专利名称：用于控制冷却设备的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制冷却设备的电路，具体地说，涉及用于控制用于开关功率器件的冷却设备的电路以及包含所述电路的放大器。
背景技术：
需要提供大量的输出功率的现代音频和视频放大器经常被设计为数字放大器。也称为开关放大器的数字放大器通过以调制方式来激活开关而产生输出信号。所述开关当被接通时向输出端提供固定电压。当断开时所述开关不向输出端提供电压。被调制的输出信号经常经由滤波器被传送，以便从期望的输出信号中去除高频分量。但是，不是所有的数字放大器都需要在输出端进行滤波。数字放大器的调制可以包括诸如脉冲宽度调制——经常被称为PWM——或脉冲密度调制之类的调制方案。但是，可以考虑其他的调制方案。为了符合关于电磁辐射和兼容性的规则，可以使用扩频调制方案。数字放大器不在线性区域中操作输出开关。所使用的开关主要是晶体管开关，最常使用的是双极或MOS-Fet晶体管。但是，也存在可以使用的其他可用半导体开关。通过在从接通到断开转变期间或相反的转变期间很快地穿过输出晶体管的线性区域，很少的功率被浪费并且被转换为热量，所述热量需要被去除。为了从电子器件中去除热量，经常使用散热器。经常采用铝或铜结构来制造散热器，所述结构与晶体管或其他热发生源直接热接触。无源散热器经常由相当大体积的上述结构构成。采用大量的铝或铜制造的大散热器增加了成本和重量。由于散热器和环境的温度存在差别，这些散热器依赖于辐射或自然空气流动来建立。自然空气流动也经常称为自由对流。在空间决定的应用中或在自由对流不总是被保证或不充分的应用中，应用其他的冷却技术。这些其他的冷却技术包括通风机或风扇、压缩机和热电冷却设备。热电冷却设备通常被称为珀耳帖(Peltier)元件。可以结合热敏传感器或辐射器来使用压缩机。压缩机用于通过热敏传感器或辐射器的布置来循环冷却剂。用于冷却的压缩机的公知应用是冰箱。
为了防止冷却设备在不必要时工作，经常调节冷却设备。调节冷却设备可以提高冷却设备本身的寿命，而且防止在不需要附加或强制的冷却时发出与冷却设备工作相关联的噪音。而且，避免了与冷却设备不必要的工作相关联的能量浪费。经常通过感测散热器的温度或从热源传送出的空气流来执行冷却设备的调节。感测温度所需要的传感器提高了设备的成本，并且还可能引入失效或故障的附加来源。因此，期望在减少部件数量的同时，提高冷却设备的调节可靠性。另一个方面是提供用于控制冷却设备的改进电路。
发明内容
上述目的是通过在权利要求1中所述的本发明的电路来实现的。在从属权利要求中提供了有益的扩展和实施方式。
在下面的说明中，为了清楚，用于提供从开关调制信号得到的输出信号的待冷却的器件被称为开关功率器件。在开关功率器件中用于控制冷却设备的本发明的电路中，滤波器接收表示所述开关调制信号的信号。滤波器的输出信号被提供到驱动器级的控制输入。驱动器级响应于所述被滤波的开关调制信号而控制冷却设备。驱动器级可以另外具有输入缓冲器，用于将滤波器级的输出与负载分离。按照本发明的要冷却的开关功率器件可以是数字或开关放大器。所述开关功率器件可以用于放大音频或视频信号。但是，可以考虑使用按照本发明的开关功率器件来用于其他的目的，诸如电机驱动器或激励驱动器。因此，本发明不限于音频或视频信号。
本发明有益地使用事实开关功率器件响应于输出信号的幅度而产生过量的热。开关功率器件中的大多数热量是在从接通到断开的开关转变期间或相反转变期间，以及在开关导通期间产生的。
在脉冲宽度调制方案中，调制导通时间以便改变输出信号。对于这个调制方案，开关频率可以是固定的。在这种调制方案中，开关的占空系数(dutycycle)、即接通对断开时间的比率，确定所产生的热的可变量，而由于不变的开关频率，转变的数量是不变的。
在脉冲密度调制方案中，脉冲宽度可以是固定的，并且脉冲的频率被调制。在此，脉冲的频率确定所产生的热的可变量。接通时间导通损失在逐个脉冲的基础上是不变的。但是，用于表示期望的输出信号所需要的脉冲的数量可以是可变的，因此，整体的导通损失数量也可以是可变的。
调制方案可以不以它们的一般形式来被使用，而且也可以被组合。可以考虑使用脉冲密度调制来用于低输出功率电平，并且转换到脉冲宽度调制来用于更高的输出功率电平。也可以考虑直接组合脉冲宽度和脉冲频率的调制。
