具有胳肢脈沖注入的電源的制作方法
【專利摘要】一種電源將一系列“胳肢”脈沖注入到脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器中，以誘導(dǎo)該控制器以最小開關(guān)頻率生成PWM脈沖，優(yōu)選地，該最小開關(guān)頻率是超聲波的（尤其對(duì)于音頻應(yīng)用）。開關(guān)頻率還可以被選擇或控制為使得其避免電源中的諧振。“胳肢”脈沖可以通過對(duì)PWM控制器定時(shí)的相同時(shí)鐘來計(jì)時(shí)，并且它們可以被整形，以幫助確保電源在低負(fù)載狀況期間維持某種調(diào)整。
【專利說明】具有胳肢脈沖注入的電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該公開內(nèi)容涉及開關(guān)電源。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)電源通常用于包括音頻應(yīng)用的各種應(yīng)用中。在音頻應(yīng)用中，經(jīng)常存在由電源供電的音頻放大器汲取很少功率或者不汲取功率的時(shí)候。例如，在歌曲或其他音頻渲染期間的短暫沉默使放大器汲取相對(duì)少的功率。該低負(fù)載狀況可以使開關(guān)電源以減小的頻率來切換其功率開關(guān)或者完全停止切換。該切換不好控制并且能夠引起放大器的性能中不期望的可聽偽像(audible artifact)或洞(hole)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在一個(gè)方面,一種電源使用了一種方法,該方法用于將一系列“胳肢(tickle)”脈沖注入脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器中，以誘導(dǎo)該控制器以最小開關(guān)頻率生成PWM脈沖，這對(duì)于音頻應(yīng)用優(yōu)選地是超聲波的。開關(guān)頻率還可以被選擇或控制以使得其避免電源中的諧振。
[0004]在另一方面,一種電源，包括:輸出節(jié)點(diǎn)，其傳送目標(biāo)輸出電壓到可變負(fù)載；一個(gè)或多個(gè)功率開關(guān)，其控制被傳送到輸出節(jié)點(diǎn)的功率；以及控制器，其產(chǎn)生控制功率開關(guān)的操作的一系列可變寬度脈沖，以使得輸出節(jié)點(diǎn)傳送幾乎不變的目標(biāo)輸出電壓到負(fù)載，其中控制器接收指示負(fù)載處的實(shí)際電壓與目標(biāo)電壓之間的差異的誤差信號(hào)，并且基于誤差信號(hào)至少改變被傳送到功率開關(guān)的脈沖的寬度。電源還包括生成一系列胳肢脈沖的胳肢脈沖發(fā)生器，該胳肢脈沖與被提供到控制器的誤差信號(hào)進(jìn)行組合，以使得當(dāng)負(fù)載汲取很少功率或者不汲取功率(例如，當(dāng)與負(fù)載的平均功率汲取相比時(shí)的少量功率)時(shí)，脈沖中的至少一些脈沖使控制器生成被傳送到功率開關(guān)的脈沖。
[0005]在另一方面，一種音頻系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器以及由具有胳肢脈沖發(fā)生器的PWM電源供電的音頻放大器，該胳肢脈沖發(fā)生器將一系列胳肢脈沖引入PWM控制器中，以使得控制器以最小開關(guān)頻率生成PWM脈沖，這優(yōu)選地是非可聽頻率。
[0006]實(shí)施例可以包括下列特征中的一個(gè)或多個(gè)。電源還可以包括時(shí)鐘，該時(shí)鐘提供計(jì)時(shí)信號(hào)(clocking signal)到控制器，以使得控制器能夠在某數(shù)量的時(shí)鐘脈沖——例如，偶數(shù)個(gè)(諸如每隔一個(gè)時(shí)鐘脈沖)或奇數(shù)個(gè)時(shí)鐘脈沖上生成可變寬度脈沖。相同的計(jì)時(shí)信號(hào)還可以被提供到胳肢脈沖發(fā)生器來為胳肢脈沖的生成定時(shí)。胳肢脈沖發(fā)生器可以被配置為使得其在某奇數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)脈沖上生成胳肢脈沖。其還可以被配置為使得其在某偶數(shù)個(gè)胳肢脈沖上生成胳肢脈沖，并且可以被進(jìn)一步配置為確定胳肢脈沖是否與開關(guān)時(shí)機(jī)對(duì)齊，并且如果否，則將胳肢脈沖波形移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)計(jì)時(shí)脈沖以獲得這樣的對(duì)齊。
[0007]胳肢脈沖發(fā)生器可以包括延遲單元，其例如根據(jù)計(jì)時(shí)信號(hào)來延遲胳肢脈沖的生成。可以引入該延遲以便更精確地將胳肢脈沖與PWM控制器的PWM開關(guān)時(shí)機(jī)對(duì)齊。
[0008]胳肢脈沖發(fā)生器可以生成具有任意形狀一例如，方波形狀、三角波形狀、鋸齒波形狀等的胳肢脈沖波形。其可以生成胳肢波，該胳肢波具有使誤差信號(hào)影響由胳肢脈沖觸發(fā)的PWM脈沖的寬度(從而，使能某種調(diào)整)的形狀。胳肢脈沖的形狀可以是使得它們具有快速的攻擊(fast attack)和緩慢的衰減(slow decay)(例如,胳肢脈沖當(dāng)與其下降沿相比時(shí)的快速上升沿)。胳肢脈沖可以具有線性或非線性的上升或下降斜率。
