D类音频放大器及其输出级功率消耗的降低方法技术

本发明专利技术涉及一种D类音频放大器及其输出级功率消耗的降低方法，该D类音频放大器包括用于接收音频信号并将音频信号转换为具有预定载波频率的调制音频信号的调制器。D类音频放大器还包括：输出级，该输出级包括在第一DC电源电压和第二DC电源电压之间级联耦接的多个功率晶体管；以及多个栅极驱动器，该多个栅极驱动器被配置为生成到所述多个功率晶体管的相应调制栅极驱动信号。控制器被配置为基于音频信号的电平来调节施加到输出级的第一功率晶体管的第一调制栅极驱动信号的电平。

A Method of Reducing Power Consumption of Class D Audio Amplifier and Its Output Stage

The invention relates to a class D audio amplifier and a method for reducing power consumption of its output stage. The class D audio amplifier includes a modulator for receiving audio signals and converting audio signals into modulated audio signals with predetermined carrier frequencies. Class D audio amplifier also includes an output stage comprising a plurality of power transistors cascaded and coupled between the first DC power supply voltage and the second DC power supply voltage, and a plurality of gate drivers configured to generate corresponding modulated gate drive signals to the plurality of power transistors. The controller is configured to adjust the level of the first modulated gate drive signal applied to the first power transistor of the output stage based on the level of the audio signal.

