专利名称：减少脉冲误差失真的制作方法
技术领域：
本说明书描述ー种用于校正D类放大器中的脉冲误差失真的方法和装置。
发明内容
在ー个方面中，ー种放大器包括输出电压控制电路，包括至少两个开关，由调制器控制；输出电感器，将开关电路耦合到输出端；以及校正电路，用于向调制器提供由非线性表征的校正信号，包括感测从输出电感器到输出端的电流的电流传感器。校正电路还可以包括在输入端处的电压传感器，耦合到校正电路。感测的电压可以通过修改非线性的形状来修改校正信号。开关电路可以由占空比表征，并且校 正信号可以修改占空比。校正电路可以包括用于提供校正信号的软限幅器。在另一方面中，一种用于操作放大器的方法包括根据占空比关断和闭合多个开关以控制向输出端提供的电压；测量经过电感器去往输出端的电流；感测经过电感器去往输出端的电流以提供感测的电流测量；并且基于感测的电流测量向占空比施加非线性校正信号。非线性校正信号可以响应于在输出端处的电压。其它特征、目的和优点将从在与以下附图结合阅读时的下文具体描述中变得清
Tt, o
图1-3是D类放大器的框图；图4和图6是作为平均输出电流的函数的输出电压的绘图；并且图5是转变速度和形状范围以及针对高到低转变的所得误差的表示。
具体实施例方式尽管可以在框图中示出和描述附图的若干幅图的单元为分立単元并且可以将这些单元称为“电路”，但是除非另有明示，可以将单元实施为模拟电路、数字电路或者执行软件指令的一个或者多个微处理器之一或者组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。操作可以由模拟电路或者由执行软件(该软件执行与模拟运算等效的数学或者逻辑运算)的微处理器执行。除非另有明示，可以将信号线路实施为分立模拟或者数字信号线路、实施为具有适当信号处理(该处理用于处理单独音频信号流)的单个分立数字信号线路或者实施为无线通信系统的单元。可以在框图中描述ー些过程。在每个块中执行的活动可以由一个单元或者由多个单元执行并且可以在时间上分离。执行块的活动的単元可以在物理上分离。除非另有明示，可以对音频信号或者视频信号或者二者编码并且以数字或者模拟形式传输这些信号；可以未在图中示出常规数模或者模数转换器。图I示出了 D类放大器10。Vhigh电压源12由开关16耦合到开关节点14并且由ニ极管20耦合到节点18。V1ot电压源22由开关24耦合到开关节点14并且由ニ极管26耦合到节点18。开关节点14可以经过电容40 (该电容未必代表部件电容器并且可以是例如来自场效应晶体管[FET](这些FET执行开关16和24以及ニ极管20和26的功能)的寄生电容)耦合到接地并且耦合到节点18。节点18由电感器30耦合到节点28。节点28由输出电容器32耦合到接地并且耦合到输出端34。输出端34耦合到负载36。调制器38操作地耦合到开关16和24以控制开关16和24。电感器30和电容器32形成输出滤波器。开关放大器一般利用输出滤波器以防止开关频率及其谐波辐射并且引起与其他设备的电磁干扰(EMI)。在操作中，开关16和24根据开关周期由调制器38闭合和关断。开关16闭合从而经过电感器30将负载连接到比最高所需负载电压更高的电压源(Vhigh) 12持续一段间隔，在该间隔结束处开关16关断并且开关24闭合从而经过电感器30将负载连接到比最低所需负载电压更低的电压源(Vlw) 22持续另一段间隔，在该点时开关24关断并且开关16再次闭合。在负载处的电压将平均成在Vhigh与V1ot之间与两个开关的相対“接通”时间成比例的值。该比例(“占空比”)以产生所需输出电压为目标由调制器基本上连续变化。电感器电流(在向外方向上引用)将在开关16接通时正改变而在开关24接通时负改变并且将 平均成输出电流而开关周期变化称为“纹波电流”。多于大部分，纹波电流将流过输出电容器32，并且平均电感器电流将等于负载中的电流。重要的是开关16和24未在相同时间(即使瞬间)闭合，因为两个开关将把两个电压源短接在一起而具有浪费和可能灾难性的結果。另ー方面，由于电感器电流不能瞬时改变，所以如果开关24未在开关16关断之后立即闭合，电感器电流必须流过ニ极管20或者26或者流过电容器40。假设电容器40的电容可忽略不计，在一个开关关断的瞬间并且在另一开关闭合之前，根据电感器30中的电流的极性，ニ极管20和26中的ー个或者另一二极管将导通。根据哪个ニ极管导通，在开关节点14处的电压将保持原样直至另ー开关接通，或者它将在另ー开关接通之前立即恢复至另ー电源电压(称为自换向的过程)。作为实际事项，为了保证两个开关16和26从未在相同时间接通，有必要故意在开关关断之后将开关接通延迟ー些时间。这一延迟称为“停滞时间”。根据电感器电流的方向，开关节点转变可以出现于开关接通时或者开关关断吋。当负载电流低从而电感器电流在开关“接通”时间期间反向时，低-高和高-低转变将均出现于开关关断吋，并且将保留来自调制器的脉冲宽度。但是如果负载电流超过纹波电流从而电感器电流在开关周期期间未改变极性，则ー个转变将出现于开关关断时而另一个出现于开关接通时，并且停滞时间将修改脉冲宽度而且脉冲宽度失真出现。修改的占空比将造成输出与所需输出相差固定电压Vdt — (Vhigh-Vlow) X Tdeadtime/Tcycletime根据输出电流和峰纹波电流，输出电压误差将是_Vdt、0或者+Vdt。由于误差依赖于输出电流并且一般未根据输出电压知道输出电流，所以不能用前向路径中的简单非线性校正误差。校正需要取用输出电感器中的电流波形。如果用于电感器的完整电流波形可用，则校正电路可以检查它的过零。如果电感器电流在开关周期期间跨越正和负，则无需施加校正。如果电感器电流保持正持续整个开关周期，则应当在放大器的输入处注入将把输出増加Vdt的校正信号，而反言之，如果电感器电流保持负，则应当注入将把输出减少Vdt的校正信号。图2示出了具有用于校正输出误差的电路的D类放大器。图2具有脉冲误差失真校正器45，该校正器操作地耦合输入求和器46和电流传感器42，该传感器測量在输出电感器30处的电流。在具有用于稳定电压回路的外电流回路的放大器中，电流传感器42可以既如虚线47所示直接，以及经过脉冲误差失真校正器45耦合到输入求和器46。图3也示出了具有用于校正输出误差的电路的D类放大器。脉冲误差失真校正器45是以软限幅器44的形式并且接收来自电流传感器40的输入而且接收在节点28的电压。在操作中，图2的脉冲误差失真校正器45或者图3的软限幅器向输入求和器46提供校正输出电压误差的信号。校正信号与向调制器40的输入求和。下文将更具体讨论校正信号。图2的脉冲误差失真校正器45或者图3的软限幅器44检查输出电感器30中的电流或者分别检查输出电感器30中的电流和在节点28处的电压并且向调制器施加校正信号，该信号改变来自调制器的占空比命令以补偿由于输出电感器中的电流产生的开关占空 比误差。如果电感器电流波形有充分带宽可用于直接观察它是否在开关周期期间穿过零，则该信息可以用来施加校正。如果仅平滑的电流表示可用，则仍可基于平均电流是否比正峰纹波电流更正或者比负峰纹波电流更负来施加校正。峰纹波电流依赖于输出电压，但是容易使用以下公式来确定它Ipeakripple — KX (Vhigh-Vout) X (Vlow+VQUt)其中K依赖于电感、电压跨度(Vhigh-V1J和开关速率。可以容易用模拟电路根据输出电压、与对应于平滑的输出电流的信号相比并且施加适当校正来推导与正和负Ipeatipple对应的信号。图4示出了在开关节点(图I和图2的18)电容为零时作为平均输出电流(水平轴)的函数的输出电压(竖轴)的误差。距离48代表峰峰纹波电流。在多数实例中，图1-3的电容器40代表的在开关节点处的电容将完全不可忽略。在该情况下，当开关16关断吋，电感器电流也可以流过电容器40。如果电感器电流极性比如使得正偏ニ极管20，则电压仍然直至开关24接通才改变。只要开关24可以操纵大电流，则开关节点电压将在开关24接通时快速改变。然而如果电感器电流将在开关16关断时反偏ニ极管20，则电流将在电容器40中流动。开关节点电压将在如下速率转向相反电压，该速率依赖于电感器电流的量值和电容器40呈现的电容量。如果开关节点电压在开关24接通之前达到Vlow，则ニ极管26将开始导通从而将开关节点电压保持于Vlow。但是如果开关节点电压截至开关24接通的时间尚未达到Vlow，则开关24的接通将快速使电压走完剩余过程。可以如图5中所示，针对高到低转变用图形示出转变速度和形状范围以及所得误差。如果开关节点电压截至开关24接通或者更早的时间达到Vlow，则完全自换向出现。随着输出电流改变，典型放大器在图4中所示所有条件(无换向(线60)、部分自换向(线62)和完全自换向(线64))下操作。针对部分自换向中的单个转变的误差由下式给出Verror — IL/CSWX (Tdeadtime) /2 X Tperiod如果完全自换向出现，则误差由下式给出Verror — ((Vhigh_Vlow) X (Tdeadtime) - ((Vhigh_Vlow) X CSW/IL)) /Tperiod如果未出现自换向，则针对该转变的误差实质上为零。
脉冲区域在正和负转变二者时损失(由图5的阴影区域代表)，但是所得误差的极性相反。输出中的总误差是来自正转变的误差与来自负转变的误差的组合，从而识别在两个转变处的电感器电流相差峰峰纹波电流(假设平均输出电流很慢变化)。总误差比对输出电流的形状与先前讨论的无电容条件很不同。在有电容时，净脉冲区域失真出现于除了0之外的所有平均电流电平，并且误差的大小依赖 于电流的大小。如果平均电流为零，则换向在任ー转变同样迅速，因为在开关关断时的电感器电流对于任ー转变而言具有相同量值(峰纹波电流)，因而总误差为零。随着平均电流变正，变负的转变变得更快，而变正的转变变得更慢，从而有效增加周期的下部分并且从输出电压的既定值减少输出电压。类似地，随着电流变负，变正的转变变得更快，从而增加输出电压。一旦平均电流超过峰纹波电流，一个转变就停止从而完全自换向，因此它的时序不再受平均电流的进ー步増加所影响。另ー转变继续随着电流增加而甚至更快自换向。最终，这达到如下限制，转变在该限制如此之快以至于进ー步速度増加未明显影响区域。在这一条件下，“损失的占空比”逼近停滞时间，并且误差Vdt与对于切換节点电容可忽略不计的情况相同。所得非线性需要可以如图6中所示用图形表示的校正。图6除了与图4(其中在图I和图2的开关节点14有零电容)对照有实际电容之外与图4相似。在图4的曲线中，段50代表来自变负的转变(反转)的误差。段52代表来自变正的转变的误差。段54代表所需总校正，并且双箭头48代表峰峰纹波电流。在有开关节点电容吋，总误差和所需校正随着平均输出电流平滑变化。误差对于所有输出电流而言几乎线性、但是对于大电流而言在负与正Vdt之间被“压縮”。所需校正的形状确实有些依赖于纹波电流量并且因此依赖于输出电压。可以考虑输出电流和电压二者、使用图3的软限幅器44、根据图5施加校正。但是对所需校正随着纹波电流的变化曲线的考察掲示大致上说，校正曲线对于在输出电压为零时的停滞时间期间恰好足以完全自换向开关节点的峰纹波电流而言最陡。在纹波电流更多ー些时，曲线变得更平坦、但是更线性，而在脉动电流更少时，它也变得更平坦、但是更圆化。如果针对零电压输出的纹波电流被设置成完全自换向所需电平的约I. 5倍的电平(该电平仍将给出合理低的空闲损耗)，则所需校正在宽的输出电压范围内变得很均匀，因而可以进行按照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虑输出电压，并且脉冲误差失真校正器45足够了。可以进行这里公开的具体装置和技术的诸多使用和变更而未脱离发明概念。因而本发明将解释为涵盖这里公开的每个新颖特征和新颖特征组合并且仅由所附权利要求的精神实质和范围限制。
权利要求
1.ー种放大器，包括 输出电压控制电路，包括至少两个开关，由调制器控制； 输出电感器，将所述开关电路耦合到输出端；以及 校正电路，用于向所述调制器提供由非线性表征的校正信号，包括感测从所述输出电感器到所述输出端的电流的电流传感器。
2.根据权利要求I所述的放大器，所述校正电路还包括在所述输出端处的电压传感器，耦合到所述校正电路。
3.根据权利要求2所述的放大器，其中所述感测的电压通过修改所述非线性的形状来修改所述校正信号。
4.根据权利要求I所述的放大器，其中所述开关电路由占空比表征，并且其中所述校正信号修改所述占空比。
5.根据权利要求I所述的放大器，其中所述校正电路包括用于提供所述校正信号的软限幅器。
6.一种用于操作放大器的方法，包括 根据占空比关断和闭合多个开关，以控制向输出端提供的电压； 测量经过电感器去往所述输出端的电流； 感测经过所述电感器去往所述输出端的所述电流，以提供感测的电流测量； 基于所述感测的电流测量，向所述占空比施加非线性校正信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述非线性校正信号响应于在所述输出端处的所述电压。
全文摘要
一种D类放大器，包括用于向脉冲误差失真施加非线性校正的电路。放大器包括输出电压控制电路，包括至少两个开关，由调制器控制；输出电感器，将开关电路耦合到输出端；以及校正电路，用于向调制器提供由非线性表征的校正信号。校正电路包括感测从输出电感器到输出端的电流的电流传感器。
文档编号H03F3/217GK102792583SQ201180012279
公开日2012年11月21日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年3月4日
发明者T·希恩 申请人:伯斯有限公司