[0009]胳肢脈沖的頻率可以被選擇或控制為使PWM脈沖將以可聽開關(guān)頻率出現(xiàn)的可能性最小化。胳肢脈沖頻率還可以被選擇或控制為避免電源中的諧振。
[0010]胳肢脈沖發(fā)生器還可以隨著負(fù)載對(duì)電源的需求從低功率狀態(tài)到正常功率狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而監(jiān)測(cè)PWM開關(guān)頻率的變化。胳肢脈沖發(fā)生器可以基于由PWM控制器產(chǎn)生的PWM脈沖的頻率(或頻率的變化)來調(diào)整胳肢脈沖的形狀。胳肢脈沖發(fā)生器還可以基于由PWM控制器產(chǎn)生的PWM脈沖的頻率(或頻率的變化)來改變胳肢脈沖的頻率。胳肢脈沖發(fā)生器可以改變胳肢脈沖的形狀和/或頻率，以使PWM脈沖的頻率的變化隨著負(fù)載要求從低要求狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而引起可聽偽像的可能性最小化。
[0011]胳肢脈沖發(fā)生器可以數(shù)字地或者以模擬形式實(shí)現(xiàn)。胳肢脈沖發(fā)生器、控制器、時(shí)鐘以及功率開關(guān)(或及其組合)可以在同一硅片上數(shù)字地實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1和圖3各自是具有胳肢脈沖發(fā)生器的開關(guān)電源的框圖。
[0013]圖2是胳肢脈沖發(fā)生器的示例的框圖。
[0014]圖4、圖6、圖7和圖9是圖示具有胳肢脈沖發(fā)生器的開關(guān)電源的操作的理想化時(shí)序圖。
[0015]圖5是開關(guān)電源中功率開關(guān)和變壓器的電路圖。
[0016]圖8是胳肢脈沖整形電路的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1中所示，電源10包括胳肢脈沖發(fā)生器12，胳肢脈沖發(fā)生器12周期性地將“胳肢”信號(hào)注入脈沖寬度調(diào)制器(PWM)控制器14中，以當(dāng)電源10輕負(fù)載(例如，負(fù)載汲取電源的全功率容量的10%或更少)時(shí)觸發(fā)開關(guān)事件。PWM控制器14包括四個(gè)端子:(i)PWM輸出端子14a、(ii)電流感測(cè)輸入端子14b、(iii)時(shí)鐘輸入端子14c以及(iv)電流命令輸入端子14d。
[0018]電源10還包括交流(A/C)線路輸入16，其通過整流和濾波級(jí)18饋入并且被傳送到功率開關(guān)20。功率開關(guān)20的輸出被傳送到變壓器22并且最終被傳送到另一整流和濾波級(jí)24，在此該輸出被傳送到輸出節(jié)點(diǎn)23。輸出節(jié)點(diǎn)23被連接到可變負(fù)載26 (諸如用于揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的功率放大器)?？刂破?4操作功率開關(guān)以提供在負(fù)載處的目標(biāo)電壓(例如24V)。電壓誤差信號(hào)25 (其表示輸出節(jié)點(diǎn)23處的實(shí)際電壓與目標(biāo)電壓之間的差異)通過隔離電路28 (例如變壓器或光學(xué)隔離器)饋送到PWM控制器14的電流命令輸入端子14d。同步時(shí)鐘30生成計(jì)時(shí)信號(hào)，該計(jì)時(shí)信號(hào)既被饋送到胳肢脈沖發(fā)生器12，又被饋送到PWM控制器的時(shí)鐘輸入端子14c。
[0019]在操作中，負(fù)載26汲取來自在輸出節(jié)點(diǎn)23處提供的能量的電流，使電壓誤差信號(hào)25在幅度上增加。當(dāng)PWM控制器14感測(cè)到電壓誤差信號(hào)25的振幅已經(jīng)超過某閾值量(例如1.5V)時(shí)，其將傳送輸出脈沖以導(dǎo)“通”功率開關(guān)來將功率傳送到負(fù)載，并且將輸出節(jié)點(diǎn)23處的節(jié)點(diǎn)向上拉回到目標(biāo)輸出電壓。
[0020]PWM控制器14被同步時(shí)鐘30計(jì)時(shí)，并且通常被編程為使得其將以輸入時(shí)鐘脈沖的某最小間隔來產(chǎn)生PWM脈沖。例如，PWM控制器可以被編程為以至多每隔一個(gè)輸入時(shí)鐘脈沖來傳送輸出脈沖。從而，僅僅某些輸入時(shí)鐘脈沖呈現(xiàn)用于PWM控制器的開關(guān)時(shí)機(jī)。在每個(gè)開關(guān)時(shí)機(jī)，PWM控制器將在電流命令輸入端子14d處呈現(xiàn)的信號(hào)的電壓與預(yù)先確定的開關(guān)閾值電壓(例如1.5V)進(jìn)行比較。如果超過開關(guān)閾值電壓，則PWM控制器14在其輸出端子14a處生成PWM脈沖，從而接通功率開關(guān)。用于現(xiàn)實(shí)世界的(即，非理想化的)PWM控制器的實(shí)際PWM開關(guān)窗口通常在時(shí)鐘脈沖信號(hào)之后以小的但不可忽略的時(shí)間間隔出現(xiàn)。該時(shí)間延遲根據(jù)被選擇用于實(shí)現(xiàn)的特定PWM控制器而不同。
