D类音频放大器和声音再现组件制造技术

本发明专利技术涉及D类音频放大器和声音再现组件。本发明专利技术一个方面涉及一种D类音频放大器，其具有支持应用于扬声器负载的诸如3电平、4电平或5电平脉冲宽度或脉冲密度调制输出信号的多电平输出信号的改进型输出驱动器拓扑。本发明专利技术的D类音频放大器特别适合大批量消费音频应用和解决方案。

【技术实现步骤摘要】
本申请为国际申请日为2011年10月27日，国际申请号为PCT/EP2011/068873，专利技术名称为“使用多电平脉冲宽度调制的音频放大器”的中国国家阶段申请的分案申请，该中国国家阶段申请的进入国家阶段日为2013年6月27日、申请号为201180063192.5、专利技术名称为“使用多电平脉冲宽度调制的音频放大器”。
本专利技术一个方面涉及一种D类音频放大器，其具有支持应用于扬声器负载的诸如3电平、4电平或5电平脉冲宽度或脉冲密度调制输出信号的多电平输出信号的改进型输出驱动器拓扑。本专利技术的D类音频放大器特别适合大批量消费音频应用和解决方案。
技术介绍
D类音频放大器是众所周知类型的音频功率放大器，其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)的音频信号来提供扬声器负载的能量高效音频驱动。D类音频放大器通常包括H桥驱动器，该H桥驱动器具有耦接至扬声器负载的相应侧或端子的一对输出端子以便在扬声器上施加相反相位的脉冲宽度调制或脉冲密度音频信号。用于脉冲宽度调制音频信号的几种调制方案已被用于现有技术的D类放大器。在所谓的AD调制中，在H-桥的每个输出端或节点上的脉冲宽度调制音频信号以相反相位在两个不同电平之间切换或开关。两个不同电平通常分别对应于上、下DC电源电轨，诸如正、负DC电源电轨。在所谓的BD调制中，扬声器负载上的脉冲宽度调制音频信号可替换地在三个电平之间切换，其中两个电平对应于上述上、下DC电源电轨，且第三电平是通过同时向DC电源电轨中的一个拉动扬声器负载的两个端子而获得的零电平。尽管这种现有技术的D类放大器经常被认为与诸如A类、B类和AB类放大器的传统非切换音频功率放大器相比是高节能的，但这些现有技术的D类放大器在音频输入信号小于或接近零电平时根本不能较少消耗大量的闲置功率。闲置功耗导致这么小的音频输入信号下的具有与远远低于经常被引用的现有技术的D类放大器的90-100％功率效率的效率系数的低功率效率。仅对非常大的音频输入信号获得对所引用的功率效率的操作，而音频输入信号的通常电平内的操作会导致非常低的功率效率。较低电平音频输入信号上的相对较低的功率效率特别是由H-桥的半导体开关中发生的切换损耗和在负载电容器中引起的纹波电流以及在负载电感器中引起的纹波电压引起的。负载电感器和负载电容器正常被插在H-桥的输出端或节点的每一个与扬声器负载之间以提供“原始”的脉冲宽度或密度调制音频信号的低通滤波。需要低通滤波来抑制脉冲宽度或密度调制音频信号的大幅切换或载波频率分量，并避免对扬声器的热损坏或引起各种类型的互调失真。然而，用于现有技术的D类音频放大器的适当大小的负载电感器和负载电容器通常很大，以使得它们必须作为外部元件而被提供给包括其他功能的集成电路和D类音频放大器的电路。因此，负载电感器和负载电容器增加了用于便携式和固定式娱乐和通信设备(诸如电视机计算机音频、Hi-Fi立体声放大器等)的完全放大解决方案或组件的成本。同样，外部电感器和电容器需要对用于放大解决方案的有价值电路板空间的分配并提出了潜在的可靠资源。与现有技术的D类音频放大器相关联的另一问题是由载波或与基本包括重复频率在250kHz–2MHz之间的范围内的矩形脉冲的脉冲宽度或密度调制音频信号相关联的切换频率产生过多电平的EMI噪声。高电平EMI噪声使具有诸如射频发送器/接收器等的其他类型的信号处理电路的这些现有技术的D类音频放大器的集成变得复杂。因此，具有降低的EMI噪声水平的D类放大器是非常期望的。同样，具有提高的功率效率的D类放大器，尤其是处在低音频输入信号电平，也是非常有利的。最后，期望减小外部负载电感器和负载电容器的大小，以为消费和其他类型的音频产品提供更加紧凑、节能、可靠和成本更低的放大解决方案。
技术实现思路
