开关模式放大器操作的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种开关模式放大器和方法。包括两个串联的电抗组件在内的分压器(310、312)在中心线(308)上产生在第一线(304)和第二线(306)上接收到的电压的一部分。开关结构(316、318)通过以下配置之一来产生针对第一端口或第二端口的电源电压的一部分：1)第一配置，将第一端口连接到第一输入以及将第二端口连接到中心线(410)；或2)第二配置，将第一端口连接到中心线以及将第二端口连接到第二输入(412)。控制器(210)对命令序列进行响应，以通过在第一配置和第二配置之间交替开关结构来提供电压的一部分。
【专利说明】开关模式放大器操作
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及开关模式信号放大器，且更具体地涉及多输出电平开关模式功率放大器的高效操作。
【背景技术】
[0002]在很多应用中将开关模式放大器(有时也被称为“D类”放大器)作为信号放大器加以并入，特别是在重视高效率电功率利用的应用中。并入开关模式放大器的应用包括:扬声器放大器、超声波换能器驱动器、电机速度控制器、LED亮度控制器、以及很多其他放大或输出电压控制应用。开关模式放大器通过在导电和不导电状态之间快速切换输出元件(例如，晶体管)来工作，以创建脉冲输出波形。通常以比要放大或产生的信号的最高频率分量大得多的频率来切换输出元件。输出元件被配置为传导的持续时间相对于输出元件被配置为不传导的持续时间控制了由放大器向负载传递的电压的短期平均。使用用于移除开关切换分量的低通滤波来产生由脉冲宽度持续时间所表示的所需较低频率信号。在一个示例中，负载并入了电抗组件，包括能量存储器件，例如:电感器、电容器、或任何其他电学结构，以执行电压平均功能并实现该低频滤波，以允许负载仅在使用输出电压的短期平均的情况下工作。开关模式放大器的开/关特性一般导致高功率效率，特别是在与具有有源组件的放大器进行比较时，该放大器使用线性工作模式对信号进行放大。
[0003]本说明书描述了包括一个或多个电抗组件的电路。清楚的是:所述电抗组件能够是严格电抗的，实质上电抗的，或呈现出具有大电抗分量的阻抗。在电感的示例中，大多数实际电感具有电抗分量以及电阻分量，其中，电阻分量可以忽略或很小。如果组件具有电抗分量，即虚数电感分量，则能够将该分量表征为实质上是电抗，其导致流经该器件的、随时间变化的电流的相移取决于在该器件上的随时间变化的电压。在不考虑器件的电阻的情况下，这种分量引入了在对器件施加的电压和电流之间的相移。在不考虑阻抗值的实数分量的值的情况下，可以将包括虚数在内的阻抗值的分量视为实质上是电抗的。
[0004]尽管开关模式放大器一般在将供电功率转换为所需输出信号方面是高效的，已注意到开关模式放大器的效率随着输出信号的输出功率的降低而下降。当以开关模式放大器的总输出功率容量的一小部分来产生输出信号时，产生非常短的持续时间输出脉冲，且向输出负载传递的由放大器消耗的功率量下降。
[0005]因此，当放大器在较大的动态范围上工作时，开关模式放大器的效率和性能受限于从电源到输出信号的低效能量转换。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]附图用于进一步说明各实施例并解释全部根据本公开的各原理和优点，其中，在各视图中，相似的附图标记指代相同或功能上相似的元素，且它们与以下【具体实施方式】一起被并入说明书中并形成了说明书的一部分，在附图中:
[0007]图1不出了根据不例的手持首频设备；[0008]图2示出了根据一个示例的音频放大器子系统；
[0009]图3示出了根据一个示例的开关模式放大器输出驱动器；
[0010]图4示出了根据一个示例的切换配置表；
[0011]图5示出了根据一个示例的正弦波形的脉冲宽度调制(PWM)表示；
[0012]图6示出了根据一个示例的多电平PWM调制器设计；
[0013]图7示出了根据一个示例的电抗分压器电荷平衡过程；
[0014]图8示出了根据一个示例的最小量值输出切换过程；以及
[0015]图9是电子设备及其关联组件的框图。
【具体实施方式】
[0016]根据需求，本文中公开了详细的实施例；然而应当理解:所公开的实施例仅是示例且下文所述系统和方法可以用各种形式来体现。因此，不应将本文所公开的具体结构和功能细节解释为限制性的，而仅仅应作为权利要求的基础以及教导本领域技术人员以各种方式以实质上任何恰当的详细结构和功能来使用所公开的主题的代表基础。此外，本文所使用的术语和短语不意在进行限制，而是提供可理解的描述。
[0017]将如本文所使用的术语“一”或“一个”定义为一个或多于一个。将如本文所使用的术语多个定义为两个或多于两个。将如本文所使用的术语“另一个”定义为至少第二个或更多个。将如本文所使用的术语“包括”和“具有”定义为包括(即，开放式语言)。将如本文所使用的术语“耦合”定义为“连接”，尽管其不一定是直接连接，也不一定是机械连接。术语“被配置为”描述了适于、被设置为、被布置为、被构造为、被构成为、被构建为、被设计为、或具有这些特性的任何组合方式以执行给定功能的硬件、软件、或硬件和软件的组合。术语“适于”描述具有能力、能够适应、进行、或适合执行给定功能的硬件、软件或硬件和软件的组合。在以下讨论中，“手持”用于描述具有在被握于人类手掌中时用于被携带和工作的尺寸、形状、设计、或以其他方式配置的项，例如“手持设备”。
[0018]下面描述的是开关模式放大器及其操作方法，该开关模式放大器及其操作方法提供了例如在大的动态范围上的高效率和低杂散信号内容，允许在从单电压电源接收电功率的同时在多个输出电压之间切换，且能够适应电抗分量值上的制造差异。在一个示例中，下述开关模式放大器从单电压电源接收电功率，例如从电池或其他类型电源组，并通过使用分压器来内部生成至少一个中间电压。在一个示例中，由电抗组件的串联集合(例如，串联的一对电容)构成的电抗分压器生成该中间电压。在附加示例中，电抗分压器能够被实现为两个或更多电感的串联集合，且在电感集合中的电感之一与另一电路元件之间的连接处提供中间电压。在其他示例中，任何类型的降压元件能够被并入开关模式放大器中，例如电阻分压器、反向降压稳压器(bucking voltage reducing regulartor)、或任何类型的降压元件。还清楚的是:由具有多个元件的分压器(例如，多个电容、电感、电阻、其他无源或有源电路元件或这些的任意组合)能够产生多个中间电压，其中，多个中间电压中的每个中间电压在这些元件的联结点处可用。
[0019]对所示示例的描述参考了串联的组件。在本描述中，串联的两个或更多组件包括(但不一定限于):严格串联的两个组件，其中通过一个组件的全部电流也通过另一个组件。清楚的是:对串联的两个或更多组件的引用包括实质上串联的两个或更多组件的情况。如果组件实质上表现得好像他们严格串联一样，且通过一个组件的全部或接近全部电流通过另一个组件，则组件可以具有实质上串联的配置。参考上述示例，具有实质上串联布置的两个或更多电抗组件还能够具有与这两个电抗组件串行耦合的其他组件，例如电阻组件、其他电抗组件、有源组件、或两个或更多这些类型组件的组合。类似地，被描述为并联的组件也能够被布置为实质上并联的配置。在实质上并联的配置中，组件表现得实质上好像他们严格并联。在实质上并联配置的一个示例中，各自具有第一电端子和第二电端子的两个组件具有在各个组件的第一端子之间的电耦合以及在各个组件的第二电端子之间的电耦合。在两个组件之间的一个或两个电耦合能够要么是直接耦合，要么是间接耦合。间接连接能够包括例如以下连接:该连接包括电阻组件、电抗组件、有源组件、或两个或更多这些类型组件的组合。
[0020]开关布置允许双端口负载的每个端口可选择地耦合到双电源线中任意电源线或耦合到中间电压。在以下描述中，开关结构通过能够将特定点连接到一个或多个其他电路点中任意电路点，能够可选择地将特定电路点(例如，端口)耦合到一个或多个其他电路点。
[0021]在各种示例中，开关结构响应于控制、信号、命令、或类似输入，可选择地将特定点耦合到其他电路点之一。通过将双端口负载的每个端口可选择地耦合到三条线之一，其中，每条线处于不同的电压电势，开关模式放大器输出能够被配置为在双端口负载上传输5个电压电平之一。在5个电压电平之间切换允许将输出电压更好地匹配所需放大信号电平输出，由此增加脉冲调制输出的占空比(duty cycle)，降低杂散信号内容并在宽的动态范围上增加将电源能量转换为输出能量的效率。
[0022]下面描述的一个示例的开关模式放大器使用包括两个串联电容在内的分压器来生成作为从单电压电源接收到的电压的一部分的中间电压。在该示例中，开关模式放大器通过在分压器的两个电容之间交替，传输来自分压器的电流。如下面更详细描述的，交替电容分压器的抽取电流的电容用于维持电容分压器的中点上的电流，且还用于适应电容分压器中每个电容的实际电容值的变化。
[0023]例如在下面描述的示例中的开关模式放大器特别适用于由电源组(例如电池)来操作的小型便携设备。下面描述的系统通过使用由无源元件构成的分压器，从(例如，由电池或其他电源组有效提供的)单一电压电源生成两个或更多电压电平。一个示例的电容分压器高效操作，其不包括消耗能量或消散热量的有源组件，且一般不包括抽取除了向其负载传输的电流之外的电流的电路路径。这种方案改进了将从电源接收到的能量转换为向开关模式放大器的负载传输的信号能量的效率。
