專利名稱：減少脈沖誤差失真的制作方法
技術領域：
本說明書描述ー種用于校正D類放大器中的脈沖誤差失真的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在ー個方面中，ー種放大器包括輸出電壓控制電路，包括至少兩個開關，由調(diào)制器控制；輸出電感器，將開關電路耦合到輸出端；以及校正電路，用于向調(diào)制器提供由非線性表征的校正信號，包括感測從輸出電感器到輸出端的電流的電流傳感器。校正電路還可以包括在輸入端處的電壓傳感器，耦合到校正電路。感測的電壓可以通過修改非線性的形狀來修改校正信號。開關電路可以由占空比表征，并且校 正信號可以修改占空比。校正電路可以包括用于提供校正信號的軟限幅器。在另一方面中，一種用于操作放大器的方法包括根據(jù)占空比關斷和閉合多個開關以控制向輸出端提供的電壓；測量經(jīng)過電感器去往輸出端的電流；感測經(jīng)過電感器去往輸出端的電流以提供感測的電流測量；并且基于感測的電流測量向占空比施加非線性校正信號。非線性校正信號可以響應于在輸出端處的電壓。其它特征、目的和優(yōu)點將從在與以下附圖結(jié)合閱讀時的下文具體描述中變得清
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圖1-3是D類放大器的框圖；圖4和圖6是作為平均輸出電流的函數(shù)的輸出電壓的繪圖；并且圖5是轉(zhuǎn)變速度和形狀范圍以及針對高到低轉(zhuǎn)變的所得誤差的表示。
具體實施例方式盡管可以在框圖中示出和描述附圖的若干幅圖的單元為分立単元并且可以將這些單元稱為“電路”，但是除非另有明示，可以將單元實施為模擬電路、數(shù)字電路或者執(zhí)行軟件指令的一個或者多個微處理器之一或者組合。軟件指令可以包括數(shù)字信號處理(DSP)指令。操作可以由模擬電路或者由執(zhí)行軟件(該軟件執(zhí)行與模擬運算等效的數(shù)學或者邏輯運算)的微處理器執(zhí)行。除非另有明示，可以將信號線路實施為分立模擬或者數(shù)字信號線路、實施為具有適當信號處理(該處理用于處理單獨音頻信號流)的單個分立數(shù)字信號線路或者實施為無線通信系統(tǒng)的單元?？梢栽诳驁D中描述ー些過程。在每個塊中執(zhí)行的活動可以由一個單元或者由多個單元執(zhí)行并且可以在時間上分離。執(zhí)行塊的活動的単元可以在物理上分離。除非另有明示，可以對音頻信號或者視頻信號或者二者編碼并且以數(shù)字或者模擬形式傳輸這些信號；可以未在圖中示出常規(guī)數(shù)?；蛘吣?shù)轉(zhuǎn)換器。圖I示出了 D類放大器10。Vhigh電壓源12由開關16耦合到開關節(jié)點14并且由ニ極管20耦合到節(jié)點18。V1ot電壓源22由開關24耦合到開關節(jié)點14并且由ニ極管26耦合到節(jié)點18。開關節(jié)點14可以經(jīng)過電容40 (該電容未必代表部件電容器并且可以是例如來自場效應晶體管[FET](這些FET執(zhí)行開關16和24以及ニ極管20和26的功能)的寄生電容)耦合到接地并且耦合到節(jié)點18。節(jié)點18由電感器30耦合到節(jié)點28。節(jié)點28由輸出電容器32耦合到接地并且耦合到輸出端34。輸出端34耦合到負載36。調(diào)制器38操作地耦合到開關16和24以控制開關16和24。電感器30和電容器32形成輸出濾波器。開關放大器一般利用輸出濾波器以防止開關頻率及其諧波輻射并且引起與其他設備的電磁干擾(EMI)。在操作中，開關16和24根據(jù)開關周期由調(diào)制器38閉合和關斷。開關16閉合從而經(jīng)過電感器30將負載連接到比最高所需負載電壓更高的電壓源(Vhigh) 12持續(xù)一段間隔，在該間隔結(jié)束處開關16關斷并且開關24閉合從而經(jīng)過電感器30將負載連接到比最低所需負載電壓更低的電壓源(Vlw) 22持續(xù)另一段間隔，在該點時開關24關斷并且開關16再次閉合。