減小方波脈衝失真和噪音的方法,生成最少失真脈衝的電路及該方法和電路的使用的製作方法
2023-10-28 08:00:17 2
專利名稱：減小方波脈衝失真和噪音的方法,生成最少失真脈衝的電路及該方法和電路的使用的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量雙埠類型開關電路中電流的方法，該開關電路的一組端點連至噪音抑制電路的一組端點。
此外，本發明涉及用於測量雙埠類型開關電路中電流的電路，該開關電路的一組端點連至噪音抑制電路。
最後，本發明涉及該方法和電路的使用。
開關放大器中的傳統電流測量方法要求在連至負載的信號路徑中或連至放大器電源的路徑中有一個電阻器。在用於音頻放大的包含多個半橋的開關放大器中使用這類測量電阻器的結果是較差音頻性能和較低的放大器總效率。此外，跨越電阻器的測量電壓必須很小以使功耗很小，但很小電壓會要求使用測量放大器，因此要求更為複雜的音頻放大器，以便在能夠將它使用於標準音頻放大器電路中之前將其放大，在標準音頻放大器電路中5伏電路電壓是普通的。也知道開關放大器需要一個非常快的反應電流保護系統，用於在輸出短路時防止放大器損壞。這意味著電流測量電路必須非常快，即必須具有高帶寬。如果電流測量電路基於一個測量電阻器和一個具有高增益的測量放大器，則從以前設計已經知道，要同時實現高帶寬的電路是一件複雜任務。
另一方面，必須保護開關放大器免受破壞性的高和快的上升電流的損害，該上升電流例如由放大器輸出端的短路所引起。因此長期以來試圖找到一種測量電流的原理，它可以允許測量電流而沒有以上所述缺點。
開關放大器的原理是它的一個或多個半橋中的兩個或多個開關分別切換為接通和關斷一段時間，這取決於輸入至放大器的信號例如音頻信號的幅值，此處音頻信號中的信息轉換為多個脈衝(信號是脈衝調製的)，這些脈衝確切地對應於音頻信號的有用信息。為保證開關放大器的好線性，這些脈衝必須很好地確定。
脈衝調製放大器在理論上是完全線性的，功耗很小，失真小以及效率為100％，但實際中發現非線性和低得多的效率使它們不適用於高保真放大器，其主要原因是實際上無法同時提供理想脈衝，放大器的高效率和高可靠性。
無法理想地生成脈衝的原因之一在於開關的電源中。脈衝高度隨著電源電壓的變化而變化，因此希望有一個很好地確定的電源電壓，但不可能在將測量電阻插入電源與開關放大器輸出級之間的情況下獲得很好地確定的電源電壓，因為當電流流動時測量電阻上的電壓在變化。
此外能看到，如果測量電阻插入於輸出級與負載之間，則放大器的輸出阻抗將會增加。在帶反饋的放大器中有可能通過增加反饋來減小放大器的輸出阻抗，但在開環或有限反饋的放大器例如真正數字放大器和開關放大器中一般不可能達到此點。
此外能看到，如果電阻器插入於信號路徑中，或者是在輸出級與電源之間，或者是在輸出級與負載之間，由於電阻器中有電流損失，放大器效率將會降低。在現有所用A類和AB類放大器中，由於放大器輸出級的低效率，可以認為這是損失的次要因素。但在可以獲得很高效率的開關放大器中，測量電阻器中的功耗將使放大器中的全部功耗增加50％以上。
在現有技術中，已經做了很多努力來減小測量電阻中的電流損失，曾經使用具有很低電阻的電阻器，其結果當然是測量電阻器上的電壓很低，但在它可供在高達5伏電壓電平下操作的電路使用之前，它必須由高增益測量放大器放大。很低電壓的有限帶寬的用於低噪音電路中的例如A類和AB類放大器的高增益放大器是可以獲得的，但很難獲得開關放大器環境中的即使是有限帶寬的放大信號，因為放大器中電壓和電流源的很快的轉換速率將生成噪音。如前所述，由於輸出級的特性，在開關放大器中需要一種快速反應電流保護系統，因此在以前的設計中電流測量電路使用了具有高電阻因而高損耗的測量電阻器。
因此，本發明的一個目的是提供一種能夠在開關放大器的輸出級中測量電流的方法並且在所需電壓電平上提供具有高帶寬的測量信號而不在放大器的信號路徑中使用測量電阻以及不需要放大器電路來放大測量信號。
可以通過權利要求1的敘述部分中定義的方法來達到本發明的目的，該方法的特徵在於通過在電源電壓與開關電路之間插入一個電路來作為在開關電路中半導體的接通和關斷期間的過渡過程測量而完成電流測量。
這裡提供一種電路，它允許在所需電壓電平上獲得一個有用的電流傳感器信號而既不增加開關電路的輸出端點中又不增加電源端點中的電流測量電阻器損失和失真。
適宜的本方法實施例定義於權利要求2和3中。
如上所述，本發明還涉及在權利要求4的敘述部分中定義的電路類型。
該電路的特徵在於該開關電路具有一個與噪音抑制電路埠公共的埠及一個能夠在噪音抑制電路的端點之間進行切換的開關端點，以及在於開關電路中的電流只是在噪音抑制電路的測量阻抗電路中流動。
適宜地，如權利要求5中所述，該電路的特徵在於該測量阻抗電路由一個連於開關電路的一個埠與噪音抑制電路的另一個埠之間的電感所形成，以及在於電容器和測量電阻的串聯連接與開關電路並行地連接。
如權利要求9中所述，電流傳感信號送至一個適用於瞬時地切斷開關電路中開關元件的控制電路，該控制電路能夠在預定電流值時瞬時地切斷開關，以便保護不受過大電流破壞，從而達到附加效果。
電路的其他適宜實施例定義於所附權利要求書中。
最後，如上所述，本發明涉及該方法和電路的使用。
此使用定義於權利要求12中。
在此使用中有可能提供一種用於音頻用途的低噪音半橋，它具有低脈衝失真以及比傳統半橋保護電路簡單得多和快得多的開關保護。
應該注意到，本發明的原理特別適合於與噪音抑制電路一起使用，這在與本申請同一天提交的丹麥專利申請號PA 1998 00641中全面地描述。
在
圖1中，數字1標示一個噪音抑制電路，其端點5和6連至雙埠類型開關電路2的一個埠的端點。開關電路的另一個埠具有兩個端點7、8，其中一個端點7可以在端點5和6之間進行切換，而另一個端點8則連至端點6。參照下面，噪音抑制電路具有一個能夠測量開關電路中電流的裝置以及一個輸出端19，後者之中存在一個隨開關電路中電流變化而變化的信號。輸出端19連至控制電路18，後者能夠通過輸出20很快地切斷開關電路2中的開關。
圖2顯示噪音抑制電路1，控制電路18和開關電路2如何連至外部電路9和10的基本例子。外部電路9連至噪音抑制電路的端點3和5，另一個外部電路10連至開關電路的端點8和通過電感11連至端點7。外部電路9和10可以由電源和負載分別組成。外部電路9和10可以選代地由負載和電源分別組成。
圖3顯示如何實現噪音抑制電路1的例子。噪音抑制電路1具有一個插入於端點3和5之間的電感13以及一個電容器14和測量電阻器15的串聯連接。一個包含二極體16、測量電容器21和電阻器24的電流測量電路與測量電阻器15並行地插入。二極體16的陽極連至位於測量電阻器15與電容器14之間的公共點，而其陰極則連至端點19和測量電容器21的一個端點，而測量電容器的另一個端點連至端點6。電阻器24與測量電容器21並行地插入並且用於在合適的時間常數下將測量電容器21放電。因此提供跨越測量電容器21和電阻器24的測量信號作為端點6和19之間的差動信號。可以插入一個具有相反接通方向的二極體來提供相反極性的測量信號。
圖4顯示如何實現噪音抑制電路1的另一個例子。噪音抑制電路1具有一個插入於端點3和5之間的電感13以及電容器14和測量電阻器15的串聯連接。一個包含二極體16、測量電容器21和電阻器22、23和24的電流測量電路與測量電阻器15並行地插入。電阻器22和23串聯地插入於測量電阻器15與電容器14的公共點與端點6之間。二極體16的陽極連至電阻器22與23之間的公共點，而其陰極則連至端點19和測量電容器21的一個端點。電容器的另一個端點連至端點4和6。電阻器24與測量電容器並行地插入，以便用於在合適時間常數下將測量電容器放電。因此提供跨越測量電容器21和電阻器24的測量信號作為端點6和19之間的差動信號。可以插入一個具有相反接通方向的二極體而提供相反極性的測量信號。
圖5顯示切換順序期間的跨越測量電阻器15的電壓25的例子。電壓峰值27是在正電流流入端點7的的情況下當開關17自端點6切換至端點5時開關電路2中的電流乘以電阻器15的值來確定的。電壓峰值36是在正電流流入端點7的的情況下當開關17自端點5切換至端點6時開關電路2中的電流乘以電阻器15的值來確定的。數字26標示跨越測量電容器21的電壓波形，可以看出，跨越測量電容器的平均電壓值與測量電阻器中的峰值電流成正比。
圖6顯示如何實現圖1或2中電路1和2的例子，其中負載可以連於端點7與8之間及電源可以連於端點3與4之間。包含部件22、23、16、21和24的電流測量電路37與電阻器15並行地連接，其中端點4是電路1和37的公共接地點及端點19提供一個與電阻器15中流動的峰值電流成正比的電壓。現在參照圖7a-7g更詳細地闡述電路1和2中的電流流動，以便顯示如何完成電流測量。
因此圖7a-7g闡述電路1和2的電流流動圖，其中電流流動圖分為電路1和2的六個狀態，如圖7a-7g中所示。假設電流測量電路37對電路1和2中的電流流動沒有影響，因此不對它描述。
圖7a顯示一種狀態，其中開關35正接通一個正負載電流及該電流正在緩衝器電感器13和兩個寄生電感器30和31中流動。
圖7b顯示電路1和2，其中開關35剛關斷及開關34剛接通，由於緩衝器電感器13中流動的電流和寄生電感器30和31中流動的電流不能同時改變，這些電流將流過電容器14和電阻器15，直至電感器13、30和31中所包含能量變為零。在電路1和2的實際設計中，電感器13中包含的能量比電感器30和31中包含的能量大得多，因此曾在電感器13中流動的電流將在電阻器15中流動更長時間，這顯示於圖7c中。
圖7c顯示就在寄生電感器中能量變為零以後的電路1和2，可以看出，負載電流正流過開關34及其寄生電感28和29。此外可以看出，曾經在電感器13中流動的電流仍然在電容器14和電阻器15中流動，直至電感器13中的能量變為零。因此可以看出，電感器13中流動的電流主要決定跨越電阻器15的電壓，以及由於就在切換負載之前電感器電流等於負載電流，因此跨越電阻器15的峰值電壓與負載電流成正比。通過選擇電流測量電路37中部件16、21、22、23和24的合適的值，有可能在端點19處獲得一個具有所需電平和帶寬的而又與負載電流成正比的電壓。應該注意，當使用圖7中所給定義時，跨越電阻器15的電壓具有與負載電流相同的符號。
圖7d顯示電路1和2的一種狀態，其中已經自開關35切換至開關34，以及34正接通一個正負載電流及該電流正在開關34本身和兩個寄生電感器28和29中流動。
圖7e顯示在負載自開關34切換至開關35的情況下電路1和2中的電流流動，可以看出，來自負載的電路正流過電容器14和電阻器15。應該注意，當使用圖7中所給定義時，跨越電阻器15的電壓具有與負載電流相反的符號。
圖7f顯示自開關34切換至開關35之後電路1和2中的電流流動，以及緩衝器電感器13自電容器14和電阻器15中接收負載電流。
圖7g顯示電路1和2中隨後的電流流動，可以看出，電流流動與圖7a中的圖形完全相同，因此完成電流流動圖。
從以上所述可以理解，本發明提供一種噪音抑制電路，它能測量負載電流和保護帶有開關電流的半導體免受過大電流損害，噪音抑制電路有可能具有很低複雜性。
權利要求
1．一種測量雙埠類型開關電路中電流的方法，該開關電路的一組端點連至噪音抑制電路的一組端點，該方法的特徵在於開關電路的一個埠直接連至噪音抑制電路的一個埠，以及在於開關電路的開關端點適用於在噪音抑制電路的埠的端點之間進行切換，以及在於在開關電路的切換順序期間作為過渡過程測量而跨越與開關電路並行連接的阻抗來完成電流測量。
2．根據權利要求1的方法，其特徵在於一個電源施加於噪音抑制電路的不連至開關電路的埠上，以及在於一個與負載電路串聯的電感器插入於開關電路的其他端點之間。
3．根據權利要求1的方法，其特徵在於一個負載電路插入於噪音抑制電路的不連至開關電路的端點之間，以及在於一個電感和電源的串聯連接施加於包含開關端點的開關電路的埠上。
4．一種用於測量雙埠類型開關電路中電流的電路，該開關電路的一組端點連至噪音抑制電路，該電路的特徵在於該開關電路具有一個與噪音抑制電路埠共同的埠，及一個開關端點適用於在噪音抑制電路的埠的端點之間進行切換，以及在於開關電路中的電流簡單地在噪音抑制電路的測量阻抗電路中流動。
5．根據權利要求4的電路，其特徵在於測量阻抗電路由一個連於開關電路的一個埠與噪音抑制電路的另一個埠之間的電感器形成，以及在於電容器與測量電阻器的串聯連接與開關電路並行地連接。
6．根據權利要求5的電路，其特徵在於在開關元件的接通和關斷期間跨越測量電阻器的過渡過程電壓由一個二極體整流，該二極體的一個端點連至測量電阻器與電容器之間的公共點，及其另一個端點通過測量電容器接地。
7．根據權利要求4-6的電路，其特徵在於或者一個分至接地點的電壓插入於測量電阻器與二極體之間，或者一個分至接地點的電壓插入於二極體與測量電容器之間。
8．根據權利要求4-7的電路，其特徵在於一個電阻器插入於二極體之前或之後。
9．根據權利要求4-8中任何一項的電路，其特徵在於測量電流送至一個適用於瞬時地將開關電路的開關元件斷開的控制電路。
10．根據權利要求4-9中任何一項的電路，其特徵在於噪音抑制電路和開關電路在一片基片上形成為一個集成單元。
11．根據權利要求10的電路，其特徵在於集成單元上的一條接通路徑形成電路的電感部件。
12．根據權利要求1-10中任何一項的方法和電路在用於音頻的D類放大器中的半橋中的使用。
13．根據權利要求1-10中任何一項的方法和電路在電源中的使用。
全文摘要
一個D類放大器的輸出級具有一個用於抑制由包括於放大器內的開關端點引起的噪音的噪音抑制電路。該噪音抑制電路包含一個連於噪音抑制電路的電源與開關元件之間的電感。一個測量電阻器和電容器的串聯連接與電感和開關元件之間的公共點連接。在電容器與測量電阻器之間連接一個電流測量電路,它在一個實施例中包含一個分壓器,一個二極體的一個端點連至分壓器端點。二極體的另一個端點連至一個測量電容器,該測量電容器提供一個正比於開關電路中電流的跨越該測量電容器的電壓。跨越測量電容器的電壓可以送至一個控制電路,該控制電路適用於在電流超過預定值時瞬時地切斷開關電路中的開關元件。電流測量電路用於在其他元件中保護D類放大器輸出級中的開關元件。
文檔編號H03K17/082GK1305659SQ9980727
公開日2001年7月25日 申請日期1999年5月11日 優先權日1998年5月11日
發明者奈爾斯·安德斯庫弗, 拉斯·裡斯博 申請人:託加塔技術有限公司