[0024]将无源电容组件用于从单一电压电源生成第二电压允许实现具有小的物理尺寸并在其分压组件和其输出电压切换组件中几乎不消散功率(这将以浪费的热量的形式消散)的开关模式放大器。除了保存能量之外，例如保存来自有限能量电源组的能量，分压和电压切换组件的低功率消散还允许设计具有更小物理尺寸和潜在更轻的开关模式放大器。消散更低浪费热量的量的电路避免了对物理设计方面的需要，例如更大的组件间隔、大的散热器、以及需要消散更大浪费热量的量的其他消耗物理尺寸的设计特征。
[0025]例如如下面示例中描述的生成较低浪费热量消散的量的开关模式放大器能够让开关模式放大器的组件以及在开关模式放大器附近的其他组件具有更低工作温度。由于较少的热应力、环境温度工作范围的增加、对于例如手持设备有利的较低的外壳温度、以及这些优势的组合，这种较低的工作温度能够导致更大的可靠性。
[0026]下面描述的开关模式放大器能够被并入任何类型的设备中。在一个示例中，开关模式放大器放大音频信号，以提供放大的较高功率信号，以正确操作物理扬声器来产生音频信号。其他应用包括驱动任何类型的负载，例如灯、电机、或任何类型负载。下面描述的开关模式放大器能够被并入手持设备、安装在车辆、设施或其他位置中的电子设备、较大的电子设备、或任何类型的电子组件。
[0027]图1示出了根据示例的手持音频设备100。手持音频设备100是能够包括如下面描述的开关模式音频放大器在内的便携电子设备的示例。在本示例中，手持音频设备100是无线语音和数据通信设备，例如智能电话。所示手持音频设备100是能够包括本文所述开关模式音频放大器的示例在内的电子设备的示例。能够包括开关模式音频放大器在内的电子设备的其他示例包括:蜂窝电话手机、电话手机、个人音频系统、便携或固定音频设备、其他音频再现设备、扩音器系统等等。
[0028]手持音频设备100包括手持主体102，手持主体102用作各种组件的外壳，且还包括用于一些组件的安装位置。示出为安装在手持主体102的外面位置的是:耳机扬声器112、扩音器104、显示屏110、以及语音麦克风106。在手持主体102中安装其他电子组件，以提供功能，由此手持音频设备100能够作为无线语音和数据通信设备来工作，并执行其他音频和数据处理功能。这些组件的所示位置仅是在手持主体102上用于这些各种组件的很多可能安装位置的一个示例。
[0029]耳机扬声器112位于手持主体102上在将手持音频设备固定到用户头部时有可能与用户的耳朵重合的位置上。该布置在将手持音频设备用作电话时特别有用。一般而言，耳机扬声器112生成具有相对低电平的声学声音，因为一般将耳机扬声器固定到用户的耳朵上。尽管耳机扬声器112通常使用具有低电平的声学信号，在手持音频设备100中执行一定量的音频信号功率放大，以正确驱动耳机扬声器。在一个不例中，由例如下面详细描述的开关模式音频放大器来提供该放大。
[0030]所示手持主体102示出了手持音频设备100的外观的视图，其示出了手持音频设备100的正面120和左侧122。扩音器104位于手持音频设备100的左侧122，以允许从手持主体102有效广播由扩音器104生成的声音，同时当扩音器正在产生声音时将手持主体102无意中固定到用户的耳朵时扩音器不会离用户的耳朵过近。一般而言，扩音器104比耳机扬声器112生成具有更高电平的声学信号。手持音频设备100包括音频放大器(例如，下面描述的开关模式音频放大器)，以生成用于正确驱动扩音器104产生所需声学声音电平的电信号。在其他示例中，扩音器104能够被安装在手持主体102上的任何位置处。此夕卜，能够在手持主体102上任何位置处安装多个扩音器、一个或多个其他声音生成设备、或这二者。此外，能够将一个或多个扩音器或声音生成设备电连接到手持音频设备100并位于与手持主体102分离的位置处。
[0031]图2示出了根据一个示例的音频放大器子系统200。音频放大器子系统200是上述手持音频设备100的音频放大器组件的示例，其用于生成较高功率音频信号，以驱动例如一个或多个音频换能器(例如，上述耳机扬声器112和扩音器104中一个或两个)。在其他示例中，音频放大器子系统200是接收音频信号并产生电子音频输出或声学音频输出的音频放大设备的示例。在该示例中，音频放大器子系统200包括输出驱动器214，该输出驱动器214在开关或D类放大模式下工作，以向负载(例如,能够包括声音生成扬声器在内的负载Z220)提供合适的电信号，以在本示例中使得负载Z220发声。
[0032]所示音频放大器子系统200包括接收要放大的音频信号的两类信号接口:接受模拟输入202的模拟接口 204和接受数字输入206的数字接口 208。模拟接口 204和数字接口 208均是能够提供音频输入的示例。在所示示例中，模拟输入202和数字输入206传递信息，该信息定义了要放大的声波，以供接受较高电平电信号的组件来使用，例如由电抗负载Z220所表不的扬声器。在各种不例中，这些输入中的仅一个输入能够出现在音频放大器中，或在具有或不具有这些所示接口中的一个接口或两个接口的情况下能够包括一个或多个其他类型的信号输入。
[0033]如相关领域中普通技术人员所理解的，模拟输入202 —般借助变化的电压来传递信号，其中，变化的电压表不要放大的信号，以驱动扬声器来输出由输入信号表不的输出声学能量。数字输入206类似地传递表不要放大的信号的信息，以驱动扬声器输出声学能量，但是数字输入206 —般传递数字值的时间序列，其指示了要放大的输入音频信号的电平，并输出为声学能量。在一个示例中，数字输入206能够传递与传递相同声音信息的声学输入202的相对电压电平相对应的值序列。
[0034]模拟接口 204接收模拟输入202并调节在模拟输入上接收到的信号，以正确驱动音频放大器子系统200的其他元件。在一个示例中，模拟接口接收表示要放大并作为声学能量发射的音频信号的具有时间变化电压电平的模拟信号。数字接口 208接收数字数据，作为串行数据序列、并行数据接口、或多个级别数据接口中一项或多项。数字接口 208在一个示例中还执行针对接收数字输入206的时钟同步，要么通过分离的数据时钟信号，要么通过其他数据时钟同步技术。
[0035]脉宽调制(PWM)调制器210从模拟接口 204和数字接口 208中一个或两个接收数据。PWM调制器210在一个示例中是基于从模拟接口 204和数字接口 208中任一个或两个接收到的输入信号的值来生成要向输出驱动器214提供的输出电压命令的控制器。由PWM调制器210生成的命令时用于在负载Z220上提供特定输出电压的指示的示例。在一个示例中，PWM调制器210生成用于指示输出驱动器214输出特定电压电平一段特定时间的命令，该特定电压电平是从多个可能值之一中选择的。PWM调制器210在一个示例中根据音频D类开关模式放大器中的类似组件进行工作，其细节对于相关领域中普通技术人员来说是熟悉的。在一个不例中，PWM调制器210能够产生用于在负载的第一端口和第二端口上提供零电压、电源电压的一部分、或电源电压之一的指示。在一个示例中，用于提供电源电压的一部分和电源电压的指示还能够指定该电压的极性，其中，极性能够是第一极性或与第一极性相反的相反极性。
[0036]在一个示例中，PWM调制器210通过将输入信号的当前值与一个或多个高频波形比较，来确定用于向输出驱动器214提供的命令。一个示例的振荡器212生成一个或多个高频锯齿波形或三角波形，该高频锯齿波形或三角波形在PWM调制器210中与输入信号进行比较，以确定要向负载Z220提供的输出电压。在一个示例中，将接收到的输入信号的当前值与一个或多个高频锯齿波形或三角波形的当前值比较，且在输入信号超过振荡器212生成的高频波形的值时，PWM调制器210向输出驱动器214发送命令:只要接收到的输入信号超过振荡器212生成的波形的当前值,就改变向负载Z220传输的输出电压。在各种不例中，能够使用执行例如对输入信号与振荡器212产生的一个或多个高频波形的比较的模拟电路、数字电路、或模拟和数字电路的组合来实现PWM调制器210。
[0037]输出驱动器214在一个示例中从电源216接收能量，并通过输出218向负载Z220提供时间变化输出电压。在一个示例中，如下面更详细描述的，电源216在两个电源线上产生单输出电压，且如下面详细描述的，一个示例的输出驱动器214用于通过在不同的电源线上将负载Z220可选择I禹合到分压器的输出来传输5种可能的输出电压。
[0038]在一个示例中，向负载Z220传输的输出电压以振荡器212生成的高频锯齿波形或三角波形的频率的平均频率来改变。随着振荡器212生成的高频锯齿波形或三角波形超过或低于模拟输入202或数字输入206接收到的输入音频信号的当前值，输出驱动器214改变向负载Z220传输的输出电压。负载Z220的电学特性在一个不例中对输出驱动器214产生的输出的高频分量进行削弱，且由负载Z220向一些组件(例如对音频信号进行响应的声学换能器)仅传递对输入信号进行复制的较低频率音频信号，以产生要向周围空间发射的声学信号。
[0039]输出负载Z220在一个不例中是声学信号生成器,例如扬声器。在各种不例中，输出负载Z220能够是可以被施加电信号的任何类型的负载。在各种示例中，负载Z220能够是电抗、电阻、或具有针对电能量流的任何类型阻抗。
[0040]图3示出了根据一个示例的开关模式放大器输出驱动器300。开关模式放大器输出驱动器300是在上文所述音频放大器子系统200中使用的输出驱动器214的示例。开关模式放大器输出驱动器300从电压源302接收电功率，并可选择地连接负载Z340的两个端口中的每个端口，使得端口处于三种可能电压之一的电势上。
[0041]开关模式放大器输出驱动器300具有来自电压源302的直流(DC)功率输入，电压源302在正电压线304和负电压线306上提供电源电压。正电压线304是第一输入的示例且负电压线306是第二输入的示例。正电压线304和负电压线306形成了电源输入，其从电压源302接收电源电压。在各种示例中，电压源302能够是包括开关模式放大器输出驱动器在内的设备的一部分，或电源能够在这种设备的外部。
[0042]一个示例的开关模式放大器输出驱动器300具有在中心线308上产生电压的电抗分压器，其中，中心线308上的电压是在正电压线304和负电压线306处出现的电压的一部分。在各种示例中，能够使用任何类型的分压器，例如反向分压器(bucking voltagedivider)、电阻分压器、在分压电路中包括电抗组件的分压器、或能够使用的任何类型降压处理。
[0043]在所示示例中，产生正电压线304和负电压线306之间的电压的降压处理器包括在分压布置中布置的电抗组件。开关模式放大器输出驱动器300具有分压器，该分压器由在正电压线304和负电压线306之间串联的两个电容构成。第一电容310连接正电压线304和中心线308，且第二电容312将中心线308连接到负电压线306。第一电容310和第二电容312作为分压器工作，使得在中心线308处出现的电压在正电压线304和负电压线306处出现的电压之间。在中心线308处出现的电压取决于这两个电容中每个电容的极板上的电荷量。在一个示例中，第一电容310和第二电容312被规定为具有相等值，且这些电容的实际值将一般在这些组件彼此的制造公差内。[0044]基于在开关模式放大器的操作期间要通过这些电容传输的电流量,来选择第一电容310和第二电容312的电容值。这些电容的电容值一般取决于输出驱动器214的切换频率，如上所述，该输出驱动器214的切换频率基于从振荡器212接收到的波形的频率。随着输出驱动器的切换频率增加，要由这些电容提供的能量下降，且因此电容的值下降。
[0045]将电压源302不出为在正电压线304和负电压线306之间传输单输出电压。一般而言，能够将来自电压源302的输出线之一连接到系统接地电势。例如，电子设备(例如，手持音频设备100)能够具有电池、电源组、或其他电源，其具有连接到设备内的接地结构的一个输出线。在一个示例中，负电压线306能够被连接到电子设备的系统接地，且正电压下304对应于正电源电压。一般而言，一个电源输出到系统接地电势的连接不影响开关模式放大器输出驱动器300的操作。例如，负载340在一个示例中与系统接地电势绝缘。
[0046]开关模式放大器输出驱动器300包括第一开关S1316和第二开关S2318。第一开关S1316可选择的将负载340的第一端口连接到正电压线304、中心线308、和负电压线306中任意一个。第二开关S2318可选择的将负载340的第二端口连接到正电压线304、中心线308、和负电压线306中任意一个。在该示例中，第一开关S1316和第二开关S2318形成了开关结构，该开关结构可被配置为:将负载340的第一端口和第二端口可选择地耦合到正电压线、负电压线和中心线中任意一个。
[0047]在一个示例中，第一开关S1316和第二开关S2318由PWM调制器来控制，例如上述PWM调制器210。第一开关S1316和第二开关S2318能够通过任何可控开关设计来实现。在一个示例中，第一开关S1316和第二开关S2318中的每一个包括三个半导体开关器件，例如场效应晶体管(FET)。在各种示例中，第一开关S1316和第二开关S2318能够通过由一个或多个任何类型FET构成的电路来实现，例如J-FET、CMOS-FET, SiC-MOS-FET、或双极性晶体管(例如，绝缘栅双极性晶体管(IGBT))。
[0048]在包括FET以实现负载到电源线的耦合的开关模式放大器输出驱动器300的示例中，第一开关S1316的第一 FET将负载340的第一端口 342经由第一开关正接触器320耦合到正电压线304。第一开关S1316的第二 FET将负载340的第一端口 342经由第一开关中心线接触器322耦合到中心线308。第一开关S1316的第三FET将负载340的第一端口经由第一开关负接触器324耦合到负电压线306。第二开关S2318的三个FET类似地将负载340的第二端口 344:1)经由第二开关正接触器330耦合到正电压线304 ；2)经由第二开关中心线接触器332耦合到中心线308 ;以及3)经由第二开关负接触器334耦合到负电压线306。在一个示例中，这些FET由来自PWM调制器210的信号来控制，该信号基于例如要放大的输入信号的电平来指示特定耦合。
[0049]如下所述，第一开关S1316和第二块开关S2318的配置允许在负载340上的电压是五(5)种可能电压之一。在以下讨论中，参考负载340的第一端口 342来描述负载340上的电压极性，将负载340的第一端口 342视为负载340的“正”端口。根据该定向来描述负载340上的电压极性，以清楚地描述本示例中开关模式放大器输出驱动器300的操作。选择该极性定向不以任何方式限制负载340的操作。
[0050]当第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关正接触器340时，通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关正接触器330，能够在负载340上施加零电压。此外，当第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关正接触器320时，通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关中心线接触器332，能够在负载340上施加电源电压V的一部分,该电源电压V的一部分是通过在第一电容器C1310和第二电容器C312的值之间的关系来确定的。在以下讨论中，假定在正电压线304和中心线308之间出现的电源电压(用“V”来指示)的一部分是I / 2V伏。通过在第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关正接触器320时将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关负接触器334，能够在负载340上施加电源电压V。
[0051]当第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关中心线接触器322时，通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关正接触器330，能够在负载340上施加负的二分之一电压(-1 / 2V)，通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关中心线接触器332，能够在负载340上施加零电压，以及通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关负接触器334，能够在负载340上施加正的二分之一电压(+1 /2V)。
[0052]当第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关负电压接触器324时，通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关正接触器330，能够在负载340上施加电压源302的具有负极性的输出电压(即，-V)。此外，通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关中心线接触器332，能够在负载340上施加-1 / 2V，以及通过将第二开关318配置为将第二端口 344耦合到第二开关负接触器334，能够在负载340上施加零电压。
[0053]第一开关S1316的三种可能配置与第二开关S2318的三种可能配置的组合产生了九种可能的状态。如针对第一开关S1316和第二开关S2318的配置的上述组合所指示的，能够选择多于一个开关配置来产生负载340上的相同电压。例如，通过以下方式在负载上施加+1 / 2V:1)将第一端口 342耦合到第一开关正接触器320以及将第二端口 344耦合到第二开关中心线接触器332，或2)将第一端口 342耦合到第一开关中心线接触器322以及将第二端口 344耦合到第二开关负电压接触器334。
[0054]上述开关模式放大器输出驱动器300示出了具有两个电容(第一电容310和第二电容312)的产生一个中间电压的电抗分压器。在其他示例中，能够通过包括由彼此串联的多个电容构成的分压器，来产生附加的中间电压，其中，在这些串联电容中的每个电容的联结处产生不同的中间电压。这种示例的输出开关结构用于将负载340的两个端口中的每个端口可选择地耦合到正电压线、负电压线、或被配置为多电平分压器的多个电容的串联序列的两个电容之间的任何联结。
[0055]图4示出了根据一个示例的切换配置表400。对切换配置表400的以下描述参考了图3所示的、并关于开关模式放大器输出驱动器300来描述的组件。切换配置表400示出了由第一开关S316和第二开关S2318的九种可能配置中的每种可能配置中的第一开关S1316和第二开关S2318所进行的可选择耦合。切换配置表400包括配置号列402，该配置号列402具有标题“切换配置”，并规定了每个配置的标识符，如下文描述的。切换配置表400还包括输出电压列404,该输出电压列404指不了向负载Z340传输的输出电压。如上所述，基于开关的配置，向负载Z340传输的电压能够具有正极性或负极性。切换配置表400还包括切换耦合列406，该切换耦合列406定义了第一开关S1316和第二开关S2318的耦
八
口 ο[0056]切换配置表400包括第一行410，第一行410示出了第一配置的信息。第一配置在负载Z340上传输+1 / 2V电压。在该第一配置中，第一开关S1316将第一端口 342稱合到第一开关正接触器320，且由此耦合到正电压线304。在第一配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关中心线接触器332，并由此耦合到中心线308。
[0057]切换配置表400包括第二行412，第二行412示出了第二配置的信息。第二配置在负载Z340上也传输+1 / 2V电压。在该第二配置中，第一开关S1316将第一端口 342 f禹合到第一开关中心接触器322，且由此耦合到中心线308。在第二配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关负电压接触器334，并由此耦合到负电压线306。
[0058]切换配置表400包括第三行414，第三行414示出了第三配置的信息。第三配置在负载Z340上传输-1 / 2V电压。在该第三配置中，第一开关S1316将第一端口 342稱合到第一开关中心接触器322，且由此耦合到中心线308。在第三配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关正电压接触器330，并由此耦合到正电压线304。
[0059]切换配置表400包括第四行416，第四行416示出了第四配置的信息。除了第三配置之外，第四配置在负载Z340上也传输-1 / 2V电压。在该第四配置中，第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关正接触器320，且由此耦合到正电压线304。在第四配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关中心线接触器332，并由此耦合到中心线308。
[0060]切换配置表400包括第五行418，第五行418示出了第五配置的信息。第五配置在负载Z340上传输零伏(OV)电压。在该第五配置中，第一开关S1316将第一端口 342 f禹合到第一开关正电压接触器320，且由此耦合到正电压线304。在第五配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关正电压接触器330，并由此耦合到正电压线304。
[0061]切换配置表400包括第六行420，第六行420示出了第六配置的信息。除了第五配置之外，第六配置在负载Z340上也传输OV电压。在该第六配置中，第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关中心接触器322，且由此耦合到中心线308。在第六配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关中心线接触器332，并由此耦合到中心线308。
[0062]切换配置表400包括第七行422，第七行422示出了第七配置的信息。除了第五配置和第六配置之外，第七配置在负载Z340上也传输OV电压。在该第七配置中，第一开关S1316将第一端口 342耦合到第一开关负电压接触器324，且由此耦合到负电压线306。在第七配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关负电压接触器334，并由此耦合到负电压线306。
[0063]切换配置表400包括第八行424，第八行424示出了第八配置的信息。第八配置在负载Z340上传输电压+V。在该第八配置中，第一开关S1316将第一端口 342稱合到第一开关正电压接触器320，且由此耦合到正电压线304。在第八配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关负电压接触器334，并由此耦合到负电压线306。
[0064]切换配置表400包括第九行426，第九行426示出了第九配置的信息。第九配置在负载Z340上传输电压-V。在该第九配置中，第一开关S1316将第一端口 342稱合到第一开关负电压接触器324，且由此耦合到负电压线306。在第九配置中，第二开关S2318将第二端口 344耦合到第二开关正电压接触器330，并由此耦合到正电压线304。
[0065]图5示出了根据一个示例的正弦波形500的脉宽调制(PWM)表示。正弦波形500的PWM表示是由音频放大器子系统200产生的输出电子波形的示例，即通过第一开关S1316和第二开关S2318的操作向负载Z220或负载340呈现的电子波形。对正弦波形500的PWM表示的以下描述参考了音频放大器子系统200的组件，以方便对所示信号进行描述以及更清楚地解释特定特征。在对正弦波形500的PWM表示的该描述中所提出的原理代表了并入本文所述原理的开关模式放大器电路的操作和输出。
[0066]对正弦波形500的PWM表示的描述示出了表示由输出驱动器214和开关模式放大器输出驱动器300产生的切换电压的低频分量的正弦波形520。正弦波形500的PWM表示示出了切换输出波形522，切换输出波形522是通过在上面参考图4针对切换配置表400所描述的切换配置之间对开关模式放大器输出驱动器214的切换配置进行交替所产生的。
[0067]一般而言，输出驱动器214的输出是以比音频放大器子系统200接收到的输入波形的最高频率分量高得多的频率来切换的。如上所述，在开关模式放大器输出驱动器300中的切换是由PWM调制器210来配置的，以将双端口负载阻抗的每个端口连接到处于不同电压电平的三条线之一。如上所述，输出驱动器300可选择地将每个端口连接到作为正电压线304的+V线、作为负电压线306的-V线、以及作为在+V线304和-V线306的电压电平之间的电压的中心线308。如上所述，中心线的电压电平在一个示例中在+V线304和-V线306的电压电平之间一半处，且由包括两个电抗组件(例如,第一电容310和第二电容312)在内的分压器来创建该电压电平。
[0068]正弦波形500的PWM表示示出了由输出驱动器216响应于上面参考图2来描述的由音频放大器子系统200接收到的正弦波形输入所产生的电压电平。能够在模拟接口 204或数字接口 208处接收该输入波形。如上所述，针对音频放大器子系统200或类似系统的输入能够具有任何类型的数字或模拟形式。
[0069]正弦波形500的PWM表示示出了正弦波形520，在该示例中，正弦波形520对应于正弦输入波形。示出正弦波形，以简化对所示示例的特定方面的描述，且针对开关模式放大器的输入波形能够具有任何形状或值序列。一般而言，输入波形的频率分量一般被限制为定义带宽，例如音频信号的带宽。所示正弦波形520反映了由输出驱动器214产生的切换电压电平的低频分量。由输出驱动器214产生的切换电压电平的较高频率分量一般由负载Z220的组件过滤掉。在一个示例中，负载Z220包括第二换能器(例如，扬声器)，该第二换能器对输入信号的落入可听频段的频率分量加以响应，该可听频段对应于例如人类听觉。声音换能器在一个示例中还不对落在可听频段之外的频率分量(例如，在频率方面更高的频率分量)加以响应。
[0070]正弦波形500的PWM表示示出了沿着水平方向的时间轴502和沿着垂直方向的电压轴504。电压轴504示出了五(5)个电压电平:-V电平506、-1 / 2V电平508、零(O)电压电平510、+1 / 2V电平512、以及+V电平514。这些输出电压电平对应于关于图4描述的切换配置表400中示出的输出电压。在该示例中，+V电平514和-V电平506之间的电压等于由电源216产生的单端电源电压。如在切换配置表400的描述中注意到的:能够通过多个切换配置来生成某些电压，例如零电压或+1 / 2V电平或-1 / 2V电平。
[0071]将时间轴502分为六个时间间隔或持续时间，这六个时间间隔基于由输出驱动器214产生的正弦波形520的电压范围来识别。该电压范围对应于输入信号(根据该输入信号来生成输出信号)的电压范围。在第一持续时间550期间，开关模式放大器输出驱动器300通过在各电压电平之间交替连接负载340的两个端口来产生切换输出波形522的第一部分532，电压电平要么相等，且在负载340上产生具有等于零伏电平510的净电压的第一部分输出530，电压电平要么相差正的半(+1 / 2) V，且因此产生等于+1 / 2V电平512的净电压。在本示例中，通过改变在负载阻抗上施加的零伏的时间和在负载阻抗上施加+1 /2V的时间量的比率，能够产生由正弦波形520表示的短期平均电压。当具有与正弦波形520的类似形状的输入信号具有接近零的值时，输出驱动器在负载340上施加零伏的持续时间比在负载340上施加+1 / 2V的持续时间更长。随着输入波形电压增加到更接近与正弦波形520的更接近+1 / 2V的输出电压相对应的值，输出驱动器在负载340上施加+1 / 2V的持续时间比在负载340上施加零伏的持续时间更长。
[0072]在第二持续时间552期间，正弦波形520具有在+1 / 2V电平512和+V电平514之间的值。为了产生切换输出波形522的第二部分532,开关模式放大器输出驱动器300在各电压电平之间交替连接负载340的两个端口，该电压电平要么在负载340上产生+1 / 2V电平512,要么在负载340上产生+V电平514。以类似于上面关于第一部分530描述的在产生不同输出电压范围中的输出时的方式，当输入信号具有与正弦波形520值相对应的接近+1 / 2V电平512的电压值时，输出驱动器在负载340上施加+1 / 2V的持续时间比在负载340上施加+V的持续时间更长。随着输入信号接近接近与正弦波形520相对应的更接近+V电平514的值，开关模式放大器输出驱动器300在负载340上施加+V的持续时间比在负载340上施加+1 / 2伏的持续时间更长。
[0073]类似于第一部分530来描述正弦波形500的PWM表示的第三持续时间554，除了在第三部分534期间，正弦波形520的值是递减的。在第三持续时间534期间，开关模式放大器输出驱动器300通过将开关配置为在负载阻抗上要么施加+1 / 2V电平512要么施加零伏电平510相应持续时间，在第三持续时间期间产生与正弦波形520相对应的低频分量，来生成切换输出波形522的第三部分输出554。
[0074]在第四持续时间556期间，输入信号具有导致正弦波形520具有在零伏电平510和-1 / 2V电平508之间的值的电压值。为了产生第四部分输出536,开关模式放大器输出驱动器300在零伏电平510或-1 / 2V电平508之间交替连接负载340的两个端口。以类似于上述的方式，当正弦波形520具有接近零伏电平510的值时，输出驱动器214在负载340上时间零伏的持续时间比在负载阻抗具有在其上的-1 / 2V电平508的持续时间更长。随着正弦波形520更接近-1 / 2V电平，开关模式放大器输出驱动器300在负载340上施加-1 / 2V电平508的持续时间比在负载340上施加零伏电平510的持续时间更长。正弦波形500的PWM表示还示出了第六持续时间560，其类似于第四持续时间556，相似之处在于第六部分输出540是通过在-1 / 2V电平508和零伏电平510之间切换来创建的，但区别之处在于:在第六持续时间560期间正弦波形520的值是递增的。
[0075]在第五持续时间558期间，输入信号具有与正弦波形520相对应的值，正弦波形520具有在-1 / 2V电平508和-V电平506之间的值。为了产生该输出波形，开关模式放大器输出驱动器300在要么在负载340上产生-1 / 2V电平508，要么在负载340上产生-V电平506之间交替连接负载340的两个端口。以类似于上述的方式，当正弦波形520具有接近-1 / 2V电平508的值时，输出驱动器在负载340上施加-1 / 2V电平508的持续时间比在负载340上施加-V电平506的持续时间更长。随着正弦波形520更接近-V电平506,开关模式放大器输出驱动器300在负载340上施加-V电平506的持续时间比在负载340上施加-1 / 2V电平508的持续时间更长。
[0076]如上所述，一个示例的开关模式放大器输出驱动器300改变在负载340上施加两个所述电压中每个所述电压的时间的比率，以创建所需的短期平均电压。如正弦波形500的PWM表示中的正弦波形520所表示的低频分量信号中包含的短期平均电压能够通过改变在负载340上施加上述电压中每个电压的持续时间的比率来准确控制。
[0077]上述开关模式放大器输出驱动器300能够在负载340上施加五(5)种电压之一。一个示例的开关模式放大器输出驱动器300用于在基于向负载阻抗提供的低频分量信号的值来选择的两个电压之间进行切换。一个示例的开关模式放大器输出驱动器300还在最彼此接近的两个电压之间切换在负载阻抗上施加的电压。在上述示例中，在量值相差I /2V的两个电压之间切换在输出负载340上的电压。
[0078]与在相差I / 2V的电压之间切换的上述示例相对地，其他示例能够通过在具有更大差异的电压之间切换，在负载阻抗处生成特定低频分量信号。这种其他示例的一个实例能够通过在零伏和+V之间切换生成具有正电压的低频分量。通过在零伏和-V之间切换生成负电压。调整在负载阻抗上施加的这些电压中的每个电压的持续时间的比率，以使得向负载阻抗传输所需低频分量。与上述示例的I / 2V切换量值相比，将输出电压切换更大的量可以导致要滤掉的更大量的更高频率信号，以产生所需低频分量。
[0079]图6示出了根据一个示例的多电平调制器设计600。多电平PWM调制器设计600示出了 PWM调制器602的一个设计及其关联连接，PWM调制器602能够接受输入信号604并配置开关模式放大器的输出驱动器，以提供输入信号的放大版本。如上所述，输入信号604能够具有模拟格式、数字格式、或向PWM调制器602传输输入信号信息的任何格式。
[0080]该示例的PWM调制器602包括电平检测器606和电平比较器608。参考上述通过在设置的输出电压电平之间切换来产生切换输出信号的不例，电平检测器606被配置为确定与这些设置的输出电压电平相对应的输入信号电平。如上所述，将有效输入信号规定为具有在+全量程值和-全量程值之间的电平。在一个示例中，对超过该范围的输入值如同该范围的最大值一样来处理，即，将超过+全量程值的输入值如同它们在+全量程值处一样处理，将小于-全量程值的输入值如同它们在-全量程值处一样处理。
[0081]使用图5所不不例，通过在五(5)种输出电压电平之间切换来产生切换输出信号:-V电平506、-1 / 2V电平508、零(O)电压电平510、+1 / 2V电平512、以及+V电平514。在这种示例中，响应于具有等于+全量程值的值的输入信号来产生+V电平514，以及响应于具有等于-全量程值的值的输入信号来产生-V电平506。电平检测器606检测输入信号的值相对于导致输出规定输出电压电平(即，与-V电平506、-1 / 2V电平508、零(O)电压电平510、+1 / 2V电平512、以及+V电平514相对应的上述五(5)种输出电压电平)中任意电压电平的阈值的关系。
[0082]电平比较器608从振荡器212接收锯齿波形622或三角波形620。由振荡器212生成的锯齿波形622和三角波形620如上所述。电平比较器608在一个示例中确定了在电平检测器606检测到的电平之间的范围内的输入信号604的值。在上述输出驱动器在五个电平之间切换的示例中，在这五个值之间内在4个值区间。参考图5，落在与输出电压电平相对应的值之间的输入信号值落在四个区间中。具体地，第一输入区间存在于与-V电平506和-1 / 2V电平508之间的输出相对应的输入值之间，第二输入区间存在于与零(O)电压电平510和-1 / 2V电平508之间的输出相对应的输入值之间，第三输入区间存在于与零电压电平510和+1 / 2V电平512之间的输出相对应的输入值之间，以及第四输入区间存在于与+1 / 2V电平512和+V电平514之间的输出相对应的输入值之间。
[0083]电平比较器608确定在两个输出电压电平之间切换的定时。在一个示例中，电平比较器608从电平检测器606接收电平信息，以例如偏移输入信号604的电平，以将输入区间中的输入信号正确对准，用于与从振荡器212接收到的锯齿波形或三角波形进行比较。
[0084]一个示例的PWM调制器602产生区间输出612和改变输出614。区间输出612和改变输出614是对在负载(例如，上述负载Z220)上提供的电压的命令或指示的示例。区间输出定义了输出电压所落入的区间。在一个示例中，这些区间由两个电压来定义，在这两个电压之间切换输出。在第一区间的示例中，在-V电平506和-1 / 2V电平508之间切换输出电压。使用改变输出614来确定产生这两个输出电压中的哪一个。不同的声明:改变输出614规定了何时在定义区间的两个输出电压之间改变。
[0085]向切换驱动器630提供区间输出612和改变输出614。切换驱动器630接收区间输出612和改变输出614，它们是对在负载的两个端口上提供的电压的指示。切换驱动器630通过产生用于控制在输出驱动器(例如，开关模式放大器输出驱动器300)中的切换的控制信号，对接收到这些指示加以响应。切换驱动器630产生SI控制信号632，其配置开关模式放大器输出驱动器300的第一开关316。切换驱动器630还产生S2控制信号634,其配置开关模式放大器输出驱动器300的第二开关318。在一个示例中，切换驱动器630响应于接收到对输出电压的指示来产生SI控制信号632和S2控制信号634，以在负载上提供由区间输出612和改变输出614传递的输出电压。
[0086]图7示出了根据一个示例的电抗分压器电荷平衡过程700。电抗分压器电荷平衡过程700是在操作上述开关模式放大器输出驱动器300时执行的处理的示例，其用于维护在由第一电容310和第二电容312形成的电抗分压器上的电荷的平衡。下面描述的电抗分压器电荷平衡过程700描述了与在由第一开关S1316和第二开关S2318构成的开关模式放大器输出驱动器300中示出的开关结构相对应的输出开关结构的配置。以下描述还参考了上面关于图4所示的切换配置表400来描述的切换配置。