【技术实现步骤摘要】
D类音频放大器及其输出级功率消耗的降低方法
本专利技术涉及D类音频放大器，其包括用于接收音频信号并将音频信号转换为具有预定载波频率的调制音频信号的调制器。D类音频放大器还包括输出级，该输出级包括：在第一DC电源电压和第二DC电源电压之间级联耦接的多个功率晶体管；以及多个栅极驱动器，该多个栅极驱动器被配置为生成到所述多个功率晶体管的相应调制栅极驱动信号。控制器被配置为基于音频信号的电平来调节施加到输出级的第一功率晶体管的第一调制栅极驱动信号的电平。
技术介绍
D类音频放大器众所周知并被广泛认可为通过切换扬声器负载两端的调制音频信号(例如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲密度调制(PDM))来提供扬声器负载的节能音频驱动。D类音频放大器通常包括H桥驱动器，该H桥驱动器具有耦接到扬声器负载的相应侧或端子的成对的输出端子，以在扬声器两端施加相反相位的脉冲宽度调制或脉冲密度调制的音频信号。在现有技术的基于PWM的D类放大器中已经使用了用于脉冲宽度调制的音频信号的几种调制方案。在所谓的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切换(switched)或切换(toggles)。两个不同电平通常分别对应于上和下电源轨，例如输出级的正和负DC电源。在所谓的BD调制中，扬声器负载两端的脉冲宽度调制信号在三个电平之间交替切换，在所述三个电平中，两个电平对应于上述的上和下DC电源，而第三电平为零，其通过将扬声器负载的两个端子同时拉至DC电源轨中之一来获得。如在申请人的共同未决专利申请PCT/EP2011/068873中所描述的多级PWM调制中，通常被设定为正和负DC电源轨之间的中间电源电平的第三电源电压电平被施加到输出驱动器的输出节点，使得可以通过适当配置的输出驱动器在扬声器负载两端施加例如3级或5级脉冲宽度调制信号。然而，本领域中仍然需要降低D类音频放大器的功率消耗，特别是在小音频输出电平和静态操作时，以延长便携式音频设备的电池寿命，减少散热等。在小输出信号电平下，输出或功率级的输出晶体管的电容性开关损耗可以表示D类音频放大器的总功率消耗的很大部分，并因此在这些操作条件下使总功率效率次优化。
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：用于接收音频信号的输入节点或端子；调制器，被配置为接收音频信号并将音频信号转换为具有预定载波或调制频率的调制音频信号；输出级，包括在第一DC电源电压(Pvdd)和第二DC电源电压(Pvss)之间级联耦接的多个功率晶体管；多个栅极驱动器，包括耦接到调制音频信号的相应输入端，并且所述多个栅极驱动器被配置为生成到所述多个功率晶体管的相应调制栅极驱动信号，用于在导通状态和非导通状态之间重复地切换每个功率晶体管。D类音频放大器还包括控制器，该控制器被配置为确定音频信号的电平并且基于所确定的音频信号的电平来至少调节输出级的第一功率晶体管的第一调制栅极驱动信号的电平或电压。D类音频放大器可以在各种输出级拓扑如H桥拓扑或单端拓扑中包括2级AD或BD类脉冲密度调制(PDM)或两级或多级脉冲宽度调制(PWM)。D类音频放大器的DC电源电压即第一和第二DC电源电压之间的差可以在5伏和120伏之间。DC电源电压可以被提供作为单极性或双极性DC电压，例如相对于接地参考GND为+40伏或+/-20伏。第一调制栅极驱动信号的电平或电压可以例如在第一调制栅极驱动信号的特定占空比下由第一调制栅极驱动信号的峰值电压、峰-峰电压、平均电压、RMS电压等来表示。控制器可以是基于与D类音频放大器的任何时钟信号异步操作的组合逻辑的相对简单的数字电路。在该实施方式中，控制器可以根据自定时机构进行操作，并且包括一些适当配置的有源和无源组件和门，以确定音频信号的电平并调节第一调制栅极驱动信号的电压。然而，控制器的其他实施方式可以包括与D类音频放大器的主系统时钟信号或其他系统时钟信号同步操作的时钟时序逻辑。在后一实施方式中，控制器可以例如包括可编程逻辑电路或软件可编程或硬连线的数字信号处理器(DSP)或通用微处理器。输出级包括至少两个级联功率晶体管，例如四个、六个或八个级联功率晶体管。输出级的所述多个级联功率晶体管优选地包括沉积在诸如硅、氮化镓或碳化硅等半导体衬底上的至少一个N沟道场效应晶体管，诸如NMOS、LDNMOS或IGBT。在输出级的某些实施方式中，所有功率晶体管被实现为N型MOS晶体管。在替选的实施方式中，至少在输出节点与第一或最高DC电源电压(Pvdd)之间级联耦接的功率晶体管是P型MOS晶体管。因此，不需要将P型MOS晶体管的栅极端子驱动至高于第一DC电源电压的DC电压。第一调制栅极驱动信号或驱动电压的频率以及输出级的附加功率晶体管的附加调制栅极驱动信号的频率可以在100kHz与10MHz之间，例如在250kHz与2MHz之间。第一调制栅极驱动信号的频率通常将对应于D类音频放大器的开关频率。开关频率可以取决于诸如所选择的调制类型如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)或空间矢量调制(SVM)等因素以及D类放大器的各种性能指标。输出级的每个功率晶体管因此可以在音频放大器的开关频率下在其导通状态和非导通状态之间切换，这导致功率晶体管的各种寄生电容和电阻中的相当大的功率耗散，特别是通过对功率晶体管的各个栅极电容进行充电和放电导致的功率损耗。现有技术的D类音频放大器的输出晶体管的后者电容性功率损耗大体上保持恒定，而与音频信号的电平无关。这是由输出级的功率晶体管的调制栅极驱动信号的恒定电平(例如表示为峰-峰电压)引起的。因此，D类音频放大器的总功率消耗的很大一部分是由在小电平音频信号(输送到扬声器的功率为小的情况)下与功率晶体管的充电和放电栅极电容相关联的电容性功率损耗引起的。这种机制在小音频电平下显著降低了D类音频放大器的功率转换效率。通过根据本专利技术的D类音频放大器防止或者至少显著地减小了在小音频电平下现有技术的D类音频放大器的功率转换效率的不希望的降低。根据音频信号的电平，可以在至少第一电平和第二电平之间调节的第一调制栅极驱动信号的可调节特性允许控制器将第一功率晶体管的导通电阻与其中的电容性功率耗散进行交换。因此，当音频信号电平为高并且通过一个或多个功率晶体管的输出电流同样为高时，第一调制栅极驱动信号的最高电平可以对应于在第一功率晶体管的阈值电压以上的栅源电压3V至8V。调制栅极驱动信号的高电压导致D类音频的小输出电阻，并导致扬声器负载的功率高效驱动，因为一个或多个功率晶体管中的电阻性功率损耗通过相对小的导通电阻——至少到对于一个或多个功率晶体管的特定类型和物理尺寸是可能的程度——被最小化。相反，在调制栅极驱动信号的相对低或小的电压或振幅下，例如在上述高栅源电压的三分之一和五分之一之间，与栅极驱动器对功率晶体管的栅极电容的重复充电和放电相关联的充电损耗显著减小。虽然栅极充电损耗的这种降低是以功率晶体管的更高导通电阻为代价的，并且因此D类音频放大器的输出电阻更高，但这可能对D类放大器的总功率损耗几乎没有影响。小的影响是由于在低音频信号电平下通过功率晶体管的相对小的输出电流引起的。因此，控制器可以被配置为增加第一调制栅极驱动信号的电压或电平以增加音频信号的电平。控制器可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种D类音频放大器，包括：用于接收音频信号的输入节点或端子；调制器，被配置为接收所述音频信号并将所述音频信号转换为具有预定载波或调制频率的调制音频信号；输出级，包括在第一DC电源电压(Pvdd)和第二DC电源电压(Pvss)之间级联耦接的多个功率晶体管；多个栅极驱动器，包括耦接到所述调制音频信号的相应输入端，并且所述多个栅极驱动器被配置为生成到所述多个功率晶体管的相应调制栅极驱动信号，用于在导通状态和非导通状态之间重复地切换每个功率晶体管，控制器，被配置为确定所述音频信号的电平并且基于所确定的音频信号的电平来至少调节所述输出级的第一功率晶体管的第一调制栅极驱动信号的电平。