在本说明书中，术语开关调制信号被用作按照本发明的开关功率器件的任何调制方案的同义词。
通常在提供大输出信号时，才需要独立于所使用的调制方案来冷却开关功率器件。作为示例，这适用于在开关接通时间期间的导通损失。导通损失经常是与电流值的平方相关联的电阻性损失。当使用电感性滤波来用于对输出进行滤波时，如果不发生滤波器电感器的饱和，则电流将线性地增加，直到它达到最大值。导通时间越长，则电流和相关联的导通损失越大。但是，对于其他调制方案，对冷却的要求依赖于输出信号的值，如上所述。
为了获得关于输出信号的值的信息，本发明的电路向滤波器提供了表示开关调制信号的信号。在本发明的第一实施例中，滤波器将高频开关信号转换为用于控制冷却设备的驱动器级的低频信号。因此，以有益的方式向冷却设备提供了均匀的驱动信号。较慢地改变的均匀驱动信号最好用于控制冷却设备，以便降低可能由在驱动信号中的频繁改变和在控制信号上叠加的高频谐波所引起的噪音。
在本发明的一个有利的实施例中，所述电路被适配来控制冷却设备，以采取低于滤波器级的输出信号的第一电平的第一操作条件。而且，所述电路控制冷却设备，以采取高于滤波器级的输出信号的第二电平的第二操作条件。第三，所述电路控制冷却设备，以采取在滤波器级的输出信号的第一和第二电平之间的第三操作条件。
第一操作条件可以包括以低电平来驱动冷却设备。被提供到冷却设备的驱动的低电平引起由冷却设备产生的较小噪音或实际上不引起所述噪音。在本发明的电路的一个例证实施例中，驱动的低电平等效于断开状态。
第二操作条件可以包括以高电平来驱动冷却设备。在本发明的一个例证实施例中，高电平等效于全功率。
第三操作条件可以包括响应于开关功率器件的输出信号而驱动冷却设备。响应曲线的特性可以是例如线性的。但是，诸如对数或指数等的任何其他特性也适用。
应当注意，在不脱离本发明的范围的情况下可以考虑大量的操作条件，例如，按照开关功率器件的输出信号的值，来使用被提供到冷却设备的功率的离散步长(discrete step)。也可以考虑对开关功率器件的驱动信号进行采样，并且从所采样的驱动信号中得到冷却设备的控制信号。对所采样的驱动信号的滤波可以发生在数字域中，或者可以根据调制方案而被省略。例如，对于脉冲密度调制方案不需要传统的滤波。在这种情况下，在预定时间间隔中的驱动脉冲的数量被计数，并且从其得到用于冷却设备的控制信息。
当开关功率器件是音频放大器时，用于控制冷却设备的本发明的电路特别有益。在该应用中，当音频输出信号很小时，由冷却设备产生的噪音几乎是不能够听到的。当提供更多的音频输出功率时，将提高在收听环境中的声级。在这种情况下，冷却设备工作在较高电平，并且也可以产生可听见的噪音。但是，在这个操作条件中产生的可听见的噪音将被音频信号遮蔽。
在该应用中，使用用于控制冷却设备的电路有益地允许较小的散热器，并且同时向开关功率器件提供足够的冷却量。减小散热器的大小，除了使相关联的成本降低之外，还允许开关功率器件设计中的新颖形状。
下面，将参照附图来说明本发明。在附图中图1示出了本发明的电路的示意方框图；图2示出了操作条件的第一示例图；图3示出了操作条件的第二示例图；图4示出了按照本发明的用于控制冷却设备的电路的示例实施例。
在附图中，相同或类似的元件被以相同的附图标记引用。
具体实施例方式
图1示出了按照本发明的用于控制冷却设备的电路的示意方框图。开关功率器件1接收被提供到信号接收级2的输入信号IN。信号接收级可以包括调制级。但是，调制级也可以被包括在功率级3中。输入信号从信号接收级2被传送到功率级3。功率级3被设计为开关功率级。开关功率级3在输出端OUT输出放大的信号。可以在开关功率级3和输出端OUT之间提供滤波器级8。因为滤波器级8不总是必然存在，因此它以虚线被示出。从开关功率级3的输出端，信号S被抽头(tap)并且被提供到滤波器级4。滤波器级4过滤信号S，并且向驱动器级6提供被滤波的信号。驱动器级6按照开关功率级3的输出信号来控制冷却设备7。冷却设备7被热耦合到开关功率级3，以便去除过多的热量。热耦合在附图中以希腊字母ν(theta)来表示。信号S可以在滤波器8——当被提供时——前或后得到。而且，信号S可以在被提供到滤波器4之前被调节到良好状态。例如，如果输出信号的电平、滤波器电路的电平和驱动电路是不兼容的，则这种调节可能是必要的。