在負載處的電壓將平均成在Vhigh與V1ot之間與兩個開關的相対“接通”時間成比例的值。該比例(“占空比”)以產(chǎn)生所需輸出電壓為目標由調(diào)制器基本上連續(xù)變化。電感器電流(在向外方向上引用)將在開關16接通時正改變而在開關24接通時負改變并且將 平均成輸出電流而開關周期變化稱為“紋波電流”。多于大部分，紋波電流將流過輸出電容器32，并且平均電感器電流將等于負載中的電流。重要的是開關16和24未在相同時間(即使瞬間)閉合，因為兩個開關將把兩個電壓源短接在一起而具有浪費和可能災難性的結(jié)果。另ー方面，由于電感器電流不能瞬時改變，所以如果開關24未在開關16關斷之后立即閉合，電感器電流必須流過ニ極管20或者26或者流過電容器40。假設電容器40的電容可忽略不計，在一個開關關斷的瞬間并且在另一開關閉合之前，根據(jù)電感器30中的電流的極性，ニ極管20和26中的ー個或者另一二極管將導通。根據(jù)哪個ニ極管導通，在開關節(jié)點14處的電壓將保持原樣直至另ー開關接通，或者它將在另ー開關接通之前立即恢復至另ー電源電壓(稱為自換向的過程)。作為實際事項，為了保證兩個開關16和26從未在相同時間接通，有必要故意在開關關斷之后將開關接通延遲ー些時間。這一延遲稱為“停滯時間”。根據(jù)電感器電流的方向，開關節(jié)點轉(zhuǎn)變可以出現(xiàn)于開關接通時或者開關關斷吋。當負載電流低從而電感器電流在開關“接通”時間期間反向時，低-高和高-低轉(zhuǎn)變將均出現(xiàn)于開關關斷吋，并且將保留來自調(diào)制器的脈沖寬度。但是如果負載電流超過紋波電流從而電感器電流在開關周期期間未改變極性，則ー個轉(zhuǎn)變將出現(xiàn)于開關關斷時而另一個出現(xiàn)于開關接通時，并且停滯時間將修改脈沖寬度而且脈沖寬度失真出現(xiàn)。修改的占空比將造成輸出與所需輸出相差固定電壓Vdt — (Vhigh-Vlow) X Tdeadtime/Tcycletime根據(jù)輸出電流和峰紋波電流，輸出電壓誤差將是_Vdt、0或者+Vdt。由于誤差依賴于輸出電流并且一般未根據(jù)輸出電壓知道輸出電流，所以不能用前向路徑中的簡單非線性校正誤差。校正需要取用輸出電感器中的電流波形。如果用于電感器的完整電流波形可用，則校正電路可以檢查它的過零。如果電感器電流在開關周期期間跨越正和負，則無需施加校正。如果電感器電流保持正持續(xù)整個開關周期，則應當在放大器的輸入處注入將把輸出増加Vdt的校正信號，而反言之，如果電感器電流保持負，則應當注入將把輸出減少Vdt的校正信號。圖2示出了具有用于校正輸出誤差的電路的D類放大器。圖2具有脈沖誤差失真校正器45，該校正器操作地耦合輸入求和器46和電流傳感器42，該傳感器測量在輸出電感器30處的電流。在具有用于穩(wěn)定電壓回路的外電流回路的放大器中，電流傳感器42可以既如虛線47所示直接，以及經(jīng)過脈沖誤差失真校正器45耦合到輸入求和器46。圖3也示出了具有用于校正輸出誤差的電路的D類放大器。脈沖誤差失真校正器45是以軟限幅器44的形式并且接收來自電流傳感器40的輸入而且接收在節(jié)點28的電壓。在操作中，圖2的脈沖誤差失真校正器45或者圖3的軟限幅器向輸入求和器46提供校正輸出電壓誤差的信號。校正信號與向調(diào)制器40的輸入求和。下文將更具體討論校正信號。圖2的脈沖誤差失真校正器45或者圖3的軟限幅器44檢查輸出電感器30中的電流或者分別檢查輸出電感器30中的電流和在節(jié)點28處的電壓并且向調(diào)制器施加校正信號，該信號改變來自調(diào)制器的占空比命令以補償由于輸出電感器中的電流產(chǎn)生的開關占空 比誤差。如果電感器電流波形有充分帶寬可用于直接觀察它是否在開關周期期間穿過零，則該信息可以用來施加校正。如果僅平滑的電流表示可用，則仍可基于平均電流是否比正峰紋波電流更正或者比負峰紋波電流更負來施加校正。峰紋波電流依賴于輸出電壓，但是容易使用以下公式來確定它Ipeakripple — KX (Vhigh-Vout) X (Vlow+VQUt)其中K依賴于電感、電壓跨度(Vhigh-V1J和開關速率?？梢匀菀子媚M電路根據(jù)輸出電壓、與對應于平滑的輸出電流的信號相比并且施加適當校正來推導與正和負Ipeatipple對應的信號。圖4示出了在開關節(jié)點(圖I和圖2的18)電容為零時作為平均輸出電流(水平軸)的函數(shù)的輸出電壓(豎軸)的誤差。距離48代表峰峰紋波電流。在多數(shù)實例中，圖1-3的電容器40代表的在開關節(jié)點處的電容將完全不可忽略。在該情況下，當開關16關斷吋，電感器電流也可以流過電容器40。如果電感器電流極性比如使得正偏ニ極管20，則電壓仍然直至開關24接通才改變。只要開關24可以操縱大電流，則開關節(jié)點電壓將在開關24接通時快速改變。然而如果電感器電流將在開關16關斷時反偏ニ極管20，則電流將在電容器40中流動。開關節(jié)點電壓將在如下速率轉(zhuǎn)向相反電壓，該速率依賴于電感器電流的量值和電容器40呈現(xiàn)的電容量。如果開關節(jié)點電壓在開關24接通之前達到Vlow，則ニ極管26將開始導通從而將開關節(jié)點電壓保持于Vlow。但是如果開關節(jié)點電壓截至開關24接通的時間尚未達到Vlow，則開關24的接通將快速使電壓走完剩余過程。可以如圖5中所示，針對高到低轉(zhuǎn)變用圖形示出轉(zhuǎn)變速度和形狀范圍以及所得誤差。如果開關節(jié)點電壓截至開關24接通或者更早的時間達到Vlow，則完全自換向出現(xiàn)。隨著輸出電流改變，典型放大器在圖4中所示所有條件(無換向(線60)、部分自換向(線62)和完全自換向(線64))下操作。針對部分自換向中的單個轉(zhuǎn)變的誤差由下式給出Verror — IL/CSWX (Tdeadtime) /2 X Tperiod如果完全自換向出現(xiàn)，則誤差由下式給出Verror — ((Vhigh_Vlow) X (Tdeadtime) - ((Vhigh_Vlow) X CSW/IL)) /Tperiod如果未出現(xiàn)自換向，則針對該轉(zhuǎn)變的誤差實質(zhì)上為零。
脈沖區(qū)域在正和負轉(zhuǎn)變二者時損失(由圖5的陰影區(qū)域代表)，但是所得誤差的極性相反。輸出中的總誤差是來自正轉(zhuǎn)變的誤差與來自負轉(zhuǎn)變的誤差的組合，從而識別在兩個轉(zhuǎn)變處的電感器電流相差峰峰紋波電流(假設平均輸出電流很慢變化)?？傉`差比對輸出電流的形狀與先前討論的無電容條件很不同。在有電容時，凈脈沖區(qū)域失真出現(xiàn)于除了0之外的所有平均電流電平，并且誤差的大小依賴 于電流的大小。如果平均電流為零，則換向在任ー轉(zhuǎn)變同樣迅速，因為在開關關斷時的電感器電流對于任ー轉(zhuǎn)變而言具有相同量值(峰紋波電流)，因而總誤差為零。隨著平均電流變正，變負的轉(zhuǎn)變變得更快，而變正的轉(zhuǎn)變變得更慢，從而有效增加周期的下部分并且從輸出電壓的既定值減少輸出電壓。類似地，隨著電流變負，變正的轉(zhuǎn)變變得更快，從而增加輸出電壓。一旦平均電流超過峰紋波電流，一個轉(zhuǎn)變就停止從而完全自換向，因此它的時序不再受平均電流的進ー步増加所影響。另ー轉(zhuǎn)變繼續(xù)隨著電流增加而甚至更快自換向。最終，這達到如下限制，轉(zhuǎn)變在該限制如此之快以至于進ー步速度増加未明顯影響區(qū)域。在這一條件下，“損失的占空比”逼近停滯時間，并且誤差Vdt與對于切換節(jié)點電容可忽略不計的情況相同。所得非線性需要可以如圖6中所示用圖形表示的校正。圖6除了與圖4(其中在圖I和圖2的開關節(jié)點14有零電容)對照有實際電容之外與圖4相似。在圖4的曲線中，段50代表來自變負的轉(zhuǎn)變(反轉(zhuǎn))的誤差。段52代表來自變正的轉(zhuǎn)變的誤差。段54代表所需總校正，并且雙箭頭48代表峰峰紋波電流。在有開關節(jié)點電容吋，總誤差和所需校正隨著平均輸出電流平滑變化。誤差對于所有輸出電流而言幾乎線性、但是對于大電流而言在負與正Vdt之間被“壓縮”。所需校正的形狀確實有些依賴于紋波電流量并且因此依賴于輸出電壓。可以考慮輸出電流和電壓二者、使用圖3的軟限幅器44、根據(jù)圖5施加校正。但是對所需校正隨著紋波電流的變化曲線的考察掲示大致上說，校正曲線對于在輸出電壓為零時的停滯時間期間恰好足以完全自換向開關節(jié)點的峰紋波電流而言最陡。在紋波電流更多ー些時，曲線變得更平坦、但是更線性，而在脈動電流更少時，它也變得更平坦、但是更圓化。如果針對零電壓輸出的紋波電流被設置成完全自換向所需電平的約I. 5倍的電平(該電平仍將給出合理低的空閑損耗)，則所需校正在寬的輸出電壓范圍內(nèi)變得很均勻，因而可以進行按照2 : I或者3 : I或者更多比值改善失真的合理校正而完全未考慮輸出電壓，并且脈沖誤差失真校正器45足夠了。可以進行這里公開的具體裝置和技術的諸多使用和變更而未脫離發(fā)明概念。因而本發(fā)明將解釋為涵蓋這里公開的每個新穎特征和新穎特征組合并且僅由所附權(quán)利要求的精神實質(zhì)和范圍限制。
權(quán)利要求
1.ー種放大器，包括 輸出電壓控制電路，包括至少兩個開關，由調(diào)制器控制； 輸出電感器，將所述開關電路耦合到輸出端；以及 校正電路，用于向所述調(diào)制器提供由非線性表征的校正信號，包括感測從所述輸出電感器到所述輸出端的電流的電流傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的放大器，所述校正電路還包括在所述輸出端處的電壓傳感器，耦合到所述校正電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器，其中所述感測的電壓通過修改所述非線性的形狀來修改所述校正信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的放大器，其中所述開關電路由占空比表征，并且其中所述校正信號修改所述占空比。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的放大器，其中所述校正電路包括用于提供所述校正信號的軟限幅器。
6.一種用于操作放大器的方法，包括 根據(jù)占空比關斷和閉合多個開關，以控制向輸出端提供的電壓； 測量經(jīng)過電感器去往所述輸出端的電流； 感測經(jīng)過所述電感器去往所述輸出端的所述電流，以提供感測的電流測量； 基于所述感測的電流測量，向所述占空比施加非線性校正信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述非線性校正信號響應于在所述輸出端處的所述電壓。
全文摘要
一種D類放大器，包括用于向脈沖誤差失真施加非線性校正的電路。放大器包括輸出電壓控制電路，包括至少兩個開關，由調(diào)制器控制；輸出電感器，將開關電路耦合到輸出端；以及校正電路，用于向調(diào)制器提供由非線性表征的校正信號。校正電路包括感測從輸出電感器到輸出端的電流的電流傳感器。
文檔編號H03F3/217GK102792583SQ201180012279
公開日2012年11月21日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者T·希恩 申請人:伯斯有限公司