[0021]當(dāng)PWM脈沖被觸發(fā)時(shí)，PWM脈沖保持為“高”(保持功率開關(guān)導(dǎo)通)，直到電流感測(cè)輸入14b超過由電壓誤差信號(hào)的幅度確定的閾值，在該點(diǎn)控制器14終止脈沖并且功率開關(guān)20被斷開。該過程繼續(xù)，并且電源10提供平滑的、經(jīng)調(diào)整的功率到負(fù)載。
[0022]當(dāng)負(fù)載的功率需求暫時(shí)為低(例如，歌曲期間一段時(shí)間的沉默)時(shí)，PWM控制器14可以被配置為跳過脈沖。一些現(xiàn)成的PWM控制器(諸如由美國加利福尼亞州圣克拉拉市的National Semiconductor出售的LM5021)提供內(nèi)置的脈沖跳躍(pulse skipping)操作模式。脈沖跳躍通常通過以下步驟來完成:感測(cè)電壓誤差信號(hào)的下降以檢測(cè)輕負(fù)載狀況；以及作為回應(yīng)，以降低的平均頻率生成PWM脈沖，該降低的平均頻率獲得較低的有效占空比。通常地，該頻率降低通過以下步驟來完成:終止所有開關(guān)某段時(shí)間直到電壓誤差超過某閾值；以及在電壓誤差信號(hào)被降低某個(gè)量之后重新忙于開關(guān)，控制開關(guān)的周期，并且未通過電壓誤差信號(hào)的某滯后窗口進(jìn)行開關(guān)。然而，開關(guān)頻率可以在一些低負(fù)載狀況下被降低到可聽范圍，這在音頻應(yīng)用中是特別不期望的。而且，處于脈沖跳躍模式中的PWM控制器具有如下趨勢(shì):通過沒有脈沖的相對(duì)長的時(shí)期，緊接著的是用于帶出輸出電壓的一陣短脈沖，緊接著的是沒有脈沖的另一長時(shí)期。該操作稍微有些混亂并且還能夠生成可聽偽像。
[0023]此外，如果電源對(duì)無功負(fù)載(例如，驅(qū)動(dòng)高度無功負(fù)載的音頻放大器)，則負(fù)載將把多余功率返回給電源。這生成了過電壓狀況，導(dǎo)致電壓誤差信號(hào)變?yōu)樨?fù)值，這轉(zhuǎn)而使PWM控制器完全不產(chǎn)生脈沖。如果太多PWM脈沖被跳過，則與初級(jí)電源變壓器共享相同磁性單元的管家電源(例如，用于功率開關(guān)的PWM控制器和門驅(qū)動(dòng)電路的電源)經(jīng)歷足以造成一個(gè)或多個(gè)管家功能出故障的電壓降。這轉(zhuǎn)而可以迫使電源關(guān)閉并且然后重啟，生成電源性能中的洞(在音頻放大器的情況下，其在音頻再現(xiàn)期間生成“洞”或“退出(drop-out)”的時(shí)期)。
[0024]胳肢脈沖發(fā)生器12 (圖1中所示)的包括允許在輕負(fù)載時(shí)期期間的脈沖跳躍，但是有助于確保脈沖跳躍以更有序的、確定性的方式來完成。更特別地，胳肢脈沖發(fā)生器將一系列“胳肢”脈沖注入電壓反饋信號(hào)中，以確保PWM控制器在低負(fù)載狀況期間以可接受的頻率生成脈沖。
[0025]圖2中示出了胳肢脈沖發(fā)生器的示例。在該特定示例中，胳肢脈沖發(fā)生器32包括四個(gè)單元:時(shí)鐘分頻器32a、延遲單元32b、脈沖寬度單元32c以及脈沖形狀單元32d。到胳肢脈沖發(fā)生器32的輸入是振蕩器時(shí)鐘34，并且胳肢脈沖發(fā)生器32的輸出與電壓誤差信號(hào)38組合。該組合信號(hào)被饋送到PWM控制器的電流命令輸入端子中(圖2中未示出)。
[0026]在操作中，時(shí)鐘分頻器32a接收來自振蕩器時(shí)鐘34的輸入并且通過某一間隔(優(yōu)選地，奇數(shù)間隔(這將在下文詳細(xì)解釋))進(jìn)行分頻。因此，時(shí)鐘分頻器32a的輸出定義頻率，以該頻率生成胳肢脈沖。延遲單元32b將小延遲引入到每個(gè)胳肢脈沖，以將胳肢脈沖定位在PWM控制器的實(shí)際觸發(fā)點(diǎn)附近。(如上面所提到的，PWM控制器中的實(shí)際開關(guān)時(shí)機(jī)出現(xiàn)在時(shí)鐘脈沖之后的某一小段時(shí)間)。脈沖寬度單元32c定義每個(gè)胳肢脈沖的長度(或?qū)挾?。最后，脈沖形狀單元32d定義每個(gè)胳肢脈沖的形狀。正如下文將詳細(xì)解釋的，可以使胳肢脈沖的形狀具有快速的攻擊(即，其上升沿上陡峭的斜率)以及相對(duì)緩慢的衰減(即，其下降沿上相對(duì)輕微的斜率)。
[0027]胳肢脈沖發(fā)生器32可以進(jìn)一步通過在電源內(nèi)看待它而被理解。例如，如圖3中所示，胳肢脈沖發(fā)生器32被并入電源40，電源40包含與如圖1中所示的電源相同的單元。注意到，在該實(shí)施方式中，胳肢脈沖發(fā)生器32和PWM控制器14共享相同的同步時(shí)鐘一即，時(shí)鐘30。
[0028]圖4圖示了在圖3中所示的電源40內(nèi)在低負(fù)載狀況下生成的下列信號(hào)的理想化時(shí)序圖:
[0029]A行:同步時(shí)鐘30的輸出波形；
[0030]B行:胳肢脈沖寬度單元32c的輸出波形；
[0031]C行:到至PWM控制器14的電流命令輸入14d的輸入波形(其是電壓誤差信號(hào)25與胳肢脈沖發(fā)生器32的輸出之和)；以及
[0032]D行:PWM控制器14的PWM輸出端子14a的輸出波形。
[0033]圖4中的時(shí)序圖圖示了由同步時(shí)鐘30產(chǎn)生的九個(gè)時(shí)鐘脈沖(這些時(shí)鐘脈沖在A行中被標(biāo)記為1-9)。正如開關(guān)電源中常見的，輸入時(shí)鐘被二分頻，以確保50%的最大占空比。因此，PWM脈沖時(shí)機(jī)在每隔一個(gè)時(shí)鐘脈沖可用——在圖4上，這些PWM脈沖時(shí)機(jī)在時(shí)鐘脈沖
1、3、5、7和9處被標(biāo)以“X”。該示例假設(shè)PWM控制器的開關(guān)時(shí)機(jī)出現(xiàn)在時(shí)鐘脈沖的前沿之后不久。(在其他實(shí)施方式中，PWM控制器可以被編程為使得開關(guān)時(shí)機(jī)出現(xiàn)在時(shí)鐘脈沖的下降沿處或附近。)
[0034]胳肢脈沖發(fā)生器32接收來自同步時(shí)鐘的計(jì)時(shí)信號(hào)，并且在圖3的時(shí)鐘分頻器模塊32a中通過因數(shù)3將計(jì)時(shí)信號(hào)分頻。延遲單元32b和脈沖寬度單元32c定義每個(gè)胳肢脈沖的起始時(shí)間。因此，胳肢脈沖發(fā)生器32被定速為在每第三時(shí)鐘脈沖之后不久生成胳肢脈沖(即，圖4中的時(shí)鐘脈沖1、4和7)。
[0035]方波胳肢脈沖信號(hào)(圖4中的B行)被饋送到圖3中的胳肢脈沖形狀單元32d中，以產(chǎn)生具有快速的攻擊和相對(duì)緩慢的衰減的被脈沖整形的波形。胳肢形狀單元32d的輸出與電壓誤差信號(hào)進(jìn)行組合，以產(chǎn)生圖4的C行中所示的波形。電壓誤差信號(hào)和胳肢脈沖發(fā)生器的組合被輸入到PWM控制器的電流命令輸入端子14d中，并且使PWM控制器以固定間隔一在這種情況下，以每六個(gè)時(shí)鐘脈沖(圖4的D行中所示的脈沖I和7)來生成PWM脈沖。
[0036]注意到，在圖3和圖4中圖示的示例中，以奇數(shù)增量的時(shí)鐘脈沖生成胳肢脈沖是有利的。由于胳肢脈沖發(fā)生器和PWM控制器參考相同的時(shí)鐘信號(hào)，并且PWM控制器被編程為以不超過每隔一個(gè)時(shí)鐘脈沖來生成PWM脈沖，所以選擇奇數(shù)增量來生成胳肢脈沖確保了每隔一個(gè)胳肢脈沖位于可能觸發(fā)PWM脈沖的時(shí)刻，而其他胳肢脈沖將位于具有影響PWM脈沖生成的低可能性的時(shí)刻。如果胳肢脈沖發(fā)生器被定時(shí)為在某偶數(shù)增量的時(shí)鐘脈沖上生成胳肢脈沖，則存在胳肢脈沖將決不會(huì)與PWM脈沖時(shí)機(jī)(pulsing opportunity)對(duì)齊的可能性。例如，如果胳肢脈沖發(fā)生器以每隔一個(gè)時(shí)鐘脈沖生成胳肢脈沖(類似于PWM控制器)，則低負(fù)載狀況可能在一個(gè)時(shí)間出現(xiàn)，以使得在不存在PWM開關(guān)時(shí)機(jī)的時(shí)候生成胳肢脈沖(即，圖4中的時(shí)鐘脈沖2、4、6、8等)。在這種情況下，胳肢脈沖的影響是輕微的，并且不觸發(fā)任何PWM脈沖的情況仍然存在。然而，一些實(shí)施方式可以在偶數(shù)個(gè)同步時(shí)鐘周期上生成胳肢脈沖。然而，在這樣的系統(tǒng)中，優(yōu)選使用一種用于確保胳肢脈沖與PWM開關(guān)時(shí)機(jī)對(duì)齊的技術(shù)(例如，檢測(cè)胳肢脈沖是否在開關(guān)時(shí)機(jī)附近，如果沒有，則將額外的時(shí)鐘脈沖注入到胳肢脈沖分頻器單元中，以將胳肢脈沖波形與PWM開關(guān)時(shí)機(jī)對(duì)齊。)
[0037]在任何情況下，胳肢脈沖的頻率可以被選擇為避免開關(guān)頻率落入可聽范圍內(nèi)。例如，胳肢脈沖頻率可以被選擇為使得其高于20，OOOHz。同樣地，開關(guān)頻率可以被選擇為確?？缱儔浩鞯淖銐虻碾妷赫{(diào)整，以防止管家功能出故障。
[0038]可以影響胳肢脈沖的頻率的選擇的另一因素是存在于電源內(nèi)的諧振。通常要避免這些諧振以便使損耗最小化。例如，考慮圖5中所示的電路圖，其示出了以半橋配置耦合到變壓器55的一對(duì)功率開關(guān)53a、53b。電容器51位于功率開關(guān)與變壓器的初級(jí)繞組之間。當(dāng)由PWM控制器提供的PWM脈沖變?yōu)椤案摺睍r(shí)，導(dǎo)通開關(guān)53a并且斷開開關(guān)53b，這使電流流過電容器51并且流過變壓器55的初級(jí)繞組。當(dāng)PWM脈沖變?yōu)椤暗汀睍r(shí)，斷開開關(guān)53a并且導(dǎo)通開關(guān)53b，這使電流在變壓器的初級(jí)繞組與電容器51之間來回流動(dòng)。因此，電容器和初級(jí)繞組形成儲(chǔ)能電路(tank circuit),并且儲(chǔ)能電流可以隨著能量在這些單元之間流動(dòng)而形成。儲(chǔ)能電路在下面的頻率處具有已知的諧振:
[0039]f=l/[2Ji ((LC)~ 1/2)]，其中L是變壓器55的初級(jí)繞組的等效電感，并且C是電容器51的電容。
[0040]胳肢脈沖的頻率可以被選擇為避免該諧振(以及存在于電源中的其他諧振)。通過避免這些諧振，減少了在電容器和初級(jí)繞組之間流動(dòng)的儲(chǔ)能電流的幅度，其轉(zhuǎn)而減少在儲(chǔ)能電路中經(jīng)歷的阻性損耗。