[0087]电抗分压器电荷平衡过程700的操作还用于减少可能由构成用于在中心线308上产生电压的分压器的两个电容(例如，在上述不例中是第一电容310和第二电容312)的实际值中的变化来感生的失真。在一个示例中，中心线308具有作为+V线304和-V线306上的电压的一半的电压，且将第一电容310规定为具有与第二电容312的电容值相等的电容值。然而在实际设备中，这两个电容的值将由于例如以下原因而不同:电容的制造公差、由于各种原因而发生这些组件的老化或劣化。第一电容310和第二电容312的电容值的值的差异导致了在中心线308上出现的电压不同与其规定值。在中心线308的规定电压和实际电压之间的电压差异与第一电容310和第二电容312的实际电容值的差异成正比。
[0088]在中心线308的规定或设计电压与中心线308上的实际电压之间的电压差异的说明中，将第一电容310和第二电容312规定为具有相同的电压值，但是实际的第一电容310的电容值小于第二电容312的电容值。电容值的差异引起中心线308上的电压高于规定值。如上所述，第一开关316和第二开关318的切换配置允许用两种可能配置在负载340上施加+1 / 2V:1)第一配置，将负载340置于在+V线304和中心线308之间；或2)第二配置，将负载340置于中心线308和-V线306之间。在第一配置中，由第一电容310和第二电容312的不等值引起的中心线308上的较高电压使得在负载340上的电压小于规定的+1 / 2V，且在第二配置中，在负载340上的电压大于规定的+1 / 2V。
[0089]通过对将负载340的端口连接到中心线的切换配置进行交替，在负载上施加+1 /2V时在负载上的电压中的变化将随着时间过去而抵消。不同的生命:当Cl > C2时，中心线具有电压+1 / 2V+X，其对应于在第二配置下的负载上的电压。因此第一配置在负载340上产生了电压+1 / 2V-xο通过在+1 / 2V+x和+1 / 2V-x之间交替，平均输出电压(如本示例中负载340的低通滤波所执行的)创建了具有降低的由第一电容310和第二电容312相对于它们的规定值的组件值差异所引起的失真的输出。当在负载340上施加-1 / 2V时，通过电抗分压器电荷平衡过程700来执行类似的失真移除。
[0090]参考上面对音频放大器子系统200和多电平PWM调制器设计600的描述，电抗分压器电荷平衡过程700在一个示例中至少部分由PWM调制器210的组件来执行，例如PWM调制器602的组件。PWM调制器210和PWM调制器602是执行处理以产生对在负载Z220上提供电压的指示的控制器的示例，且还包括用于接收这些指示并将输出驱动器214配置为提供这些电压的组件。
[0091]电抗分压器电荷平衡过程700开始于在702接收输出电压命令。在上面针对开关模式放大器输出驱动器300描述的不例中，输出电压命令能够规定五种可能值之一:+V、+1 / 2V、0V、-1 / 2V、以及-V。在其他示例中，能够构造其他分压结构且不同的可能输出电压命令是可能的。
[0092]在接收到输出电压命令之后，电抗分压器电荷平衡过程700在704确定输出电压命令是否是+V。如果命令是将输出电压设置为+V，则电抗分压器电荷平衡过程700通过在706将输出开关结构配置为第八配置(如上面关于图4所描述的)来继续。然后过程返回在702接收下一个输出电压命令。
[0093]如果输出电压命令不是+V，则电抗分压器电荷平衡过程700在708确定输出电压命令是否是-V。如果命令是将输出电压设置为-V，则电抗分压器电荷平衡过程700通过在710将输出开关结构配置为第九配置(如上面关于图4所描述的)来继续。然后过程返回在702接收下一个输出电压命令。
[0094]如果输出电压命令不是-V，则电抗分压器电荷平衡过程700在712确定输出电压命令是否是+1 / 2V。如果输出电压命令是+1 / 2V，则过程在714确定将输出设置为+1 /2V的在先命令是否是将开关结构配置为第一配置。如果在先+1 / 2V命令是将开关结构配置为第一配置，则过程在716将开关结构配置为第二配置。如果在先+1 / 2V命令不是将开关结构配置为第一配置，则过程通过在718将输出开关结构配置为第一配置来继续。然后过程返回，以在702接收下一个输出电压命令。不同的声明:响应于作为对在负载上提供电压的一部分(例如，+1 / 2V)的指示的输出电压命令而执行的处理，通过将开关结构配置为第一配置来对提供电源电压的一部分的第一指示进行响应，且通过将开关结构配置为第二配置来对提供电源电压的一部分的后续指示进行响应。
[0095]如果输出电压命令不是+1 / 2V，则电抗分压器电荷平衡过程700在720确定输出电压命令是否是-1 / 2V。如果输出电压命令是-1 / 2V，则过程在722确定将输出设置为-1 / 2V的在先命令是否是将开关结构配置为第三配置。如果在先-1 / 2V命令是将开关结构配置为第三配置，则过程在724将开关结构配置为第四配置。如果在先-1 / 2V命令不是将开关结构配置为第三配置，则过程通过在726将输出开关结构配置为第三配置来继续。然后过程返回，以在702接收下一个输出电压命令。不同的声明:响应于作为对在负载上提供具有相反极性的电压的一部分(例如，-1 / 2V)的指示的输出电压命令而执行的处理，通过将开关结构配置为第三配置来对提供具有相反极性的电源电压的一部分的第一指示进行响应，且通过将开关结构配置为第四配置来对提供电源电压的一部分的后续指示进行响应。
[0096]如果输出电压命令不是-1 / 2V，则假定电压命令时将输出电压设置为零(O)伏，因为这是剩下的唯一有效输出电压电平。如果输出电压命令是0V，则过程在728确定将输出设置为OV的在先命令是否是将开关结构配置为第五配置。如果在先OV命令是将开关结构配置为第五配置，则过程在730将开关结构配置为第六配置。如果在先OV命令不是将开关结构配置为第五配置，则过程在732确定将输出设置为OV的在先命令是否是将开关结构配置为第六配置。如果在先OV命令是将开关结构配置为第六配置，则过程在734将开关结构配置为第四配置。如果在先OV命令不是将开关结构配置为第六配置，则过程通过在736将输出开关结构配置为第五配置来继续。然后过程返回，以在702接收下一个输出电压命令。
[0097]电抗分压器电荷平衡过程700在一个示例中用于交替在接收到规定相同输出电压的命令序列时使用的开关结构的配置。如上所述，用于将输出电压设置为零的命令序列使得开关结构在接收到序列的第一命令时被配置为第五配置，在接收到序列的第二命令时被配置为第六配置，以及在接收到序列的第三命令时被配置为第四配置。然后随着接收到将输出电压设置为零的其他命令，重复该配置序列。如本文所使用的，用于将输出电压设置为特定电压电平的多个命令或其他指示通过在时间上彼此连续出现，出现在序列中。用于将输出电压设置为特定电压的这些命令或其他指示能够彼此紧接着连续出现，或能够由一个或多个用于将输出电压设置为其他电压的命令或其他指示来间隔。在序列中出现的用于将输出电压设置为特定电压电平的每个命令能够由用于将输出电压电平设置为另一电压电平的一个命令或指示来间隔，或它们能够由用于将输出电压电平设置为其他电压电平的多个命令或指示来间隔，其中，这多个命令能够指示相同的其他电压电平或不同的其他电压电平。
[0098]图8示出了根据一个示例的最小量值输出切换过程800。最小量值输出切换过程800在一个示例中由PWM调制器214来执行，以命令输出驱动器214以下述方式作为开关模式放大器来工作:响应于切换电压电平的输出电压的改变导致了每个切换间隔处的最小电压改变。这种操作导致减少了由输出驱动器的切换操作所产生的杂散信号，并进一步增强了开关模式放大器的性能。
[0099]参考上述图2，以下讨论涉及一般在“+全量程”值和全量程”
[0100]值之间的“输入信号(Vin) ”。如在音频放大器中共同的，通常针对放大器的输入来规定输入电压范围(或在数字输入信号接口的实例中的数字值范围)，且正常放大器操作假定输入电压在该输入电压范围中。在以下讨论中，将该输入电压范围称为在-全量程值和全量程值之间。在以下讨论中，将输出驱动器的操作描述为在两个电压之间切换。如上所述，使用取决于输入信号Vin的值的占空比来执行在两个电压之间的输出驱动器电压的切换，以在对输出进行低通滤波时在输出驱动器的输出处复制输入信号的波形。
[0101]最小量值输出切换过程800开始于在802接收指示为“Vin”的输入信号。在图3所示示例中，能够通过模拟接口 204或数字接口 208来接收Vin。如上面也描述的，在一个示例中，将接收到的输入信号与锯齿波形或三角波形进行比较，以确定何时在两个电压之间切换输出驱动器，使得它们的低频分量(其大致对应于短期平均值)复制输入波形。
[0102]在接收到输入信号Vin之后，最小量值输出切换过程800在804确定输入信号的值是否在O和+1 / 2全量程之间。如果输入信号在O和+1 / 2全量程之间，则最小量值输出切换过程800操作输出驱动器214，以在806在O和I / 2V之间切换向负载Z220提供的输出218上的输出电压。然后该过程返回，以在802接收下一个输入信号值(Vin)。
[0103]如果输入信号的值不在O和+1 / 2全量程之间，过程在808确定输入信号是否在+1 / 2全量程和全量程之间。如果输入信号在+1 / 2全量程和全量程之间，则最小量值输出切换过程800操作输出驱动器214，以在810在I / 2V和V之间切换向负载Z220提供的输出电压。然后该过程返回，以在802接收下一个输入信号值(Vin)。
[0104]如果输入信号的值不在+1 / 2全量程和+全量程之间，过程在812确定输入信号是否在-1 / 2全量程和零(O)之间。如果输入信号在-1 / 2全量程和零之间，则最小量值输出切换过程800操作输出驱动器214，以在814在-1 / 2V和OV之间切换向负载Z220提供的输出电压。然后该过程返回，以在802接收下一个输入信号值(Vin)。
[0105]如果输入信号的值不在-1 / 2全量程和零之间，过程在816确定输入信号是否在-全量程和-1 / 2全量程之间。如果输入信号在-全量程和-1 / 2全量程之间，则最小量值输出切换过程800操作输出驱动器214，以在818在-1 / 2V和-V之间切换向负载Z220提供的输出电压。然后该过程返回，以在802接收下一个输入信号值(Vin)。
[0106]图9是能够包括上述系统并执行上述方法的电子设备及关联组件900的框图。在该示例中，电子设备952是具有语音和数据通信能力的无线双向通信设备。这种电子设备与无线网络950通信，无线网络950能够包括使用一个或多个无线通信协议的无线语音网络、无线数据网络、或这二者。使用模拟或数字无线通信信道来执行无线语音通信。数据通信允许电子设备952经由互联网与其他计算机系统通信。能够并入上述系统和方法的电子设备的示例包括例如:数据消息收发设备、双向寻呼机、具有数据消息收发能力的蜂窝电话、无线互联网电器、或可以包括或可以不包括电话能力的数据通信设备。
[0107]所示电子设备952是包括双向无线通信功能的示例电子设备。这种电子设备并入了包括无线通信子系统在内的无线通信组件，该无线通信子系统包括诸如无线发射机910、无线接收机912、以及关联组件(例如，一个或多个天线元件914和916)在内的元件。数字信号处理器(DSP) 908执行处理，以从接收到的无线信号中提取数据，并生成要发送的信号。通信子系统的具体设计取决于该设备预期工作所使用的无线通信网络和关联无线通信协议。
[0108]电子设备952包括控制电子设备952的整体操作的微处理器902。微处理器902与上述通信子系统元件交互，且还与其他设备子系统交耳，例如闪存906、随机存取存储器(RAM) 904、辅助输入/输出(I / O)设备938、USB端口 928、显示器934、触摸传感器940、键盘936、扬声器932、音频放大器942、耳机944、短距通信子系统920、定向传感器954、左右手指示器948、电源系统和充电控制器926、以及任何其他设备子系统。
[0109]电子设备952在一个示例中包括麦克风930，其类似于上述麦克风106，其获取包括用户说出的话在内的周围声音。在一个示例中，向微处理器902提供麦克风930获取的声音。该示例中的微处理器902对这种音频信号进行调节并处理，以例如通过上述双向无线通信功能来广播该音频。电子设备952还包括音频放大器942，音频放大器942从例如微处理器902接收音频信号，并对这些信号放大，供扬声器932和耳机944之一或二者再现之用。在一个示例中，扬声器932类似于上述扩音器104，且耳机944类似于上述耳机扬声器112。
[0110]显示器934在一个示例中能够是例如上述触摸屏显示器。在该示例中，显示器934具有附着的触摸传感器940。在触摸屏显示器的情况下，除了呈现由微处理器902提供的信息之外，显示器934和触摸传感器940还向微处理器902提供用户输入信息。在具有与显示器934结合使用的触摸传感器940的触摸屏显示器的情况下，电子设备952可以不包括键盘936或键盘936可以包括减少数目的按键。
[0111]电源组924连接到电源子系统和充电控制器926。电源组924向电子设备952的电路提供功率。电源子系统和充电控制器926包括用于向电子设备952提供功率的功率分发电路，且还包含电源组充电控制器电路，以管理对电源组924充电。
[0112]USB端口 928提供了在电子设备952和一个或多个外部设备之间的数据通信。通过USB端口 928的数据通信使得用户能够通过外部设备或通过软件应用来设置首选项，并通过使得通过电子设备952和外部数据源之间的直接连接(而不是通过无线数据通信网络)能够进行信息或软件交换，来扩展设备的能力。
[0113]微处理器902使用的操作系统软件存储在闪存906中。其他示例能够使用电源组备份的RAM或其他非易失性存储数据元件来存储操作系统、其他可执行程序或这二者。操作系统软件、设备应用软件、或它们的一部分能够被临时加载到易失性数据存储器中，例如RAM904。经由无线通信信号或通过有线通信接收到的数据也能够存储到RAM904。
[0114]除了其操作系统功能之外，微处理器902能够在电子设备952上执行软件应用。能够在制造期间在电子设备952上安装至少包括数据和语音通信应用在内的控制基本设备操作的预定应用集合。能够加载到设备上的应用的示例可以是具有用于组织和管理与设备用户相关的数据项(例如，但不限于:电子邮件、日历事件、语音邮件、约会、和任务项)的能力的个人信息管理器(PM)应用。
[0115]还可以通过例如无线网络950、辅助I / O设备938、USB端口 928、短距通信子系统920、或这些接口的任意组合向电子设备952上夹在其他应用。然后能够由用户在RAM904或非易失性存储器中安装这种应用，供微处理器902执行。
[0116]在数据通信模式中，由包括无线接收机912和无线发射机910在内的通信子系统来处理接收到的信号，例如文本消息或网页下载，且向微处理器902提供通信数据，微处理器902能够进一步处理接收到的数据，以向显示器934或备选地向辅助I / O设备938或USB端口 928输出。电子设备952的用户还可以使用键盘936结合显示器934以及可能的辅助I / O设备938来撰写数据项，例如电子邮件消息，键盘936能够包括完整字母数字键盘或电话类型键区。然后能够通过通信子系统在通信网络上发送这种撰写的项。
[0117]对于语音通信，电子设备952的整体操作实质上是类似的，除了一般由扬声器932或耳机944来再现接收到的信号，且一般由麦克风(例如，麦克风930)来产生用于发送的信号。还可以在电子设备952上实现备选语音或音频I / O子系统，例如语音消息记录子系统。尽管一般主要通过扬声器932来完成语音或音频信号输出，显示器934也可以用于提供对以下各项的指示:例如，主叫方的身份、语音呼叫的持续时间、或其他语音呼叫相关信息。
[0118]取决于电子设备952的条件或状态，可以禁用与子系统电路相关联的一个或多个特定功能，或可以禁用整个子系统电路。例如，如果电源组温度高，则可以禁用语音功能，但在通信子系统上依然可以启用数据通信，例如电子邮件。
[0119]短距通信子系统920是可以在电子设备952和不同系统或设备之间提供通信的另一可选组件，该不同系统或设备不需要一定是相似的设备。例如，短距通信子系统920可以包括红外设备和关联电路和组件或基于射频的通信模块(例如，支持Bluetooth?通信的通信模块)，以提供与启用类似功能的系统和设备的通信。
[0120]介质读取器960能够连接到辅助I / O设备938，以允许例如向电子设备952中加载计算机程序产品的计算机可读程序代码，以存储到闪存906中。介质读取器960的一个示例是光驱动器，例如CD / DVD驱动器，其可以用于向计算机可读介质或存储产品(例如，计算机可读存储介质962)存储数据和从计算机可读介质或存储产品读取数据。合适的计算机可读存储介质的示例包括光存储介质(例如CD或DVD)、磁介质、或任何其他合适的数据存储设备。介质读取器960备选地能够通过USB端口 928连接到电子设备，或备选地能够通过无线网络950向电子设备952提供计算机可读程序代码。
[0121]信息处理系统
[0122]可以用硬件、软件、或硬件和软件的组合来实现本主题。可以在一个计算机系统中以中心化的方式实现系统，或在不同元件分散在若干互联的计算机系统的情况下以分布式的方式实现系统。任何类型的计算机系统或适用于执行本文所述方法的其他设备是合适的。硬件和软件的通常组合可以是具有计算机程序的通用计算机系统，当加载并执行计算机程序时，该计算机程序控制该计算机系统使得其执行本文所述方法。
[0123]还可以在计算机程序产品中嵌入本主题，该计算机程序产品包括使得实现本文所述方法成为可能的所有特征，且当在计算机系统中加载该计算机程序产品时，该计算机程序产品能够执行这些方法。在本上下文中的计算机程序意味着指令集合的以任何语言、代码或标记的任何表达，该指令集合意在使得具有信息处理能力的系统要么直接执行特定功能，要么在以下各项中的一项或两项之后执行特定功能:a)转换到另一语言、代码或标记；以及b)以不同材料形式再现。
[0124]每个计算机系统可以包括一个或多个计算机和至少允许计算机读取数据、指令、消息或消息分组、以及来自计算机可读介质的其他计算机可读信息的计算机可读介质。计算机可读介质可以包括体现非易失性存储器的计算机可读存储介质，例如只读存储器(ROM)、闪存、盘驱动存储器、CD-ROM、以及其他持久性存储器。此外，计算机介质可以包括易失性存储器，例如:RAM、缓冲区、高速缓存存储器、以及网络电路。此外，计算机可读介质可以包括在瞬时状态介质中的计算机可读信息，例如允许计算机读取这种计算机可读信息的网络链路和/或网络接口，包括有线网络或无线网络。
[0125]非限制性示例[0126]尽管已公开了本主题的具体实施例，本领域普通技术人员将理解可以在不脱离所公开的主题的精神和范围的情况下对具体实施例进行改变。因此，本公开的范围不应受限于具体实施例，且预期所附权利要求涵盖在本公开的范围内的任何和所有这种应用、修改和实施例。
【权利要求】
1.一种开关模式放大器，包括: 电源输入(304、306),接收在第一输入(304)和第二输入(306)上的电源电压； 电抗分压器(310、312)，将所述第一输入和所述第二输入耦合到中心线(308)，以及在所述中心线上产生所述电源电压的一部分； 开关结构(316、318)，可被配置为: 可选择地将第一端口(342)耦合到所述第一输入、所述第二输入、以及所述中心线之一；以及 可选择地将第二端口(344)耦合到所述第一输入、所述第二输入、以及所述中心线之一；以及 控制器(210)，被配置为: 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供所述电源电压的所述一部分的第一指示，将所述开关结构配置为第一配置(718)，所述第一配置将所述第一端口耦合到所述第一输入以及将所述第二端口耦合到所述中心线(410);以及 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供所述电源电压的所述一部分的后续指示，将所述开关结构配置为第二配置(716)，所述第二配置将所述第一端口耦合到所述中心线以及将所述第二端口耦合 到所述第二输入(412)，其中，所述后续指示发生在所述第一指不之后。
2.根据权利要求1所述的开关模式放大器，其中，所述控制器还被配置为:响应于接收到用于在所述第一端口和所述第二端口(714)上提供所述电源电压的所述一部分的每个指示，将所述开关结构交替配置为所述第一配置和所述第二配置。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的开关模式放大器，其中，所述电抗分压器包括串联连接的具有第一值的第一电抗组件和具有第二值的第二电抗组件，其中，所述第一值实质上等于所述第二值。
4.根据权利要求3所述的开关模式放大器，其中，所述第一电抗组件包括第一电容器(310)，以及所述第二电抗组件包括第二电容器(312)。
5.根据权利要求1、2、3或4中任一项所述的开关模式放大器，其中，所述控制器还被配置为: 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供具有相反极性的所述电源电压的所述一部分的第一指示，将所述开关结构配置为第三配置(726)，所述第三配置将所述第一端口耦合到所述第二输入以及将所述第二端口耦合到所述中心线(414);以及 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供具有相反极性的所述电源电压的所述一部分的第二指示，将所述开关结构配置为第四配置(724)，所述第四配置将所述第一端口耦合到所述中心线以及将所述第二端口耦合到所述第二输入(416)，其中，用于在所述第一端口和所述第二端口上提供具有相反极性的所述电源电压的所述一部分的所述第二指示发生在用于在所述第一端口和所述第二端口上提供具有相反极性的所述电源电压的所述一部分的所述第一指示之后。
6.根据权利要求5所述的开关模式放大器，其中，所述控制器还被配置为:响应于接收到用于在所述第一端口和所述第二端口(722)上提供具有相反极性的所述电源电压的所述一部分的每个指示，将所述开关结构交替配置为所述第三配置和所述第四配置。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的开关模式放大器，其中，所述控制器还被配置为: 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供零电压的第一指示，将所述开关结构配置为第五配置(736)，所述第五配置将所述第一端口耦合到所述第一输入以及将所述第二端口耦合到所述第一输入(418)； 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供零电压的第二指示，将所述开关结构配置为第六配置(730)，所述第六配置将所述第一端口耦合到所述中心线以及将所述第二端口耦合到所述中心线(420);以及 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供零电压的第三指示，将所述开关结构配置为第七配置(734)，所述第七配置将所述第一端口耦合到所述第二输入以及将所述第二端口耦合到所述第二输入(422)， 其中，用于提供零电压的所述第一指示、用于提供零电压的所述第二指示、以及用于提供零电压的所述第三指示顺序发生。
8.一种用于操作开关模式放大器的方法，所述方法包括: 响应于用于在第一端口(342)和第二端口(344)上提供电源电压的一部分的第一指示，将开关结构配置为第一配置(718)，其中，所述开关结构(316、318)可选择地将所述第一端口耦合到第一输入(304)、第二输入(306)、以及中心线(308)之一；以及可选择地将所述第二端口耦合到所述第一输入、所述第二输入、以及所述中心线之一， 其中，所述第一输入和所述第二输入接收所述电源电压，` 其中，电抗分压器(310、312)将所述第一输入和所述第二输入耦合到所述中心线，以及在所述中心线上产生所述电源电压的一部分，以及 其中，所述第一配置将所述第一端口耦合到所述第一输入以及将所述第二端口耦合到所述中心线(410);以及 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供所述电源电压的一部分的后续指示，将所述开关结构配置为第二配置(716)，所述第二配置将所述第一端口耦合到所述中心线以及将所述第二端口耦合到所述第二输入(412)，其中，所述后续指示发生在所述第一指不之后O
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电抗分压器包括串联连接的具有第一值的第一电抗组件和具有第二值的第二电抗组件，其中，所述第一值实质上等于所述第二值。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的方法，还包括:响应于接收到用于在所述第一端口和所述第二端口(714)上提供所述电源电压的一部分的每个指示，将所述开关结构交替配置为所述第一配置和所述第二配置。
11.根据权利要求8、9或10中任一项所述的方法，还包括: 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供具有相反极性的所述电源电压的一部分的第一指示，将所述开关结构配置为第三配置(726)，所述第三配置包括将所述开关结构配置为将所述第一端口耦合到所述第二输入以及将所述开关结构配置为将所述第二端口耦合到所述中心线(414);以及 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供所述电源电压的一部分的第二指示，将所述开关结构配置为第四配置(724)，所述第四配置将所述第一端口耦合到所述中心线以及将所述第二端口耦合到所述第二输入，其中，所述第二指示发生在所述第一指示(416)之后。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括:响应于接收到用于在所述第一端口和所述第二端口(722)上提供具有相反极性的所述电源电压的所述一部分的每个指示，将所述开关结构交替配置为所述第三配置和所述第四配置。
13.根据权利要求8、9、10、11或12中任一项所述的方法，还包括: 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供零电压的第一指示，将所述开关结构配置为第五配置(736)，所述第五配置将所述第一端口耦合到所述第一输入以及将所述第二端口耦合到所述第一输入(418)； 响应于用于在所述第一端口和所述第二端口上提供零电压的第二指示，将所述开关结构配置为第六配置(730)，所述第六配置将所述第一端口耦合到所述中心线以及将所述第二端口耦合到所述中心线(420);以及 响应于用于 在所述第一端口和所述第二端口上提供零电压的第三指示，将所述开关结构配置为第七配置(734)，所述第七配置将所述第一端口耦合到所述第二输入以及将所述第二端口耦合到所述第二输入(422)， 其中，用于提供零电压的所述第一指示、用于提供零电压的所述第二指示、以及用于提供零电压的所述第三指示顺序发生。
【文档编号】H03F3/217GK103633952SQ201310435289
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2012年8月23日
【发明者】艾桑·吉恩·阿纳扎瓦 申请人:捷讯研究有限公司