【技术特征摘要】
2017.05.11 EP 17170697.11.一种D类音频放大器，包括：用于接收音频信号的输入节点或端子；调制器，被配置为接收所述音频信号并将所述音频信号转换为具有预定载波或调制频率的调制音频信号；输出级，包括在第一DC电源电压(Pvdd)和第二DC电源电压(Pvss)之间级联耦接的多个功率晶体管；多个栅极驱动器，包括耦接到所述调制音频信号的相应输入端，并且所述多个栅极驱动器被配置为生成到所述多个功率晶体管的相应调制栅极驱动信号，用于在导通状态和非导通状态之间重复地切换每个功率晶体管，控制器，被配置为确定所述音频信号的电平并且基于所确定的音频信号的电平来至少调节所述输出级的第一功率晶体管的第一调制栅极驱动信号的电平。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随着所述音频信号的电平的增大而增大所述第一调制栅极驱动信号的电平。3.根据权利要求1或2所述的D类音频放大器，其中，所述控制器被配置为在所述音频信号的电平增大时逐步增大或逐渐增大所述第一调制栅极驱动信号的电平。4.根据权利要求2所述的D类音频放大器，其中，所述控制器被配置为：将所确定的音频信号的电平与信号电平阈值进行比较；并且如果所述音频信号的电平小于所述信号电平阈值，则选择所述第一调制栅极驱动信号的第一电平；或者如果所述音频信号的电平大于所述信号电平阈值，则选择所述第一调制栅极驱动信号的第二电平，其中，所述第一调制栅极驱动信号的第二电平大于所述第一调制栅极驱动信号的第一电平。5.根据权利要求4所述的D类音频放大器，其中，所述多个栅极驱动器中的第一栅极驱动器包括：第一DC参考电压，被配置为设定所述第一调制栅极驱动信号的第二电平，包括第一阈值检测器的第一DC参考电压发生器，所述第一阈值检测器被配置为估计所述第一功率晶体管的阈值电压并且所述第一DC参考电压发生器被配置为根据所述第一DC参考电压和所估计的阈值电压之间的差来得到第二DC参考电压。6.根据权利要求5所述的D类音频放大器，其中，所述第一DC参考电压发生器被配置为：根据所述第一DC参考电压与所估计的阈值电压之间的差来估计所述第一功率晶体管的第一过驱动电压(VodN)；确定所述第一过驱动电压的预定比例并且将所估计的第一功率晶体管的阈值电压与所述第一过驱动电压的预定比例相加；根据所述第一过驱动电压的预定比例和所估计的阈值电压来得到所述第二DC参考电压。7.根据权利要求5或6所述的D类音频放大器，其中，所述第一阈值检测器包括与所述第一功率晶体管相同类型的测试晶体管，所述第一阈值检测器被配置为：向耦接有二极管的测试晶体管间歇地或连续地施加测试电流；以及根据所述耦接有二极管的测试晶体管两端的电压降来估计所述第一功率晶体管的阈值电压。8.根据权利要求7所述的D类音频放大器，其中，所述第一阈值检测器还被配置为：将所述测试晶体管两端的电压降存储在电容元件上或者通过模数转换器对所述电压降进行采样和编码。9.根据权利要求5至8中任一项所述的D类音频放大器，其中，所述第一栅极驱动器还包括：第一反相器或缓冲器，连接在所述第一功率晶体管的栅极端子和源极...

【专利技术属性】
技术研发人员：米克尔·霍耶比，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT