據權利要求1和9所述的電路。負載(Rload)接在節點OUT上。當該拓撲結構用於作音頻功率放大，負載一般為揚聲器。當該拓撲結構用於其他場合時，負載可以是其他形式的元器件或者裝置。
全文摘要
本發明涉及到數字音頻功率放大器(也稱作丁類音頻功率放大器或數字功放)的一種拓撲結構，同時也可用於壓控開關電源。它是由電壓比較電路，脈寬調製電路，電子功率開關，緩衝電路，續流二極體，低通濾波電路和負載組成。該拓撲結構巧妙地利用了電壓比較電路，既解決了ADC(數模轉換)的成本問題，又因為引入了負反饋，使得輸出阻抗大大降低，保證音質和生產一致性。該拓撲結構具有結構簡單，成本低廉，性能優越的特點。
文檔編號H03F3/20GK1728545SQ20041007175
公開日2006年2月1日 申請日期2004年7月27日 優先權日2004年7月27日
發明者馮凱武 申請人:馮凱武