具有过载保护电路的D类音频放大器及其保护方法技术

本发明专利技术涉及具有输出级的D类音频放大器和保护该D类音频放大器的输出级的功率晶体管免受过载电流的方法。该输出级包括级联耦合在第一DC供应电压与第二DC供应电压之间的多个功率晶体管。该D类音频放大器包括多个栅极驱动器，多个栅极驱动器包括耦合至调制音频信号的相应输入端并且被配置成向多个功率晶体管生成相应的调制栅极驱动信号。第一过载保护电路包括具有代表输出级的第一功率晶体管的电特性的模型晶体管以确定所述模型晶体管的漏极‑源极参考电压，并且该漏极‑源极参考电压可用于指示第一功率晶体管的过载事件或状况。

Class D Audio Amplifier with Overload Protection Circuit and Its Protection Method

The invention relates to a class D audio amplifier with an output stage and a method for protecting the power transistor of the output stage of the class D audio amplifier from overload current. The output stage includes a plurality of power transistors cascaded between the first DC supply voltage and the second DC supply voltage. The class D audio amplifier includes a plurality of gate drivers, which include corresponding input terminals coupled to modulated audio signals and are configured to generate corresponding modulated gate driving signals to multiple power transistors. The first overload protection circuit includes a model transistor having an electrical characteristic representing the first power transistor of the output stage to determine the drain source reference voltage of the model transistor, and the drain source reference voltage can be used to indicate the overload event or condition of the first power transistor.

【技术实现步骤摘要】
具有过载保护电路的D类音频放大器及其保护方法
本专利技术涉及具有输出级的D类音频放大器，该输出级包括级联耦合在第一DC供应电压和第二DC供应电压之间的多个功率晶体管。D类音频放大器包括多个栅极驱动器，所述多个栅极驱动器包括耦合至调制音频信号的相应输入端并且被配置成向所述多个功率晶体管生成相应的调制栅极驱动信号。第一过载保护电路包括具有表示输出级的第一功率晶体管的电特性的模型晶体管以确定所述模型晶体管的漏极-源极参考电压，并且该漏极-源极参考电压可以用于指示第一功率晶体管的过载事件或状况。
技术介绍
D类音频放大器众所周知并被广泛认可为通过跨扬声器负载切换调制的音频信号(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高能效音频驱动。D类音频放大器通常包括H桥驱动器，该H桥驱动器具有耦合至扬声器负载的相应侧或端子的一对输出端，以跨扬声器施加相反相位的脉冲宽度调制或脉冲密度调制音频信号。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或转换(toggle)。两个不同的电平通常分别对应于上电源轨和下电源轨，例如输出级的正DC电压电源轨和负DC电压电源轨。在所谓的BD调制中，跨扬声器负载的脉冲宽度调制信号在三个电平之间交替地切换，其中两个电平可以对应于上述的上DC电压电源和下直流电压电源，而第三个电平为零。后者是通过将扬声器负载的两个端子同时拉至DC电压电源轨中之一而获得的。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，通常设定为正DC供应轨和负DC供应轨之间的中间供应电平的第三供应电压电平被施加至输出驱动器的输出节点，使得例如可以通过适当配置的输出驱动器跨扬声器负载来施加3电平或5电平的脉冲宽度调制信号。然而，本领域仍然需要提供对于输出级的功率晶体管的有效过载保护，例如过流保护，同时保持过载保护电路的功耗最小。特别有益的是，将D类音频放大器的过载保护电路在静态工作期间的并且在小音频输出电平处的功耗降至最低，以延长便携式音频设备的电池寿命、减少散热等。在静态工作和小输出信号电平处，过载保护电路的功耗可以表示D类音频放大器的总功耗的一大部分，并且因此使得除非保护电路功耗降低，否则在这些工作条件下它们的整体效率不是最佳的。
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，被配置用于接收音频信号并将音频信号转换为具有载波频率或调制频率的调制音频信号，输出级，包括级联耦合在第一DC供应电压(Pvdd)与第二DC供应电压(Pvss)之间的多个功率晶体管，多个栅极驱动器，包括耦合至调制音频信号的相应输入端并且被配置成向所述多个功率晶体管生成相应的调制栅极驱动信号，第一过载保护电路，包括具有代表输出级的第一功率晶体管的电特性的模型晶体管。过载保护电路被配置成：-重复确定所述模型晶体管的漏极-源极参考电压，-比较漏极-源极参考电压与第一功率晶体管的漏极-源极电压，-基于漏极-源极参考电压与第一功率晶体管的漏极-源极电压之间的比较结果而生成过载信号。D类音频放大器可以包括脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)或空间矢量调制(SVM)，使得施加至所述多个功率晶体管的相应调制栅极驱动信号以相应的方式被调制。D类音频放大器可以包括使用各种输出级拓扑例如H桥拓扑或单端拓扑的2级AD类或BD类脉冲密度调制(PDM)或者两级或多级脉冲宽度调制(PWM)。D类音频放大器的DC供应电压即第一DC供应电压与第二DC供应电压之间的差可以在5伏与120伏之间。DC供应电压可以被提供作为单极性或双极性DC电压，例如相对于放大器的接地参考GND的+40伏或+/-20伏。过载保护电路可以包括数字或模拟控制器以执行上述任务以及可能的其他常规任务(house-holding)或信号处理任务。该控制器可以包括基于与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。在这样的实施方式中，数字控制器可以根据自定时机构工作并且包括一些适当配置的有源和无源部件以及数字门，以确定所述模型晶体管的漏极-源极参考电压，从而将漏极-源极参考电压与第一功率晶体管的漏极-源极电压进行比较并且基于漏极-源极参考电压与第一功率晶体管的漏极-源极电压之间的比较结果而生成过载信号。然而，数字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式序列逻辑。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、氮化镓或碳化硅之类的半导体衬底上的至少一个N沟道场效应晶体管，例如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施为N型MOS晶体管。在替选实施方式中，级联耦合在输出节点与第一或最高DC供应电压(Pvdd)之间的至少功率晶体管是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供应电压的DC电压。输出级的多个功率晶体管可以至少包括第二功率晶体管，该第二功率晶体管具有与第一功率晶体管的相反的极性，由第二栅极驱动器进行驱动。D类音频放大器可以另外包括第二过载保护电路，其被配置成生成用于第二功率晶体管的过载信号。本领域技术人员将理解，D类音频放大器可以包括多个保护电路，其连接至输出级的多个级联功率晶体管中的相应功率晶体管，以提供对整个输出级的有效保护。考虑到保护电路的相关联的功率晶体管的极性和电压范围，多个保护电路中的每一个可以与第一保护电路大部分相同，如以下参照附图详细讨论的。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类音频放大器的切换频率。切换频率可以取决于诸如所选择的调制类型以及D类放大器的各种性能指标等的因素，其中，调制类型例如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)或空间矢量调制(SVM)。因此，输出级的每个功率晶体管可以在音频放大器的切换频率处在其导通状态与非导通状态之间切换。D类音频放大器的输出级可以包括在中点节点处电互连的上支路和下支路；所述中点节点可连接到扬声器负载。上支路和下支路形成半桥驱动器。上支路可以至少包括第一功率晶体管，并且下支路至少包括第二功率晶体管。在多级输出级中，上支路和下支路中的每一个包括两个或更多个串联连接或堆叠的功率晶体管，如以下参照附图更详细讨论的。如果输出级的上支路包括一个或多个N型MOS晶体管，则它们各自的栅极驱动器可以具有连接至由电压倍增器或电荷泵生成的单独的高侧电压电源的供电电压。电压倍增器或电荷泵可以被配置成生成高于上或第一DC供应电压(Pvdd)的在2V与5V之间的高侧电压。本领域技术人员将认识到，整个D类音频放大器或至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种D类音频放大器，包括：输入节点或输入端子，其用于接收音频信号，调制器，其被配置成接收所述音频信号并且将所述音频信号转换成具有载波频率或调制频率的调制音频信号，输出级，其包括级联地耦合在第一DC供应电压与第二DC供应电压之间的多个功率晶体管，多个栅极驱动器，其包括耦合至所述调制音频信号的相应输入端并且被配置成向所述多个功率晶体管生成相应的调制栅极驱动信号，第一过载保护电路，其包括具有代表所述输出级的第一功率晶体管的电特性的模型晶体管，所述第一过载保护电路被配置成：‑重复确定所述模型晶体管的漏极‑源极参考电压，‑比较所述漏极‑源极参考电压与所述第一功率晶体管的漏极‑源极电压，‑基于所述漏极‑源极参考电压与所述第一功率晶体管的所述漏极‑源极电压之间的比较来生成过载信号，其中，所述第一过载保护电路通过间歇式方案进行操作，所述间歇式方案包括：在用于确定当前漏极‑源极参考电压的估计或跟踪阶段与用于存储所述当前漏极‑源极参考电压直到后续估计或跟踪阶段被发起的保持阶段之间重复切换。

