专利名称：脉冲宽度可调的动态pwm调变控制器的制作方法
技术领域：
本发明关于一种脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，尤指一种利用PWM调整输出讯号使功率晶体物理的特性达到最佳的表现，使输出讯号达到最好的状态。
背景技术：
一般我们常看到的放大器有以下的分类功率放大器一般分为四类A、B、AB和C。
A类(Class-A)放大器的输出晶体管(或电子管)的工作点在其线性部分中点，不论信号电平如何变化，它从电源取出的电流总是恒室不变，它是低效率的，用作声频放大时由于信号幅度不断变化，其实际效率不可能超过25％，可由单管或推挽工作。A类放大器的优点是无交越失真和开关失真，而且谐波分量中主要是偶次谐波，在听感上低音厚实、中音柔顺温暖、高音清晰俐落、层次感好，十分讨人喜欢。但一直因为耗电多，效率低，容易发热和对散热要求高而未能在大功率的放大器中得到广泛使用。由于器件长期工作于大电流高温下，容易引起可靠和寿命方面的问题，而且整机成本高，所以制造A类功率放大器出名的厂家，现在已大多停止生产晶体管A类功率放大器。再简单的解释A类功率放大器，其是最简单的放大器只有一个有源器件，如晶体管。该晶体管要加偏置电路，因此不管输入信号有多大，它从来都不可能彻底导通或彻底截止。这一非截止/非导通区域就是所谓的线性区域，工作在线性区域的放大器输出失真极低，但效率也很低，它就是A类放大器。
B类(Class-B)放大器的偏置使推挽工作的晶体管(或电子管)在无驱动信号时，处于低电流状态，当加上驱动信号时，一对管子中的一只半周期内电流上升，而另一只管子则趋向截止，到另一个半周期，情况相反，由于两管轮流工作，必须采用推挽电路才能大完整的信号波形。B类放大器的优点是效率较高，理论上可达78％，缺点是失真较大。再解释B类功率放大器，其B类放大器是由两个相互推拉的晶体管构成，一个输出电流，而另一个吸收电流。假设想放大一个正负半周关于零点对称的正弦波，那么一个晶体管就放大正弦波的上半部分(零点以上部分)，另一个则放大下半部分(零点以下部分)。换言之，放大是由两个晶体管轮流共同完成的，因此，B类放大器的效率要高一些。这种放大器的问题在于存在一非线性区域，即正弦波刚通过零点的那一小片区域。这时，一个晶体管刚截止，而另一个则刚导通。由于晶体管导通需要一个短暂的过渡时间，因此就会因非线性状态导致失真。
AB类(Cass-AB)放大器在低电平驱动时，放大器为A类工作，当提高驱动电平时，转为B类工作。AB类放大器的长处在于它比A类提高了小信号输入时的效率，随着输出功率的增大，效率了增高，虽然失真比A类大，然而至今仍是应用最广泛的晶体管功率放大器程序趋向是越来越多的采用高偏流的AB类，以减少低电平信号的失真。再解释B类功率放大器，AB类放大器是A类和B类放大器的组合，其结构很像B类放大器，但采用了一种可向每个晶体管提供小偏置电流的电路，因此每个晶体管都不会彻底截止。它像A类放大器一样功耗会大一些，但失真却低得多。它也像B类放大器一样，两个晶体管配合完成任务，因此整体性能要好一些。
C类放大器，指的是放大器的主动组件，仅在输入信号小部份时间内导通，故C类放大器必须利用调谐电路的″飞轮效应″将输入信号其余部份加以还原。C类放大器失真度可说是很大，但其集极功率却也是最高的，在倍频电路或功率放大级上常被采用，然而通常电路内的振荡频率皆受到单一频率输出的石英晶体振荡器所限制，若为了提高发射频率，则须透过倍频器将振荡频率或FM信号频率的偏移量作整数倍变化。倍频器倍频的原理是将信号频率输入非线性电路，再从失真的输出波形中，利用谐振电路设定较高倍数谐振频率，取出所要的高次谐波。一般可利用C类放大器的非线性特性配合谐振电路作倍频电路。
在习知的功率扩大器所指出的四种里，其中A类功率放大器虽失真较低，但是其功率放大的效果却略逊一筹，无法较有利的推动大讯号；B类放大器的优点是效率较高，理论上可达78％，然缺点是失真较大，较无法完整保存讯号的完整性；C类放大器失真度可说是很大，但其集极功率却也是最高的，在倍频电路或功率放大级上常被采用，故其上所述习知的放大器各有优劣之处，但其最主要是无法做一效率高且失真低的功率放大器，其是一大缺憾。
发明内容
对于习知的缺憾，经本发明多加钻研得知一般的功率放大器而言，要使输出的品质越好，最直接的方式是增加调变的频率或增加PWM的阶层(level)，但是无论增加调变频率或增加PWM的阶层的副作用是对功率级的速度要求成正比例增加，但是一旦功率的需求增加时，功率级的电流输出也必须增加，以功率晶体物理特性而言，此举就会降低其反应速度，在本发明中，发明人提出了一种新的PWM调变方式，使用一缓存器数组，去存放实时需要处理的讯号在每一个数组框中，再将整合后讯号在做一输出的动作，使PWM输出会根据讯号的大小不同而改变，此举将使输出在低电平时保有极佳的表现，但又不致增加对功率级的速度要求。
图1是本发明动态PWM功率放大器的架构图；图2是本发明PWM调变的基本机制示意图；图3是本发明利用缓存器数组的PWM调变表示法；图4是本发明动态的PWM调变机制流程图；图5是本发明动态的PWM调变机制的实施例图；
图6是一般模拟输出低通滤波器的能量封包(Envelop)示意图。
图号说明10输入端11动态PWM调变控制器12功率级13低通滤波器14输出端20检查B
的脉冲宽度21P≥K22输出数组23重新设定数组24P＝P+B[i]的脉冲宽度25重组B[i]成为B′[i]26P≥K27输出数组28重新设定数组29i＝(I-1)30i＝i+具体实施方式
为使贵局对本发明能进一步了解，以下以实施例，配合图式、图号，将本发明的构成内容及其所达成功效详细说明如后。
本发明一种脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，此动态PWM脉冲宽度调变技术可广泛运用在声音放大器、功率放大器及DC到DC之间的转换器，如图1所示为动态PWM功率放大器的架构图。当讯号经输入端10进入动态PWM调变控制器11将N-bit取样频率fs Hz的输入讯号转移为1-bit PWM讯号，以推动后级的功率12级与低通滤波器13将讯号经输出端14输出。
图2所示，假设PWM载波为Nfs Hz，PWM的调变方法即为将量化器的L-bit(最小L＝1)或M-Level(最小M＝2)输出转为l-bit输出的功能，一般而言，其转换甚为单纯，试举一个5-level(M＝5)的讯号，其输出有0，1，2，3，4等5种，然其基本上此PWM输出最多为每 秒有一次的零(0)与壹(1)的切换，但是最小的脉冲(pulse)宽度将只有 秒，以PWM输出放大器，若要使音质更佳，最直接的方式是使PWM的载波倍数提高(将N加大)或量化阶数提高(将L或M加大)，但如此一来，其对之后的功率级的速度需求将大幅提高，以上升时间(Rise time)加上下降时间(Fall time)之和为一个脉冲的宽度的 而论，假设N＝64，M＝5，fs＝48KHZ的情况下，其Rise time及Fall time之和的需求为8.138ns，若Rise-time＝Fall-time，则个别的速度需求为4.069ns，对一般大功率级的晶体而言，这是一项难以达到的要求，因此必须加以解决。以量化的过程之中，当输入越小时，则输出会使在 为一周期的范围内的0与1的脉冲宽度(width)越接近，以上述的例子而言，即为输出为″2″的情况，而在最大输出时为″0″或″4″，此时脉冲宽度最大，对功率级晶体的速度需求降至最低，因此除非必要，也可以不做变更。我们所需对付的是，输出为″1″，″2″，″3″此三种状况，因为此三者对于输出功率级的速度需求较高。以之前的设定令超取样倍数为N，输出的阶层数为M，且取样频率为Fs，则最小的脉冲宽度为 秒，假设吾人以此为一单位脉冲，则″0″和″M-1″的脉冲宽度为M-1，″1″和″M-2″的脉冲宽度为1，″2″和″M-3″的脉冲宽度为2，....依此类推，其中脉冲宽度越小对速度的要求越高，假设以M-1个单位脉冲宽度为一个框(Frame)而希望的最小的脉冲宽度为k个单位脉冲，其中1≤k≤M-12,]]>吾人对功率级速度需求就降低了k倍。为了使最小的脉冲宽度可为k，我们结合数个讯号框(Frame)然后以动态(Dynamic)PWM调变控制方法进行调变的工作，其工作方式如下如图3所示，使用一(M-1)-bit缓存器数组(register Array)B
，B[1]，...B[I-1]，其中I≥2，B
存放实时需要处理的讯号框，B[1]存放下一个时刻需要输出的讯号框，B[2]存放再下一个时刻需要输出的讯号框，...依此类推，而每一个缓存器的每一个bit代表该时间的输出为高电位(1)或低电位(0)，再配合图4所示，发明人提出的动态PWM调变控制(Dynamic PWM Modulation Control)的流程，一开始先将PWM讯号框存放在缓存器数组中，然系统会判断第一个暂存数组B
的脉冲宽度20，然此时令i＝0、P＝B
的脉冲宽度，若是P≥K21(即B
的脉冲宽度是否大于K值)成立的话，则会至输出数组22B
，然后至重新设定数组23移动缓存器数组使其B
＝B[1]、B[1]＝B[2]...B[I-2]＝B[I-1]且加载新值存放于B[I-1]；若是P≥K21不成立的话(即B
的脉冲宽度小于K值)，则i＝i+130(第一个与第二个缓存器数组的脉冲组合)将重组成P＝P+B[i]的脉冲宽度24，然后重组B[i]成为B′[i]25，其也就是将Group B
...B[i]的″1″为一个连串的″1″，Group B
...B[i]的″0″为一个连串的″0″，将re-group的结果放至B′
...B′[i]，再判定一次P≥K26是否成立，若是P≥K成立的话，将输出数组27B′
...B′[i]，且再重新设定数组28，使其B
＝B[i+1]、B[1]＝B[i+2]...B[I-2]＝B[I+i]输出讯号；若是P≥K26不成立的话，先再检查i＝(I-1)29是否成立，若是成立便输出数组27B′
...B′[i]，且再重新设定数组28，使其B
＝B[i+1]、B[1]＝B[i+2]...B[I-2]＝B[I+i]输出讯号；但若是检查i＝(I-1)29不成立，再传回重组成P＝P+B[i]的脉冲宽度24继续执行，...依此类推。如果将所有缓存器数组的脉冲组合后的总脉冲宽度仍小于K值，则输出组合后的脉冲，加载新值存放于缓存器数组。
本发明就试以I＝2，M＝5，K＝2为例，如图5所示为输入以及经上述方法处理后的输出。
如此对功率级的速度就降为原来的1/2。值得一提的是若要此系统工作在最佳状况，I值需要足够大，以免总脉冲宽度P尚未到达指定值K时，缓存器数组就已经不够用了，以上例而言若B〔0〕＝0x1000，B〔1〕＝0x0000时，P＝1＜K＝2，就使本方法不能派上用场了。
以上的作法会对最后的输出讯号造成一定的失真，但影响不大，因为模拟低通滤波器可以比拟为一具备windowing效应的积分器，一般而言此window的能量半衰长度均远大于缓存器数组所代表的时间长度，假设此window的形状如图6所示，亦即T0>>I·1N·Fs,]]>因为最后的输出讯号的简化模式为x′(t)=∫-∞tB′(t-τ)W(τ)dτ≈∫-∞∞B(t-τ)W(τ)dτ=x(t)]]>由于被改变的范围(由B(t)→B1(t))倘限在 秒之内，因此影响不大。
为其上所述的音频放大器的功能外，其亦可应用在高-低电压功率放大器及直流电压功率放大器上，透过PMW调变控制器将电压做一稳压的讯号输出，减少高频振荡的机会，以增加产品效能及延长产品的寿命，让具有PWM功能的产品达到最好的利用。
综上所述，本发明所述的脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，不仅可达预期的实用功效外并且为前所未见的设计，已符合专利法发明的要件，于是依法具文申请。为此，谨请贵审员详予审查，并祈早日赐请专利，至感德便。
以上已将发明作一详细说明，然而以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰等，皆应属本发明的专利涵盖范围意图保护的范畴。
权利要求
1.一种脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，其包括一输入端，将讯号输入至动态PWM调变控制器；一动态PWM调变控制器，将输入讯号N-bit取样频率fsHz的输入讯号转移为1-bit PWM讯号，再推动后级的功率级与低通滤波器；一功率级，其接收转换后的讯号并输出讯号；一低通滤波器，其接收转换后的讯号并输出讯号；一输出端，将讯号输出；其特征在于该动态PWM调变控制器利用一缓存器数组去存放实时需要处理的讯号在每一个数组框中，再将整合后讯号在做一输出的动作，使PWM输出会根据讯号的大小不同而改变。
2.如权利要求1所述的脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，其特征在于其应用在低电压音频放大器上。
3.如权利要求1所述的脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，其特征在于其应用在低电压功率放大器上。
4.如权利要求1所述的脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，其特征在于其应用在高电压功率放大器上。
5.如权利要求1所述的脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，其特征在于其应用在直流电功率放大器上。
全文摘要
本发明关于一种脉冲宽度可调的动态PWM调变控制器，其是利用一种新的PWM调变方式，使用一缓存器数组，去存放实时需要处理的讯号在每一个数组框中，再将整合后的讯号做一输出的动作，然为使输出品质有绝佳的表现，就必须利用本发明特性的PWM输出会根据讯号大小不同而改变，可令输出在低电的平时保有极佳的表现，以充分利用到功率晶体物理的特性，但又不致于增加对功率级的速度要求。
文档编号H03F3/20GK1812255SQ200510002619
公开日2006年8月2日 申请日期2005年1月24日 优先权日2005年1月24日
发明者张莉菁 申请人:北瀚科技股份有限公司