在附图2中，示出了由按照本发明第一实施例的控制电路所控制的冷却设备的不同操作条件。所述操作条件被示出为在纵坐标轴上的相对于冷却设备的全功率的百分比水平。信号S的电平被示出在横坐标轴上。在所述附图中，当信号S的值低于第一电平L1时，冷却设备处在全功率的零百分比。对于在电平L1和L2之间的信号S的值，冷却设备的功率即操作条件，与信号S成比例。因为信号S表示输出信号OUT，因此冷却设备的操作条件跟随开关功率器件的输出功率。对于高于电平L2的信号S的电平，以100％或全功率来驱动冷却设备。在这个附图中，第一、第二和第三操作条件I、II和III清楚可见。
在附图3中，示出了由按照本发明第二实施例的控制电路所控制的冷却设备的不同操作条件。与图2所示的图类似，在纵坐标轴和横坐标轴上分别示出了冷却设备的功率和信号S的电平。在附图3中，对于在第一电平L1和第二电平L2之间的信号S的值，冷却设备的功率被设置为25％。对于在第二电平L2之上的信号S的电平，冷却设备的功率被设置为100％。在本发明的这个例证实施例中，第一操作条件I仅仅覆盖很小范围的信号S，即，仅仅针对等于0的信号S，来实现第一操作条件I。第二操作条件II覆盖很大范围的信号S的值针对在第二电平L2上的信号S的所有值，来实现等效于全功率的第二操作条件II。针对在第一电平L1和第二电平L2之间的信号S的值，实现第三操作条件III，即冷却设备被设置到25％的全功率。
在附图4中，示出了按照本发明的电路的一个例证实施例。被调制的输出信号PWM被提供到低通滤波器，其中包括电阻器R1和电容器C1。电阻器R2与电容器C1并联耦接，用于调整时间常数和信号幅度。被滤波的信号经由二极管D1和电阻器R17耦接到晶体管T5。晶体管T5与电阻器R6和R7以及晶体管T6相结合地作为简单的比较器而工作。晶体管T6耦接到晶体管T7的基极。晶体管T7的基极被包括电阻器R8和R9的分压器偏置到预设值。当信号PWM达到预定的门限值时——这由包括晶体管T5的比较器检测，晶体管T6被导通，将用于偏置的分压器的电阻器R8旁路，并且将晶体管T7驱动到饱和状态。在这种情况下，连接到晶体管T7的冷却设备F1将工作在全功率。用于对本发明电路的这个部分供电的电压U3和U4可以在幅度上相等，或者甚至可以被连接。但是，这对于本发明电路进行工作不是必要的。本发明电路的这个部分被设计成以相对于图3所述的方式工作。
滤波的信号PWM还被从二极管D1提供到包括电阻器R3和电容器C2的第二低通滤波器。第二低通滤波器的输出信号连接到晶体管T1的基极。晶体管T1的阴极经由电阻器R4连接到第一电源电压U1。晶体管T1充当晶体管T2的缓冲器驱动器，晶体管T2以其基极连接到晶体管T1的发射极。晶体管T2的集电极经由电阻器R5连接到第二电源电压U2。晶体管T2的发射极连接到冷却设备F2。冷却设备F2的驱动电压与被滤波和整流的信号PWM成比例。随着信号PWM占空系数的提高，在晶体管T1的发射极的信号也提高，导致被提供到冷却设备的功率提高。在本发明的一个实施例中，第一和第二电源电压U1、U2在幅度上不同。在一个优选实施例中，第一电源电压U1比第二电源电压U2大。当晶体管T2的基极的电压达到第二电源电压U2时，该晶体管被驱动到饱和，并且向冷却设备提供最大的功率。晶体管T1向晶体管T2提供足够的基极电流驱动，以便在晶体管T2的线性和饱和模式中不加载滤波器和信号PWM。
图4所示的本发明的电路还包括用于检测冷却设备的故障的附加电路。每个冷却设备F1、F2分别经由感测电阻器R10和R14而连接到地。晶体管T3的基极经由电阻器R13连接到电阻器R14的非接地触点。一旦电流通过冷却设备F2而流动，则通过电阻器R14建立电压，并且晶体管T3导通。晶体管T3的发射极连接到地，而晶体管T3的集电极经由电阻器R12连接到电源电压U7。从晶体管T3的集电极得到信号FAIL1。在正常操作期间，晶体管T3导通，并且晶体管T3的集电极的电压基本是零。如果冷却设备F2是开路，则晶体管T3将不导通，并且晶体管T3的集电极的电压将上升到电源电压U7的值。因为当开关功率器件提供很低的输出功率时，冷却设备F2可能不工作，因此在不存在实际故障的情况下，可能激活警告信号FAIL1。但是，使用附加的传感器输入可能帮助检测冷却设备的故障。
电阻器R14的非接地连接还经由电阻器R18被连接到晶体管T4的基极。电阻器R19连接到晶体管T4的基极，以与电阻器R18相结合形成分压器。晶体管T4的发射极连接到地。当过量的电流通过冷却设备F2流动时，晶体管T4的基极的电压上升到使得晶体管T4导通的电平。晶体管T4的集电极经由电阻器R11连接到电源电压U6。在过量电流流经冷却设备F2的情况下，晶体管T4将导通，并且在晶体管T4的集电极处存在的警告信号FAIL2的电压将基本上是零。
晶体管T9以与晶体管T4连接到冷却设备F2的类似方式连接到冷却设备F1。电阻器R20和R21形成连接到晶体管T9的基极的分压器。如果通过冷却设备F1的电流达到过高的电平，则通过电阻器R10的电压提高，最后，晶体管T9将导通，并且将警告信号FAIL2拉到地。晶体管T4和T9通过它们的集电极并联连接。冷却设备F1还经由电阻器R15连接到晶体管T10。在冷却设备F1的正常操作期间，晶体管T10将导通，并且经由电阻器R16连接到电源电压U5的晶体管T10的集电极将大致为零伏特。晶体管T10的集电极连接到晶体管T8的基极。晶体管T8以其集电极与晶体管T9和T4并联连接。如果冷却设备F1是开路，则晶体管T10的集电极的电压将上升到电源电压U5，并且晶体管T8开始导通，由此拉低警告信号FAIL2。
如果警告信号FAIL1或FAIL2中的任何一个被激活，则可能通知设备用户，并且/或者可以将由开关功率器件提供的功率限制到安全值，以防止产生过高的温度并且防止损害该器件。
本发明可以与在现有技术的说明中列出的所有冷却设备相结合地使用，并且将不限于风扇或通风机。
权利要求
1.一种在用于提供从开关调制信号(PWM)得到的输出信号(OUT)的器件(1)中、用于控制冷却设备(7)的电路，其特征在于滤波器(4)接收表示开关调制信号(PWM)的信号(S)，滤波器(4)的输出信号连接到驱动器级(6)的控制输入端，并且驱动器级(6)使用下述信号来驱动冷却设备(7)，该信号的特征是至少部分地与被滤波的开关调制信号(PWM)成比例。
2.按照权利要求1的电路，其特征在于，驱动器级(6)被适配来控制冷却设备(7)，以便采用低于滤波器级(4)的输出信号的第一电平(L1)的第一操作条件(I)、采用高于滤波器级(4)的输出信号的第二电平(L2)的第二操作条件(II)、以及采用在滤波器级(4)的输出信号的第一和第二电平(L1，L2)之间的第三操作条件(III)。
3.按照权利要求2的电路，其特征在于，第一、第二和第三操作条件(I，II，III)包括下述条件列表之一，所述条件包括不工作、预设中间功率、全功率和基本上跟踪滤波器级(4)的输出信号。
4.按照权利要求1的电路，其特征在于，驱动器级(6)包括输入缓冲器和驱动器。
5.按照上述权利要求1-4中的任何一项的电路，其特征在于，检测器电路检测冷却设备(F1，F2)的故障，并且提供故障指示信号(FAIL1，FAIL2)。
6.按照权利要求5的电路，其特征在于，检测器电路包括电流和/或电压传感器。
7.按照权利要求6的电路，其特征在于，所述电流传感器和/或电压传感器提供下述信号，该信号基本上与被提供到冷却设备(7)的驱动功率成比例。
8.按照权利要求6的电路，其特征在于，开关元件提供输出故障指示信号(FAIL1，FAIL2)，所述开关元件包括下述器件列表之一晶体管、光学开关、机械或微机械开关。
9.按照上述权利要求1-8中的任何一项的电路，其特征在于，冷却设备(7)是风扇、压缩机、热电冷却设备或其组合。
10.一种用于音频和/或视频信号的放大器，包括按照权利要求1-9中的任何一项的电路。
全文摘要
提供了一种用以控制用于开关功率器件——例如数字放大器的冷却设备的方法。所述方法包括感测输出信号；按照开关功率器件的输出功率来调整冷却设备的功率。本发明通过认识到在开关功率器件中产生的热量与输出功率相关联，来消除对于附加到散热器上的温度传感器的需要。而且，提供了一种用于实现所述方法的电路和使用本发明电路的放大器。
文档编号H03F3/20GK1677020SQ20051005953
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月29日 优先权日2004年3月31日
发明者李国裕, 郑俊明 申请人:汤姆森特许公司