专利名称：转换器的驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及转换器，例如扬声器的转换器，特别涉及用来驱动转换器的装置，特别是压电的或其它电容性的转换器。
背景技术：
材料技术的发展已经在音频和相关应用里提供使用愈来愈多如压电式之类的“电压驱动”转换器。这些转换器有提供具主导性的电容性负荷至驱动放大器的趋向，因此，需要预防不稳定性或过度的高频电流。具有等级B及等级AB式放大器的高电容性负荷的使用也因这种负荷的低电源因素而导致非常低的效率。本发明提供一种新方法以趋动这种装置，并提供安全且非常有效率的电源转换器。
发明内容
根据本发明，提供了一种电容性转换器的驱动器，包括一用来接收输入信号的信号输入端，用来接收电源的电源输入端，一连接至输出端的输出电感，一具有至少一个连接于该电源输入端与该输出电感之间的切换器的切换输出级，一依据该输入信号以控制该切换输出级的调制器，一用来感测经由该输出电感所提供的输出电流的电流感测器，以及一经由该调制器将该感测到的输出电流负返馈的负返馈回路。
切换放大器可以有效率地驱动一个电容性转换器。
电流驱动输出可以大幅地减少该输出电感与电容性负荷所造成的共振问题。
该电流驱动输出可以提供该转换器的自然性平等化特性(naturalequalisation)。
特殊应用集成电路(ASIC)可以将上述所有装置整合成一方便的元件。
该切换输出级可以包括两个推挽式晶体管对，每一对皆经由相应的输出电感连接至相应的输出端。此电容性转换器可以耦合于该输出端之间。为了稳定输出，可将另外的电容连接于该输出端之间以减轻电路上该电容性转换器的变化或漂移所造成的影响。
切换放大器技术如等级D对于音频电源放大器的应用已广为人知。通过减少放大器电路(主要是输出级)的消耗电源而得到效率，其输出装置的运作以切换器而不是线性电阻元件的方式。传统非切换放大器的效率在负荷趋近纯阻抗的负荷时会降到零；在这些条件下，切换放大器因而比较适合而能维持高运作效率。
使用切换器放大器的电感性负荷驱动会显得相对直接，因为需要某些数量的电感以将切换放大器输出整合成平滑的电流波形。若需要，可单纯地增加更多的电感。
驱动电容性负荷显得较有价值，因为输出电感会与有效的负荷电容产生共振。在实际的应用中，发现此共振的Q因子通常远大于1且在工作区域频率上限处有下降的趋势。在使用开路或闭路电压驱动时，必须小心不要使得LC组合共振，此时高的Q因子会导致严重的电压放大(加在电感及其负荷上)以及流经放大器输出的大电流。增加电阻串可以降低Q因子，但也会大幅减少效率。
根据本发明的其他技术，将切换放大器如受控电流源一般运作，在工作(音频)频带内大幅而有效率地增加其输出阻抗。该电感与电容(LC)组合的Q因子可因而降低以提供安全的运作。其副作用为，此电容性负荷的电流源驱动提供一个随着频率增加而趋近于6dB/八进位(octave)的自然滚抹(naturalroll-off)。这在某些情况下是需要的，因为配合此转换器有平化上升响应的趋向，而在音频使用上产生较广的工作频宽。若需要修正响应，可以在放大器级之前主动地或被动地提供进一步平衡。
放大器输出级的切换频率可以大幅地高过由输出电感与电容构成的LC组合所形成的共振频率。然后，此高阻抗(电流)输出延展至足够高的频率以降低电路的Q因子而不导致回路不稳定。
本发明也包括一种驱动电容性转换器的方法，包括提供一输入信号，使用切换器产生一由该输入信号所控制的切换输出信号，经由一输出电感输出该切换输出信号，经由该输出电感驱动该电容性转换器，感测通过该输出电感的输出电流以及返馈该感测到的输出电流以提供负返馈。
现在，通过举例，参照附图，描述本发明的特殊具体实施例，其中图1表示根据本发明装置的方块图，以及图2(含图2a及图2b)表示详细的电路图。
具体实施例方式
一般而言，信号会流经输入端1，低通滤波器3，以及高通滤波器5而至错误放大器7。此错误放大器7有一个正输入端子9，一个负输入端子11以及一个输出端子13。该高通滤波器5的输出会输入至该错误放大器7的正输入端子9。
该错误放大器的输出端子13连接至调制器17，该调制器17也接收来自时脉器15的时脉信号。该调制器17趋动一个切换输出级21。该切换输出级包括至少一个连接于电源供应输入19与输出电感25之间的切换器22；该至少一个切换器22由该调制器17所控制。
该输出电感25的输出通过电容性转换器27而至接地29。
电流感测器23感测流经该输出电感25和该电容性转换器27的输出电流并将代表该感测到的电流信号返馈至该错误放大器7的负端子11。
选择低通滤波器3乃基于使用需要观察奈快斯特(Nyquist)标准的切换放大器技术，整个系统是一个取样数据系统。该低通滤波器有一个切断(cut-off)频率，该频率通常远低于fs/2(其中fs是时脉器15的时脉频率)而使输入端免于杂讯的干扰。该滤波器可用来限制所需的音频频宽并且应该有好的超频剔除(out-of-band rejection)。
由于电容性负荷的电流源驱动，负荷两端的电压会随着频率递减而以6dB/octave上升。因此，用来限制低频延展的高通滤波器5包括在内。该高通滤波器在低于高通切断频率处至少有6dB/octave的斜率并且可能达到至少12dB/octave。净空高度(head room)可因此达到最大。
该错误放大器7为该电流输出系统的核心。该输出电流由感测器23取样并与输入端9比较，因而将放大器转换成转换阻抗(transconductance)运作。回路增益和补偿设定应该小心以确保时脉频率/输出级供给电压/负荷电容值等等的稳定性。
由此论点，模拟信号根据所选择的架构由调制器17转换成切换波形。可用不同方法能实现且简单，自然地取样，等级D运作顺利并容易产生。实际上，该切换波形可由专用的集成电路所产生。通常需要某一等级的磁滞现象且其大小可与整体调谐失真(THD)的增加反向而达到平衡，特别是在靠近夹定的位准(near-clip levels)。过少，不稳定性会发生。
该切换输出级21可以包括一个单端切换推挽式电路。为了维持低THD，该输出波形应该使用快速转变来清除。可使用(如图2的电路)桥系(bridge-tied)输出以增加可用的电压翼(voltage swing)。然后需要两个电感和负荷端与接地之间的电容以使零星杂讯最小。大部分目前所知的电容性转换器需要有相当大的电压来自电源供应器19以驱动这些转换器并使之达到完全的效能。一般而言，输出级可使基本压电材质切换至高达50V并对其它材质切换至更高的电压。然而，使用切换放大器技术会使电源消耗非常的低。这使得使用小型电压递增反向器将所需的数mA级电源供给至输出级变得可行。虽然更多的电流一般会流经输出级和负荷，其相关的电能会在电源供应器去耦电容器与输出元件之间简单地来回移动。此过程使得切换放大器变的如此有效，在不需要高供应电流的情况下产生高输出电流。
电流感测可用任何方便的方式来完成。特别的是，可以感测跨过低阻抗电阻，如(1Ω)的电压。
输出电感25电感值的选择乃共振频率与切换电流量之间的折衷。较小值将共振频率推出工作频带之外，但也在切换频率时导致较高的波纹电流。电感与输出切换装置两者内所增加的电流所导致的耗损会因而增加。然而，由于送至供给去耦电容的电能回复，大部分额外的输出电流无法经由电源供应器直接得知。
该负荷也应注意。经由转换器内的机械共振通常会产生负荷阻抗内的不规则现象。一般而言虽然很小，为了使频率响应上的影响最小化，可以跨过输出端连接额外的电容，因而更接近理想负荷。在此处增加一个主要的(dominant)电容也能使放大器大幅免于因改变转换器而造成的影响。然而，必须注意勿在工作区内大幅减少输出电感25与电容所构成的LC共振频率，因为LC低通滤波器的动作会使输出电压功能在共振频率上快速地减少。
已经确定可以将放大器所需的所有电路组合在特殊应用集成电路上。工作于100V之上的输出级能够放在相同的元件封装内。因此，有可能使用一个IC及少量的被动元件完成一个非常小巧的放大器设计。提供一种单一5V供应器以及由内建电源供应电子(electronics)提供较高的输出级电压。使用具有供给50V工艺的元件，在有桥系输出下，有可能产生高达+/-45V的低失真输出翼(swing)。在电路板上，滤波器规划为小量的外部式被动元件且回路补偿也由类似的方法做成。元件的应用很多且不同。
图2表示电容性转换器驱动电路的完整元件图。输入端1是头戴式耳机托座SK102(应为＝＞SK101)。其通过第一运算放大器，IC102C，以及使该运算放大器变成高通滤波器5的周围元件馈送信号。然后输进作为低通滤波器3的第二运算放大器IC102D。来自该高通滤波器的输出接着输进错误放大器7IC103B。该错误放大器7与横跨此放大器的电容提供一些整合电容以平滑其输出的波动。该错误放大器以切换控制器的型式输进已商业化的调制器17，即IC101，为HIP 4080A。该IC的输出驱动切换输出级21，包括四个场效晶体管22 FET 102，FET 101，FET 104和FET 103，这四个晶体管排置成两个推挽式对，每一对经由1mH的电感连接至输出端。
感测通过1Ω电阻R131及R132输出电流。标示为I1和I2的电流感测输出输进下一个运算放大器IC 103A，比较流经这两个电阻的电流以提供通过电容性转换器的电流量测值。该电阻R131和R132与该下一个运算放大器的组合构成一个电流感测器23。来自该运算放大器的输出经由一个电解电容输进该错误放大器IC 103B。
亦示于该图的为提供参考电压(左上)的电路、提供振荡器电压的时脉(该电路元件的右侧)。右下方图示一个起始弱音器(mute)和过电流行程电路，产生一个失效信号以输进调制器IC IC101并且点亮LED D104以显示错误状况。
该电路可以用超过+80V DC的高电压供应器来运作，一般为+50VDC。该负荷电容可以高达1μF。
必须注意的是，本发明不局限在这里所表示的特殊电路布置。的确，本领域技术人员可以想像出许多保留本电路功能的变化。例如，低及高通滤波器能够逐一切换，可以使用需要不同电路以切换输出级的不同调制器，以及可以自该装置忽略如参考电压供应器或振荡器的部分电路并且提供个别的参考电压或振荡器信号，其适用于具体应用。
本发明所提供的优点包括一个小型化解决方案及一个低和高电压区块与方便型供应器的整体整合；低成本，及一个趋动电容性转换器的简单解决方案。
该元件的型式可用作已知为“智能型材质(smart materials)”的转换器。有两个主要的型式压电式和电紧式(Electrostrictive)。压电式材质因其线性而最常被使用，但有可能驱动两种型式，因为两者皆提供电容性负荷。本应用适于陶瓷(PZT)与聚合物(PVDF)压电材质两者且可使用不同的掺杂。
该放大器亦可应用于静电式扬声器，可使用高电压切换该放大器以直接驱动该极板。
权利要求
1.一种电容性转换器驱动装置，包括一用来接收输入信号的信号输入端，用来接收电源的电源输入端，连接输出端的输出电感，一具有至少一个连接于该电源输入端和该输出电感之间的切换器的切换输出级，一依据该输入信号用来控制该切换输出级的调制器，一用来感测经由该输出电感所供应的输出电流的电流感测器，以及一用来负返馈流经该调制器的该感测输出电流的负返馈回路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该负返馈回路包括一具有连接至该调制器的输出端的错误放大器，以及连接至该电流感测器的该输出端和该信号输入端的正输入端和负输入端。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，进一步包括一介于该信号输入端和该错误放大器之间的滤波器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，整合在特殊应用集成电路上。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该切换输出级包括两个推挽式晶体管对，每一推挽式晶体管对经由相应的输出电感连接至相应的输出端，可在该输出端之间耦合该电容性转换器。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，进一步包括一连接于该输出端之间的电容。
7.一种扬声器驱动装置，包括一根据任何前述权利要求的电容性转换器驱动装置，以及一连接至该电容性转换器驱动装置的该输出端的压电式扬声器转换器。
8.一种驱动电容性转换器的方法，包括提供一个输入信号，使用切换器产生由该输入信号控制的切换输出信号，经由输出电感输出该切换输出信号，经由该输出电感驱动该电容性转换器，感测流经该输出电感的输出电流，返馈该感测输出电流以提供负返馈。
9.一种驱动如权利要求8所述的电容性转换器的方法，其特征在于，包括提供一个具有正和负输入端以及一个将该输入信号输进正输入端的错误放大器，将该感测输出电流输进该负输入端，以及使用该错误放大器的输出端控制该切换输出电流。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括在将该输入信号输进该错误放大器之前过滤该输入信号。
全文摘要
本发明公开一种用来驱动电容性转换器的装置与方法。一种切换式电源供应器有一个切换式输出级21经由电感25输送至转换器27。不使用电压返馈,一个感测器23量测流经该电感的电流并将该电流输送回去作为负返馈。
文档编号H02M3/04GK1350767SQ00807640
公开日2002年5月22日 申请日期2000年5月16日 优先权日1999年5月19日
发明者亨利·阿齐马, 戴维·甘布尔 申请人:新型转换器有限公司