本专利技术的第一方面涉及一种D类音频放大器，包括：-第一输出驱动器，包括可连接到扬声器负载以向其提供负载信号的输出节点，-所述第一输出驱动器包括被耦接在第一DC供电电压与所述输出节点之间的上支路和被耦接在所述输出节点与第二DC供电电压之间的下支路，-所述上支路包括串联耦接并分别由第一开关控制端子和第二开关控制端子控制的第一半导体开关和第二半导体开关，-所述下支路包括串联耦接并分别由第三开关控制端子和第四开关控制端子控制的第三半导体开关和第四半导体开关；-控制器，适用于接收音频输入信号并从其中导出第一、第二、第三和第四脉冲宽度或脉冲密度调制控制信号。所述控制器被配置为分别对所述第一开关控制端子、所述第二开关控制端子、所述第三开关控制端子和所述第四开关控制端子施加所述第一、第二、第三和第四脉冲宽度或脉冲密度调制控制信号；第一DC电压源被配置为设置位于所述第一半导体开关和所述第二半导体开关之间的第一节点与位于所述第三半导体开关和所述第四半导体开关之间的第二节点之间的第一预定DC电压差。控制器优选被配置为以相反相位并在脉冲宽度或对脉冲密度调制控制信号的调制为零(即，音频信号电平为零)时不重叠地提供第一和第四脉冲宽度或脉冲密度调制控制信号。同样，第二和第三脉冲宽度或脉冲密度调制控制信号优选具有相反相位并在零调制时不重叠。D类放大器可被配置为在预定DC电压差基本等于第一和第二DC供电电压之间的DC电压差的二分之一时在第一驱动器的输出节点处提供3个输出电平，连同第一、第二、第三和第四脉冲宽度或脉冲密度调制控制信号的适当时序。根据本实施方式，第一驱动器的输出节点处的输出电平在第一DC供电电压、预定DC电压差和第二DC供电电压之间切换。第二DC供电电压可以是D类放大器或负DC供电电压的接地电压GND，例如，幅度上基本等于第一DC供电电压。在另一实施方式中，预定DC电压差不同于第一和第二DC供电电压之间的DC电压差的二分之一，从而在输出节点处创建4电平信号，由于DC电压源通过第一半导体开关交替地连接到第一DC供电电压并通过第四半导体开关交替地连接到第二DC供电电压。本专利技术的D类音频放大器相对经典的AD和BD脉冲宽度调制的显著优势是抑制或衰减扬声器负载和输出滤波元件上的共模纹波电压。该共模纹波电压是脉冲宽度调制载波的切换或调制频率的不期望残余。另一其他优势是对应于小电平的音频输入信号的小调制占空比下的较低输出滤波电感器纹波电流和输出滤波电容器纹波电压。第一输出驱动器可适用于根据特定应用的要求在DC供电电压的宽范围(即，第一和第二DC供电电压之间的电压差)内操作。在有用的应用范围内，DC供电电压可被设置为5伏和120伏之间的值。DC供电电压差可被提供为单极或双极DC电压，例如，相对于接地基准GND的+5伏或+/-2.5伏。本专利技术的D类音频放大器的显著优点是第一和第二DC供电电压之间的DC电压差在上支路的至少两个串联耦接的半导体开关(诸如第一和第二半导体开关)、或下支路的至少两个串联耦接的半导体开关(诸如第三和第四半导体开关)之间被划分，因此降低了半导体开关的击穿电压的要求。第一输出驱动器可根据例如低电压或高电压应用的任何特定应用的要求采用不同类型的半导体开关。第一、第二、第三和第四半导体开关中的每一个均优选包括选自{场效应晶体管(FET)、双极型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种D类音频放大器，包括：‑第一输出驱动器和第二输出驱动器，包括可连接到扬声器负载的相应输入端以向所述扬声器负载提供负载信号的第一输出节点和第二输出节点，所述第一输出驱动器包括被耦接在第一供电电压与所述第一输出节点之间的一个或多个半导体开关，‑被耦接在所述第一输出节点与第二供电电压之间的一个或多个半导体开关，‑被耦接在所述第一输出节点与第三供电电压之间的一个或多个半导体开关；所述第二输出驱动器包括被耦接在所述第一供电电压(Vs)与所述第二输出节点之间的一个或多个半导体开关，‑被耦接在所述第二输出节点与所述第二供电电压之间的一个或多个半导体开关，‑被耦接在所述第二输出节点与所述第三供电电压之间的一个或多个半导体开关；‑其中，所述一个或多个半导体开关中的每一个包括开关控制端子，所述开关控制端子适用于控制半导体开关的状态以选择性地将每个半导体开关置于其开启状态或关闭状态；‑控制器，适用于接收音频输入信号且从所述音频信号中导出第一组调制控制信号，并将这些调制控制信号施加至所述第一驱动器的相应开关控制端子，‑所述控制器还适用于导出与所述第一组调制控制信号具有预定相位关系的第二组调制控制信号，并将所述第二组调制控制信号施加至所述第二驱动器的相应开关控制端子，其中，所述控制器被配置为：‑在第一操作模式下，设置所述第一组调制控制信号与所述第二组调制控制信号之间的第一预定相位关系以在所述扬声器负载上产生第一多电平负载信号，‑在第二操作模式下，设置所述第一组调制控制信号和所述第二组调制控制信号之间的第二预定相位关系以在所述扬声器负载上产生第二多电平五电平负载信号。...