[0041]在一些實(shí)施方式中，胳肢脈沖可以是簡單的方波。然而，使用經(jīng)整形的胳肢脈沖波通過使生成的PWM脈沖的寬度取決于電壓誤差信號(hào)而提供某種好處。這幫助放大器在低負(fù)載狀況下維持某種電壓調(diào)整。
[0042]例如，對(duì)于圖3中所示的電源，考慮圖6中所示的該組理想化時(shí)序圖。A行示出了由同步時(shí)鐘30 (圖3中所示)輸出的一系列時(shí)鐘脈沖。時(shí)序圖的B行示出了三種重疊的信號(hào):(i )具有零電壓誤差信號(hào)的方形胳肢脈沖波(以實(shí)線示出的信號(hào)52 ) ; (i i )具有2伏特電壓誤差信號(hào)的方形胳肢脈沖波(以粗虛線示出的信號(hào)54);以及(iii)電流感測(cè)信號(hào)(以點(diǎn)劃線示出的信號(hào)56)。因?yàn)殡妷赫`差信號(hào)相對(duì)于PWM開關(guān)緩慢地變化，所以電壓誤差信號(hào)表現(xiàn)為對(duì)胳肢脈沖波的DC偏置——如圖6中所示，2伏特的電壓誤差信號(hào)將整個(gè)胳肢脈沖波形提高了 2伏特。電流感測(cè)信號(hào)56表示流過功率開關(guān)20 (圖3中所示)的電流。當(dāng)PWM脈沖變?yōu)楦邥r(shí)，導(dǎo)通功率開關(guān)并且電流開始流動(dòng)。當(dāng)端子14b處的電流感測(cè)信號(hào)與PWM控制器的端子14d處存在的電壓誤差信號(hào)相交時(shí)，PWM控制器14 (圖3中所示)終止PWM脈沖。通過使用方波胳肢脈沖(信號(hào)52或54)，PWM脈沖的寬度不受電壓誤差信號(hào)(被近似為DC偏置)影響。
[0043]然而，通過將胳肢脈沖信號(hào)整形為具有快速的攻擊和緩慢的衰減的脈沖串，電壓誤差信號(hào)影響PWM脈沖的寬度，并且某種電壓調(diào)整發(fā)生了。例如，對(duì)于圖3中所示的放大器，考慮圖7中所示的該組理想化時(shí)序圖。在這種情況下，使用經(jīng)整形的胳肢脈沖波。特別地，胳肢脈沖信號(hào)62具有由一系列具有快速的攻擊和相對(duì)緩慢的衰減的脈沖組成的胳肢脈沖串。注意到，在第一胳肢脈沖和第三胳肢脈沖之間，信號(hào)62經(jīng)歷了來自電壓誤差反饋信號(hào)的2伏特DC偏置，將胳肢脈沖信號(hào)62提高了 2伏特。因?yàn)楦熘}沖被整形，所以電壓誤差信號(hào)影響“被胳肢”的PWM脈沖的寬度。尤其是，第一胳肢脈沖62a具有大致零伏特的DC偏置并且生成具有脈沖寬度dl的PWM脈沖。第三胳肢脈沖62c具有大致2伏特的DC偏置并且生成具有寬度d2的PWM脈沖，d2大于dl。這是因?yàn)楫?dāng)DC偏置存在時(shí)，電流感測(cè)信號(hào)64與胳肢脈沖信號(hào)62相交要花較長時(shí)間。因此，當(dāng)胳肢脈沖信號(hào)觸發(fā)周期性的PWM脈沖時(shí)，即使在低負(fù)載時(shí)期，放大器繼續(xù)某種電壓調(diào)整。
[0044]圖8圖示了可以用來生成經(jīng)整形的胳肢脈沖的電路的示例。如同所示，胳肢脈沖電路接收來自振蕩器時(shí)鐘74的計(jì)時(shí)信號(hào)，應(yīng)用時(shí)鐘分頻器72a、延遲72b以及脈沖寬度單元72c。這四個(gè)單元(74，72a-72c)共同地產(chǎn)生被饋送到整形電路76中的方波脈沖串。整形電路76由與電容器Cl串聯(lián)的兩個(gè)電阻器R1、R2組成。二極管Dl與電阻器R2并聯(lián)。整形電路76的輸出被連接到R-C電路79，該R-C電路是反饋補(bǔ)償回路的一部分。電壓誤差信號(hào)77 (其通常是電流信號(hào))被饋送到整形電路76與R-C電路79之間的節(jié)點(diǎn)中。R-C電路79的輸出被連接到PWM控制器78的電流命令輸入端子。
[0045]在高頻處(例如，在每個(gè)方形脈沖的上升沿附近)，電流將流過二極管D1，對(duì)電阻器R2進(jìn)行旁路并且經(jīng)由電容器Cl對(duì)電容器C2充電。這生成了在方波的上升沿附近的快速的攻擊。隨著輸入方波變?yōu)榈停娙萜鰿2放電，生成緩慢的衰減。注意到，胳肢脈沖的尾部引起某種調(diào)整。在一些實(shí)施方式中，胳肢脈沖的尾部的形狀可以是固定的，并且調(diào)整僅通過根據(jù)電壓誤差信號(hào)(這是圖7中所示出的)提高(或降低)胳肢脈沖波形來發(fā)生。在其他實(shí)施方式中，尾部的衰減還可以根據(jù)電壓誤差信號(hào)的幅度來變化。注意到，尾部的衰減與對(duì)應(yīng)的PWM脈沖的寬度之間存在反向關(guān)系——相對(duì)衰減較快速的尾部，具有衰減較緩慢的尾部的胳肢脈沖將產(chǎn)生較寬的PWM脈沖。如果胳肢脈沖具有衰減太緩慢的尾部，則其在意外的時(shí)間冒險(xiǎn)觸發(fā)PWM脈沖。例如，如果圖7的B行中所示的胳肢脈沖波形的尾部衰減得非常緩慢，則存在其可以處于足夠高的電壓電平來在對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘脈沖5 (圖7的A行中所示)的開關(guān)時(shí)機(jī)觸發(fā)PWM脈沖的可能性。因此，胳肢脈沖的形狀(尤其以及其尾部)應(yīng)該被選擇為使得其當(dāng)PWM脈沖被觸發(fā)時(shí)允許某種調(diào)整，但是還應(yīng)該進(jìn)行整形以便避免在意外的時(shí)間觸發(fā)PWM脈沖。
[0046]胳肢脈沖在意外的時(shí)間觸發(fā)PWM脈沖的風(fēng)險(xiǎn)隨著電源從低負(fù)載狀態(tài)中轉(zhuǎn)變出來而增加。特別地，隨著負(fù)載需求的增加，電壓誤差信號(hào)也增加。上升的電壓誤差信號(hào)引起出現(xiàn)在PWM控制器的電流命令輸入端子處的信號(hào)的相應(yīng)上升。而且，在其中胳肢脈沖的尾部受電壓誤差信號(hào)影響的實(shí)施方式中，電壓誤差信號(hào)的上升可以使尾部的斜率減小。由上升的電壓誤差信號(hào)引起的這些狀況中的任何一個(gè)生成胳肢脈沖的尾部在意外的開關(guān)時(shí)機(jī)冒險(xiǎn)觸發(fā)PWM脈沖的情況。例如，對(duì)于在該示例中除了胳肢脈沖被整形為三角波(而非脈沖)外與圖1中所示的電源相同的電源，考慮圖9中所示的理想化時(shí)序圖。PWM控制器由圖9的A行中所示的計(jì)時(shí)波形進(jìn)行計(jì)時(shí)，并且其被編程為在每隔一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿之后的短時(shí)間內(nèi)(即，在圖9中的脈沖1、3、5和7的上升沿附近)具有開關(guān)時(shí)機(jī)。B行圖示了到至PWM控制器的電流命令輸入的輸入。虛線90表示用于PWM脈沖的閾值電壓。換句話說，如果PWM控制器14 (圖1中所示)檢測(cè)到在開關(guān)時(shí)機(jī)處(即，在時(shí)鐘脈沖1、3、5和7的上升沿附近)高于閾值電壓90的電壓，則PWM控制器將生成PWM脈沖。該系統(tǒng)在每第三時(shí)鐘周期處生成胳肢脈沖92a-92c——S卩，時(shí)鐘脈沖1、4和7。在第一時(shí)鐘脈沖和第七時(shí)鐘脈沖處生成的第一胳肢脈沖92a和第三胳肢脈沖92c觸發(fā)對(duì)應(yīng)的PWM脈沖94a、94c (圖9的C行中所示)。然而，電壓誤差信號(hào)已經(jīng)提高了電流命令輸入的電壓水平，以使得第二胳肢脈沖92b的尾部在第五時(shí)鐘脈沖處呈現(xiàn)的開關(guān)時(shí)機(jī)處高于閾值90，并且生成對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)94b。這生成一種狀態(tài)，其中PWM控制器正在兩個(gè)胳肢脈沖頻率之間跳躍(在這種情況下，一些PWM脈沖在每第六時(shí)鐘脈沖處出現(xiàn)，而其他PWM脈沖在每第四時(shí)鐘脈沖處出現(xiàn))。開關(guān)頻率之間的該跳躍可能是混亂的并且生成可聽偽像。對(duì)該問題的解決方案是監(jiān)測(cè)由胳肢脈沖觸發(fā)的PWM脈沖，并且如果PWM控制器開始在開關(guān)頻率之間跳躍，則系統(tǒng)可以調(diào)整胳肢脈沖的形狀，以在目前的頻率處激發(fā)P麗脈沖。備選地(或者除調(diào)整形狀以外)，系統(tǒng)可以調(diào)整胳肢脈沖的頻率。在圖9中所示的示例中，系統(tǒng)將切換到在每第四時(shí)鐘脈沖(而非在每第六時(shí)鐘脈沖)處激發(fā)PWM脈沖的胳肢脈沖波形。如果這引起輸出電壓的過多增加，則電壓誤差仍然能夠減少電流命令并且返回到較低的開關(guān)頻率。此時(shí)，胳肢脈沖形狀被調(diào)整為在該頻率激發(fā)脈沖。這消除了頻率之間以可聽速率的交替變化。雖然該解決方案可以使用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，但是該解決方案尤其非常適合于數(shù)字實(shí)施方式。
[0047]雖然圖6中圖示的示例示出了具有方波的胳肢脈沖波形，但是圖4和圖7示出了具有脈沖形狀的胳肢脈沖波形，而圖9示出了三角形，其他實(shí)施方式可以使用其他已知的整形電路或技術(shù)來產(chǎn)生各種其他形狀(例如，鋸齒波、具有線性滾降的波、具有指數(shù)滾降的波等)的波形。如上所述，具有快速的攻擊和相對(duì)緩慢的衰減的波形比方波形具有某種優(yōu)勢(shì)。
[0048]已經(jīng)描述了許多實(shí)施方式。然而，將要認(rèn)識(shí)到，可以做出附加的修改而不背離本文所描述的發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍。例如，以不同的“方框”在以上實(shí)施例中闡明了單元，但是其他實(shí)施方式可以將兩個(gè)或更多個(gè)“方框”組合成單一的物理組件。同樣地，使用模擬電路(例如，圖5和圖8)闡明了一些實(shí)施例，但是可以例如使用微控制器數(shù)字地實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。事實(shí)上，數(shù)字實(shí)施方式比模擬實(shí)施方式可以提供一些優(yōu)勢(shì)，包括:以更加確定性的方式在開關(guān)頻率之間跳躍的更好的能力；通過在任何音頻帶頻率之外的跳頻，更好地處理從空閑到某負(fù)載的轉(zhuǎn)變；代替(或除了)脈沖形狀作為附加調(diào)整手段來改變胳肢脈沖寬度的能力；以及監(jiān)測(cè)過電壓狀況，并且在過電壓變得過度的情況下調(diào)整開關(guān)頻率。另外，上述系統(tǒng)可以在許多應(yīng)用中起作用，并且尤其非常適合于用于處理無功負(fù)載和可以處理不精確的功率調(diào)整的負(fù)載的應(yīng)用。非常適合于上述系統(tǒng)的類型的應(yīng)用的示例包括音頻放大和電池充電器(其在接近充電周期的末端經(jīng)歷輕負(fù)載)。因此，其他實(shí)施例在下列權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電源,包括: 輸出節(jié)點(diǎn)，其被配置為傳送目標(biāo)輸出電壓到可變負(fù)載； 一個(gè)或多個(gè)功率開關(guān)，其控制被傳送到所述輸出節(jié)點(diǎn)的功率； 控制器，其被配置為產(chǎn)生控制所述功率開關(guān)的操作的一系列可變寬度脈沖，以使得所述輸出節(jié)點(diǎn)傳送幾乎不變的目標(biāo)輸出電壓到所述負(fù)載，其中所述控制器被配置為接收指示所述負(fù)載處的實(shí)際電壓與所述目標(biāo)電壓之間的差異的誤差信號(hào)，并且基于所述誤差信號(hào)至少改變被傳送到所述功率開關(guān)的所述脈沖的寬度； 胳肢脈沖發(fā)生器，被配置為生成一系列胳肢脈沖，所述胳肢脈沖與被提供到所述控制器的所述誤差信號(hào)進(jìn)行組合，其中當(dāng)所述負(fù)載基本上不汲取功率時(shí)，所述脈沖中的至少一些脈沖使所述控制器生成被傳送到所述功率開關(guān)的脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，進(jìn)一步包括時(shí)鐘，所述時(shí)鐘提供計(jì)時(shí)信號(hào)到所述控制器，其中所述控制器被配置為使得所述控制器能夠在被提供到所述控制器的偶數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)上生成可變寬度脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電源，其中所述控制器被配置為使得所述控制器能夠在被提供到所述控制器的每隔一個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)上生成可變寬度脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電源，其中所述計(jì)時(shí)信號(hào)還被提供到所述胳肢脈沖發(fā)生器來為胳肢脈沖的生成定時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為使得所述胳肢脈沖發(fā)生器在奇數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)上生成所述胳肢脈沖發(fā)生器的一系列胳肢脈沖。`
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為使得所述胳肢脈沖發(fā)生器在偶數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)上生成所述胳肢脈沖發(fā)生器的一系列胳肢脈沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器進(jìn)一步包括延遲單元，所述延遲單元在所述計(jì)時(shí)信號(hào)中的脈沖與由所述計(jì)時(shí)信號(hào)的所述脈沖觸發(fā)的胳肢脈沖之間引入時(shí)間延遲。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為生成大致整形為方波的一系列胳肢脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為生成大致整形為三角波的一系列胳肢脈沖。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源，其中所述胳肢脈沖具有快速的前沿和相對(duì)緩慢的后沿。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其中由所述控制器響應(yīng)于所述一系列胳肢脈沖而產(chǎn)生的所述可變寬度脈沖的所述寬度基于所述幅度電壓誤差信號(hào)和所述胳肢脈沖的形狀這兩者。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器進(jìn)一步被配置為監(jiān)測(cè)由所述控制器產(chǎn)生的可變寬度脈沖的頻率的變化。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器隨著所述負(fù)載從基本上不汲取功率到汲取增長的功率的轉(zhuǎn)變而監(jiān)測(cè)可變寬度脈沖的所述頻率的變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電源，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器基于由所述控制器產(chǎn)生的所述可變寬度脈沖的頻率的變化而改變所述一系列胳肢脈沖的頻率。
15.—種音頻系統(tǒng),包括: 音頻放大器，其被配置為對(duì)一個(gè)或多個(gè)音頻換能器供電； 電源，其被配置為傳送目標(biāo)輸出電壓到所述音頻放大器，其中所述電源包括: 一個(gè)或多個(gè)功率開關(guān)，其控制被傳送到所述音頻放大器的功率； 控制器，其被配置為產(chǎn)生控制所述功率開關(guān)的操作的一系列可變寬度脈沖，以使得所述電源傳送新的不變的目標(biāo)輸出電壓到所述音頻放大器，其中所述控制器被配置為接收指示所述音頻放大器處的實(shí)際電壓與所述目標(biāo)電壓之間的差異的誤差信號(hào)，并且基于所述誤差信號(hào)至少改變被傳送到所述功率開關(guān)的所述脈沖的寬度； 胳肢脈沖發(fā)生器，其被配置為生成一系列胳肢脈沖，所述胳肢脈沖與被提供到所述控制器的所述誤差信號(hào)進(jìn)行組合，其中當(dāng)所述音頻放大器基本上不汲取功率時(shí)，所述胳肢脈沖中的至少一些胳肢脈沖使所述控制器生成被傳送到所述功率開關(guān)的脈沖。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的音頻系統(tǒng)，其中所述電源進(jìn)一步包括時(shí)鐘，所述時(shí)鐘提供計(jì)時(shí)信號(hào)到所述控制器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的音頻系統(tǒng)，其中所述控制器被配置為使得所述控制器能夠在被提供到所述控制器的偶數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)上生成可變寬度脈沖。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的音頻系統(tǒng)，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為在由所述時(shí)鐘提供的多個(gè)所述計(jì)時(shí)信號(hào)上生成所述胳肢脈沖發(fā)生器的胳肢脈沖。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所 述的音頻系統(tǒng)，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為在由所述時(shí)鐘提供的奇數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)上生成所述胳肢脈沖發(fā)生器的胳肢脈沖。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的音頻系統(tǒng)，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為在由所述時(shí)鐘提供的偶數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)上生成所述胳肢脈沖發(fā)生器的胳肢脈沖。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的音頻系統(tǒng)，其中所述胳肢脈沖發(fā)生器被配置為對(duì)所述胳肢脈沖發(fā)生器的胳肢脈沖進(jìn)行整形，以具有快速的攻擊和相對(duì)緩慢的衰減。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的音頻系統(tǒng)，其中使用一個(gè)或多個(gè)數(shù)字組件來實(shí)現(xiàn)所述胳肢脈沖發(fā)生器。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的音頻系統(tǒng)，其中使用模擬組件來實(shí)現(xiàn)所述胳肢脈沖發(fā)生器。
24.一種用于在具有可變開關(guān)頻率的脈沖寬度調(diào)制(PWM)電源中控制開關(guān)的方法，所述方法包括: 獲得電壓誤差信號(hào)，所述電壓誤差信號(hào)表示目標(biāo)電壓與被提供到負(fù)載的所述電源的實(shí)際輸出電壓之間的差異； 生成胳肢脈沖，所述胳肢脈沖與PWM控制器的開關(guān)時(shí)機(jī)進(jìn)行同步； 將所述胳肢脈沖與所述電壓誤差信號(hào)進(jìn)行組合以形成組合信號(hào)；以及將所述組合信號(hào)應(yīng)用到所述PWM控制器的控制輸入，以控制所述PWM控制器的最小開關(guān)頻率。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中生成胳肢脈沖包括: 通過預(yù)定的因數(shù)對(duì)振蕩器時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，以提供經(jīng)分頻的脈沖信號(hào)； 將延遲加到所述脈沖信號(hào)，以將所述脈沖信號(hào)與所述PWM控制器的所述開關(guān)時(shí)機(jī)進(jìn)行同步；以及對(duì)所述脈沖信號(hào)進(jìn)行整形以獲得具有較長衰減的脈沖，同時(shí)保持快速的攻擊，以形成所述胳肢脈沖信號(hào)。`
【文檔編號(hào)】H03F3/20GK103534939SQ201280023341
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月6日
【發(fā)明者】K·B·德爾帕帕, M·紐斯鮑姆, A·費(fèi)倫茲 申請(qǐng)人:伯斯有限公司