用于d类音频放大器的多相脉冲宽度调制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多相脉冲宽度调制器，该调制器产生具有预定周期的N个相互相移脉冲宽度调制信号。多相脉冲宽度调制器具体而言十分适合应用在D类音频放大器中。多相脉冲宽度调制器包括N+1个模拟三角波发生器，该发生器配置为产生相应的N+1个相互相移模拟三角波。多相脉冲宽度调制器进一步包括N+1个比较器，每个包括可操作地耦接至N+1个相互相移模拟三角波中的相应的相互相移模拟三角波的第一输入；以及耦接至音频信号的第二输入以生成至少N+1个相互相移脉冲宽度调制相位信号。交叉点开关或矩阵开关包括N+ 1个输入端子，耦接至N+1个相互相移脉冲宽度调制相位信号中的相应的相互相移脉冲宽度调制相位信号，以及N个输出端子，配置用于供应N个相互相移脉冲宽度调制信号中的相应的相互相移脉冲宽度调制相位信号。交叉点开关的交叉点开关控制器配置为以预时序间顺序，将N+1个输入端子的各个选择性连接至N个输出端子的各个输出端子持续预定周期的持续时间，以同时生成N个相互相移脉冲宽度调制信号，从而每个信号包括N+1个相互相移脉冲宽度调制相位信号的交错时间段;N为大于或等于2的正整数。
【背景技术】
[0002]D类音频放大器为众所周知类型的音频功率放大器，该放大器一般被认为，通过在扬声器负载上切换脉冲宽度调制(PWM)或脉冲密度调制(PDM)信号，来提供扬声器的能效音频驱动。D类音频放大器通常包括耦接至扬声器负载的基于H桥的输出级，以在扬声器上应用相反相位脉冲宽度调制音频信号。电感电容(LC)低通滤波器通常插入在基于H桥的输出级和扬声器负载之间，以抑制HVM或PDM输出信号中的载波成分。用于脉冲宽度调制音频信号的几个调制方案在现有技术中已被用在基于PWM的D类放大器中。在所谓AD调制中，H桥的每个输出端子或节点处的脉冲宽度调制音频信号在相反相位的两个不同电平之间转变或切换。所述两个不同电平通常分别与较高和较低供电轨相对应，如D类放大器的正和负DC供电轨。在所谓BD调制中，在扬声器负载上的脉冲宽度调制信号在三个电平之间交替切换，三个电平的其中两个电平与上文所提的较高和较低DC供电轨相对应，且第三电平为通过将扬声器负载的两端同时拉至DC供电轨的其中之一而获得的零电平。当D类放大器正在空闲时(空闲导致显著功率损失)，这些调制方案都在LC低通滤波器的输出电感中生成相当大的纹波电流。通过对LC低通滤波器使用相对较大的电感器，这个缺点通常已被容忍和控制至一定程度。但是，此类大的电感器导致D类放大解决方法或组件的成本和尺寸的显著增大。
[0003]所谓多电平PWM调制对于音频和其他信号的脉冲宽度调制具有特别的优势形式，且具备许多优于在申请人的PCT申请WO 2012/055968号中详细描述的传统AD和BD调制的好处。这个种类的多电平PWM调制通常包括耦接至输出级的一个或几个所谓飞跨电容器，以在外部电容器上存储自身或内部生成的半电源电压水平。这个半电源电压水平是PWM输出信号的第三电压水平的来源。一个或多个飞跨电容器的平衡关系到多相PWM信号的准确性。因此，多电平PWM调制要求准确的多相PWM信号，以实现最优性能。优选地，这些多相PWM信号通过多相脉冲宽度调制器生成，该调制器从各个高精度多相模拟三角波得出多相PWM信号。该高精度多相模拟三角波被用来经由各个比较器电路，规定多电平D类放大器的模拟环路滤波器的输出信号的采样。
[0004]但是，由于各种原因，生成此类准确多相PWM信号呈现出显著挑战，具体而言，生成多相模拟三角波(由若干个独立模拟三角波发生器产生)的足够良好匹配的信号相位。虽然通过应用时钟频率锁定数字控制信号，可以数字控制这些模拟三角波的每个的相移和频率或时间周期，保持对多相三角波(由此类独立三角波发生器产生)的幅度和偏移电压的准确控制具有挑战性。后述信号特性通常由三角波发生器的有源和无源模拟部件和元件(如，电流发生器、电容器、电阻器和开关)确定。由于产生散差或公差，后述部件的值本身具有一定的变化量。虽然某些众所周知的集成电路设计和布局技术可被利用来减少独立模拟三角波发生器之间的这些部件变化，但这些技术对于使此类独立生成多相三角波足够准确以达到多电平D类放大器的最优性能来说，是不足的或不实际的。
[0005]多相PWM信号的准确性或匹配的缺乏使多电平D类放大器的各种重要的性能指标(如能效、飞跨电容器稳定性和一般音频性能)劣化。藉此，本领域存在对多相脉冲宽度调制器的需求，该多相脉冲宽度调制器产生具有提高的准确性和匹配的多相脉冲宽度调制信号。
【发明内容】
[0006]该发明的第一方面涉及多相脉冲宽度调制器，该调制器产生具有预定周期的N个相互相移脉冲宽度调制信号。多相脉冲宽度调制器具体而言十分适合于在D类音频放大器中应用，但可在很多其他应用中是有用的，如得益于准确和良好匹配的相移脉冲宽度调制信号的功率逆变器。多相脉冲宽度调制器包括N+1个模拟三角波发生器，该发生器配置为产生N+1个相互相移模拟三角波中的相应的相互相移模拟三角波，产生N+1个相互相移模拟三角波中的每个包括具有大体上线性增加的信号幅度的上升段、具有大体上线性降低的信号幅度的下降段和具有大体上不变的信号幅度的空闲信号段，从而上升段和下降段的持续时间与所述预定周期相对应，且空闲段的持续时间与N个相互相移脉冲宽度调制信号的两个相邻相位之间的相相移对应。多相脉冲宽度调制器进一步包括N+1个比较器，每个比较器包括可操作地耦接至N+1个相互相移模拟三角波中的相应的相互相移模拟三角波的第一输入；以及耦接至音频信号的第二输入，以生成至少N+1个相互相移脉冲宽度调制相位信号。交叉点开关或矩阵开关包括N+1输入端子，耦接至N+1个相互相移脉冲宽度调制相位信号中的相应的相互相移脉冲宽度调制相位信号；以及N个输出端子，配置用于供应N个相互相移脉冲宽度调制信号中的相应的相互相移脉冲宽度调制信号。交叉点开关的交叉点开关控制器配置为以预时序间顺序将N+1个输入端子的每个选择性连接至N个输出端子的每个输出端子持续预定周期的持续时间内，以同时生成N个相互相移脉冲宽度调制信号，从而每个信号包括N+1个相互相移脉冲宽度调制相位信号的交错时间段；
[0007]N为大于或等于2的正整数。
[0008]该多相脉冲宽度调制器能够生成N个高度准确或良好匹配的相互相移脉冲宽度调制信号，该信号对于用在多电平D类放大器的多电平输出级中特别具有优势，如在上文所讨论的。交叉点或矩阵开关的操作将预时序间顺序的N+1个相互相移脉冲宽度调制相位信号的交错时间段插入N个相互相移脉冲宽度调制信号的每个中。因而，由前文所讨论的N+1个单独的脉冲宽度调制相位信号之间的匹配问题而造成(例如由N+1个三角波发生器之间的变化或不匹配以及N+1个比较器之间的不匹配造成的)的信号错误在3(或一般为N)个脉冲宽度调制信号之间均匀分布。这是可实现的，因为所生成的脉冲宽度调制信号中的每个包括每个脉冲宽度调制相位信号的相同数量的交错时间段，从而任何特定脉冲宽度调制相位信号的不匹配错误在所有脉冲宽度调制信号中均匀分布，而非局限于例如从不匹配三角波发生器/比较器的单个元件得到的单个脉冲宽度调制信号。
[0009]优选地，交叉点开关包括开关网络，该开关网络包括多个半导体开关，该半导体开关配置用于根据交叉点开关控制器的数字控制信号，将N+1个输入端子电连接至N个输出端子中的相应输出端子。在数字控制信号的控制下，根据预时序间顺序将N+1个输入端子以选择性方式连接至N个输出端子的相应输出端子。技术人员将明白，交叉点开关的开关网络可包括不同类型的电子或机电开关，如半导体开关，例如，MOSFET JOSFET开关在数字集成电路的标准CMOS半导体过程中容易被利用，且具备很多优势特点，如紧凑布局、低导通电阻、短开关时间等。交叉点开关可包括在其输入侧并行耦接的N+1个多路复用器。交叉点开关可包括N个多路复用器，其中每个具有N+1个多路复用器输入和多路复用器输出。优选地，每个多路复用器的N+1个多路复用器输入耦接至交叉点开关的N+1个输入端子中的相应输入端子，且每个多路复用器输出耦接至交叉点开关的N个输出端子的其中之一。N个多路复用器的每个可通过一组选择信号控制，该组选择信号选择N+1个多路复用器输入中的哪一个路由至多路复用器输出。
[0010]交叉点开关的交叉点开关控制器可包括数字状态机，例如其与该多相脉冲宽度调制器的剩余部件一起集成于ASIC上或适当配置的现场可编程逻辑阵列(FPGA)上。相关D类音频放大器的各种电路也可集成于ASIC或FPGA上。交叉点开关控制器的其他实施方式可包括数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器例如包括软件可编程DSP核或硬件定制DSP。
[0011]本领域的技术人员将明白，由于一个或几个附加或多余三角波可由相应模拟三角波发生器生成，因此此处所使用的术语“N+1”(例如，结合N+1个相互相移模拟三角波)意指“至少N+1”。优选地，N值可被选取为其符合相关多电平输出级的单独相位的要求数量。因而，对于更大数量的实际多电平输出级，N可具有2和5之间的值。
[0012]优选地，交叉点开关控制器配置为在每个点及时地将至少N+1个可用输入的N个输入的