【技术特征摘要】
2017.07.03 EP 17179296.31.一种D类音频放大器，包括：输入节点或输入端子，其用于接收音频信号，调制器，其被配置成接收所述音频信号并且将所述音频信号转换成具有载波频率或调制频率的调制音频信号，输出级，其包括级联地耦合在第一DC供应电压与第二DC供应电压之间的多个功率晶体管，多个栅极驱动器，其包括耦合至所述调制音频信号的相应输入端并且被配置成向所述多个功率晶体管生成相应的调制栅极驱动信号，第一过载保护电路，其包括具有代表所述输出级的第一功率晶体管的电特性的模型晶体管，所述第一过载保护电路被配置成：-重复确定所述模型晶体管的漏极-源极参考电压，-比较所述漏极-源极参考电压与所述第一功率晶体管的漏极-源极电压，-基于所述漏极-源极参考电压与所述第一功率晶体管的所述漏极-源极电压之间的比较来生成过载信号，其中，所述第一过载保护电路通过间歇式方案进行操作，所述间歇式方案包括：在用于确定当前漏极-源极参考电压的估计或跟踪阶段与用于存储所述当前漏极-源极参考电压直到后续估计或跟踪阶段被发起的保持阶段之间重复切换。2.根据权利要求1所述的D类音频放大器，其中，所述第一过载保护电路被配置成在所述估计或跟踪阶段期间选择通过所述模型晶体管的第一偏置电流电平；以及在所述保持阶段期间选择通过所述模型晶体管的小于所述第一偏置电流电平的第二偏置电流电平。3.根据权利要求1或2所述的D类音频放大器，其中，所述保持阶段的持续时间是所述估计或跟踪阶段的持续时间的至少10倍。4.根据权利要求3所述的D类音频放大器，其中，所述保持阶段的持续时间是所述估计或跟踪阶段的持续时间的至少25倍。5.根据权利要求3所述的D类音频放大器，其中，所述保持阶段的持续时间是所述估计或跟踪阶段的持续时间的至少50倍。6.根据前述权利要求中任一项所述的D类音频放大器，其中，所述第一过载保护电路被配置成向所述第一功率晶体管的栅极驱动器传输所述过载信号；所述第一功率晶体管的栅极驱动器包括响应于所述过载信号而根据所述过载信号的逻辑状态使所述第一功率晶体管的栅极端子和源极端子选择性地断开和互连的控制逻辑。7.根据前述权利要求中任一项所述的D类音频放大器，其中，所述漏极-源极参考电压表示所述第一功率晶体管在通过所述第一功率晶体管的预定目标电流的漏极-源极电压。8.根据权利要求7所述的D类音频放大器，其中，所述预定目标电流是通过所述第一功率晶体管的最大可允许电流。9.根据权利要求7或8所述的D类音频放大器，其中，所述第一过载保护电路包括用于设置所述模型晶体管的偏置电流的可设计电流源或固定电流源；所述偏置电流将所述模型晶体管置于三极管区域工作中；以及所述模型晶体管的宽长W/L比是所述第一功率晶体管的宽长W/L比的至多100分之一。10.根据权利要求9所述的D类音频放大器，其中，所述模型晶体管的宽长W/L比是所述第一功率晶体管的宽长W/L比的至多1000分之一。11.根据权利要求9或10所述的D类音频放大器，其中，将所述模型晶体管的所述偏置电流设置成所述第一功率晶体管的所述预定目标电流的预定分数，其中，...

【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