【技术特征摘要】
2010.10.27 US 61/407,2621.一种D类音频放大器，包括：-第一输出驱动器和第二输出驱动器，包括可连接到扬声器负载的相应输入端以向所述扬声器负载提供负载信号的第一输出节点和第二输出节点，所述第一输出驱动器包括被耦接在第一供电电压与所述第一输出节点之间的一个或多个半导体开关，-被耦接在所述第一输出节点与第二供电电压之间的一个或多个半导体开关，-被耦接在所述第一输出节点与第三供电电压之间的一个或多个半导体开关；所述第二输出驱动器包括被耦接在所述第一供电电压(Vs)与所述第二输出节点之间的一个或多个半导体开关，-被耦接在所述第二输出节点与所述第二供电电压之间的一个或多个半导体开关，-被耦接在所述第二输出节点与所述第三供电电压之间的一个或多个半导体开关；-其中，所述一个或多个半导体开关中的每一个包括开关控制端子，所述开关控制端子适用于控制半导体开关的状态以选择性地将每个半导体开关置于其开启状态或关闭状态；-控制器，适用于接收音频输入信号且从所述音频信号中导出第一组调制控制信号，并将这些调制控制信号施加至所述第一驱动器的相应开关控制端子，-所述控制器还适用于导出与所述第一组调制控制信号具有预定相位关系的第二组调制控制信号，并将所述第二组调制控制信号施加至所述第二驱动器的相应开关控制端子，其中，所述控制器被配置为：-在第一操作模式下，设置所述第一组调制控制信号与所述第二组调制控制信号之间的第一预定相位关系以在所述扬声器负载上产生第一多电平负载信号，-在第二操作模式下，设置所述第一组调制控制信号和所述第二组调制控制信号之间的第二预定相位关系以在所述扬声器负载上产生第二多电平五电平负载信号。2.根据权利要求1所述的D类音频放大器，其中，所述控制器被配置为：-在所述第一操作模式下，提供相对于所述第一组调制控制信号的相应控制信号具有相反相位的所述第二组调制控制信号中的每个控制信号以产生三电平负载信号，-在所述第二操作模式下，提供相对于所述第一组调制控制信号的相应控制信号具有相反相位和附加的+/-90度相移的所述第二组调制控制信号中的每个控制信号以产生五电平负载信号。3.根据权利要求1或2所述的D类音频放大器，其中，所述控制器包括音频信号电平检测器，-所述控制器适用于根据所述音频输入信号的检测电平在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间切换。4.根据权利要求3所述的D类音频放大器，其中，所述控制器还适用于：-比较所述音频信号的所述检测电平与预定电平阈值，-在所检测的音频信号电平超过所述预定电平阈值时选择所述第一操作模式，-在所述所检测的音频信号电平小于所述预定电平阈值时选择所述第二操作模式。5.根据权利要求1所述的D类音频放大器，其中，所述第一输出驱动器包括：-第一半导体开关和第二半导体开关，被串联耦接在所述第一供电电压与所述第一输出节点之间，-第三半导体开关和第四半导体开关，被串联耦接在所述第二供电电压与所述第一输出节点之间；以及所述第二输出驱动器包括：-第五半导体开关和第六半导体开关，被串联耦接在所述第一供电电压与所述第二输出节点之间，-第七半导体开关和第八半导体开关，被串联耦接在所述第二供电电压与所述第二输出节点之间；-第三供电电压源，被配置为产生所述第三供电电压，且包括：-第一DC电压源，被配置为设置位于所述第一半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：米克尔·霍耶尔比，
申请(专利权)人：梅鲁斯音频有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK