在開關式電源轉換器中用於減小突入電壓和電流的方法
2023-10-11 23:09:54 2
專利名稱：在開關式電源轉換器中用於減小突入電壓和電流的方法
技術領域：
本發明涉及消除在具有單電源的D類音頻功率放大器中由於電壓轉換引起的可聽見的「卡搭」噪聲(click noise)，更特別地涉及最小化開關式電源轉換器啟動時的電流或電壓突入。
背景技術：
如圖1所示，在具有用於保持除了0V之外的輸出電壓和目標輸出電壓的反饋迴路12的開關式電源轉換器10中，當開關式電源轉換器10啟動時存在流入到輸出電容C1的大突入電流。該開關式電源轉換器10包括電源18，用於提供輸入電壓VIN；參考電壓供應20；誤差放大器22，對來自輸出節點的輸出電壓以及參考電壓進行操作，該輸出電壓由反饋迴路12提供；輸出控制設備16，用於控制具有在公共節點處連接到低開關Q2的高開關Q1的開關級的高開關Q1；電感L1，連接在公共節點和輸出節點之間；以及輸出電容C1，連接在輸出節點和接地之間。輸出級的低開關Q2被圖例為二極體。
突入電流由於反饋迴路12的本性而發生。如圖2所示，在開始的電流轉換期間，控制迴路12使得輸出控制設備16將電流的最大值輸出到輸出電容C1。
一種減小突入電流的途徑是實施限流。但是，為了運送額定電流同樣也需要的電流感應設備的必要性使得這種解決方案龐大並且昂貴。
另一種最小化突入電流的途徑是實施軟啟動PWM。這種方法由於調製指數限制而難於實施成具有自振蕩PWM的控制方案。對於這種解決方式，輸出電壓需要從某一電壓級別開始。
發明內容
提供一種電路，用於最小化在開關式電源轉換器啟動時的電壓突起，該電路具有包括在公共節點連接的高和低開關的開關級、用於保持目標輸出電壓的反饋迴路、連接在輸出節點和接地之間的輸出電容、連接在公共節點和輸出節點之間的電感、以及具有用於基於參考電壓與由反饋迴路提供的電壓的比較結果而提供第一信號的第一誤差放大器的控制IC，所述IC包括電平開關，連接在接地和公共節點之間，根據第一信號來控制該電平開關，其中當該電路啟動時，流入到輸出電容的大突入電流被最小化。
通過下面參考附圖對本發明的描述，本發明的其他特徵和優點將變得更加明顯。
圖1是傳統的開關式電源轉換器的圖式；圖2是在開始的電流轉換期間由圖1的傳統開關式電源轉換器產生的信號圖；圖3是本發明的包括預充電反饋迴路的開關式電源轉換器的實施方式的圖示；圖4是在開始的電流轉換期間由圖3的開關式電源轉換器產生的信號圖；
圖5是在開始的電流轉換期間在具有「卡搭」噪聲的D類音頻放大器中產生的信號圖；圖6是本發明的包括預充電反饋迴路電路的D類音頻放大器的圖；和圖7是在圖6的D類音頻放大器中產生的信號圖。
具體實施例方式
本發明向輸出電容C1提供一種預充電處理，而不需要開啟開關設備Q1。因此，PWM可以立即啟動而不需要產生突入電流。
圖3顯示了本發明的預充電電路30。該電路30包括電源18、參考電壓源20、通常由電壓分配器組成的反饋迴路12、至少一個充電-放電設備Q3和誤差放大器22。所述至少一個充電-放電設備Q3由誤差放大器22控制。誤差放大器22可以為與圖1的電路10的常規操作中使用的相同的電路。
通過使用相同的參考電壓20和反饋迴路22用於預充電反饋迴路32和常規PWM操作，預充電迴路32的目標電壓可以與常規PWM操作中電壓完全相同。這樣，如圖4所示，使得突入電流量最小。
在D類音頻放大器應用中，為了避免DC電流流入到音圈，利用單電源運行的放大器需要串聯耦合於揚聲器的隔直電容。在上面的描述中，該電容被稱為輸出電容C1。當放大器首次開啟，功率放大器迅速對隔直電容C1充電。對隔直電容C1充電的大量電流也流入到擴音器中。這引起了較大的啟動噪聲。
圖5顯示了表示由沒有實施本發明的啟動序列的開關式電源轉換器產生的波形。如圖所示，當在公共節點處的電壓VCSO(見圖6)達到門限電平VTH1時，擴音器輸出產生了噪聲。PWM一開始振蕩，對輸出隔直電容的大充電電流就產生了跨越在揚聲器兩端的較大電壓轉換。此外，輸入和積分電容都試圖穩定到它們的穩態電壓，這同樣需要一些時間，所以在開始的PWM啟動時使得PWM波形不平坦。
如圖6所示，本發明教導了一種集成電路42，可以利用D類音頻放大器電路40使用。除了該IC42，所述電路40包括輸入電源，經由串聯的電容GIN和電阻RIN連接到IC42的管腳IN並且經由電容CBIAS連接到管腳BIAS；參考電壓源VAA，連接到IC42的管腳VAA；反饋迴路，包括連接到管腳IN的電壓分配器電阻R1和R2；串聯的電容C10和C12，連接在IC42的管腳COMP和IN之間；電容13，連接在IC42的管腳COMP和接地之間；開關級，具有連接到公共節點的高開關Q1和低開關Q2，公共節點連接到IC42的管腳CS，開關Q1的柵極端被連接到IC42的管腳HO而開關Q2的柵極端被連接到IC42的管腳LO；電壓源+B，連接到開關Q1的源極端，開關Q1的源極端連接到IC42的管腳VS；電阻Rcharge，連接在公共節點和開關Q1的源極之間；電感L1；電容C14和GOUT；以及電阻RL。
IC42包括柵極驅動器GD，用於感應在管腳VS處的電壓，並連接到管腳HO和LO用於驅動開關級的高開關Q1和低開關Q2；誤差放大器22，連接在管腳VAA處的電壓和管腳COM處的接地電壓之間，並接收來自管腳BIAS的正輸入和來自管腳IN的負輸入。二極體D1和D2連接在管腳BIAS和IN之間，這樣二極體D1的陰極和二極體D2的陽極在管腳IN處相連。來自源極的電壓VAA同樣通過電阻R11被耦合到誤差放大器22的正輸入端。誤差放大器22向比較器44提供信號，比較器44產生並轉發PWM信號到柵極驅動器GD，用於切換開關級的開關Q1和Q2。
IC42包括分離控制迴路和控制裝置，用於在啟動常規PWM之前保持輸入和輸出電壓。附加的充電-放電裝置46連接到輸出隔直電容COUT。該充電-放電裝置46由誤差放大器22通過電平轉換器48控制，該電平轉換器48包括誤差放大器50和電阻R13-R16。
在操作的第一階段，小電流源以開環的方式對輸出電容慢慢地充電。當在開關節點處的電壓接近由電阻分配器R1、R2和管腳BIAS處的電壓所確定的目標值時，誤差放大器22開啟MOSFET46以使得電壓穩定到目標值。通過檢測該MOSFET的激活，啟動序列進入到下一階段以擺脫PWM振蕩。
由於當控制器擺脫PWM振蕩時所有涉及的電容例如輸出電容、輸入電容和積分電容都被充電到穩態電壓，所以本發明避免了較大的開始啟動噪聲。
雖然本發明已經參考特定的實時方式進行了描述，但是對於本領域普通技術人員來說更多的變動和修改以及其他應用將是明顯的。因此，優選的，本發明不由這裡特定的公開所限定。
權利要求
1.一種用於最小化開關式電源轉換器啟動時的電壓突入的電路，該電路具有包括在公共節點連接的高和低開關的開關級、用於保持目標輸出電壓的反饋迴路、連接在輸出節點和接地之間的輸出電容、連接在公共節點和輸出節點之間的電感以及具有用於基於參考電壓與由反饋迴路提供的電壓的比較而提供第一信號的第一誤差放大器的控制電路，該控制電路包括電平開關，連接在接地和公共節點之間，根據所述第一信號來控制該電平開關，其中當該電路啟動時，流入到輸出電容的大突入電流被最小化。
2.根據權利要求1所述的電路，其中所述開關式電源轉換器為D類音頻功率放大器，具有單電源、隔直電容，並且由於電壓轉換導致的可聽到的「卡搭」噪聲被消除。
3.根據權利要求2所述的電路，還包括柵極驅動器，用於驅動高和低開關；PWM調製器電路，用於接收所述第一信號並向柵極驅動器提供脈衝；以及電平轉換器電路，用於接收所述第一信號並控制電平開關。
4.根據權利要求3所述的電路，其中電平轉換器電路包括第二誤差放大器，該電平轉換器電路向電平開關和比較器提供第二信號，當公共節點處的電壓達到預定電平時，該比較器提供準備就緒信號。
5.根據權利要求3所述的電路，其中輸出電容是預充電的，而不用開啟開關級，並立即啟動PWM而不用突入電流。
6.根據權利要求3所述的電路，其中IC包括分離控制迴路以及控制裝置，以在啟動PWM之前保持輸入和輸出電壓。
7.根據權利要求3所述的電路，還包括小電流源，其中當該電路啟動時，小電流源以開環的方式緩慢地對輸出電容充電到目標電平。
8.根據權利要求7所述的電路，還包括電阻分配器，用於確定目標電平。
9.根據權利要求7所述的電路，其中當在公共節點處的電壓達到目標電平時，第一誤差放大器開啟電平開關，以使得在公共節點處的電壓穩定在目標值。
10.根據權利要求9所述的電路，其中當檢測到電平開關的開啟時，開始PWM振蕩。
11.根據權利要求9所述的電路，其中目標電平等於輸出DC偏移量的穩態。
12.根據權利要求11所述的電路，其中反饋迴路中的所有電容以及該電路的積分部分被預充電到穩態值。
全文摘要
一種用於最小化開關式電源轉換器啟動時的電壓突入的電路，該電路具有包括在公共節點連接的高和低開關的開關級、用於保持目標輸出電壓的反饋迴路、連接在輸出節點和接地之間的輸出電容、連接在公共節點和輸出節點之間的電感以及具有用於基於參考電壓與由反饋迴路提供的電壓的比較而提供第一信號的第一誤差放大器的控制電路，該控制電路包括電平開關，連接在接地和公共節點之間，根據所述第一信號來控制該電平開關，其中當該電路啟動時，流入到輸出電容的大突入電流被最小化。
文檔編號H02M3/156GK101071983SQ20071009732
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月8日 優先權日2006年5月1日
發明者J·本田, 程小暢 申請人:國際整流器公司