一种复合型串联数字功放制造技术

一种复合型串联数字功放，属于数字功放技术领域。前级模块和后级模块之间串联连接；前级模块，采用高压供电、高压的开关器件和控制环路，为了降低开关损耗可以工作在较低的频率，提供高压大功率的输出，但是不需要细节控制能力，输出纹波较大；后级模块，包括浮动低压电源、低压的开关器件和控制环路，工作在很高的开关频率上，输出纹波很小，输出电压控制精细，使得整体电路满足大功率的同时在失真等指标达到极高性能，本发明专利技术能极大的提高数字功放的输出性能。前级频率降低，可以使用便宜的普通和更少的MOS管，前级大幅降低高压MOS成本，后级少量增加成本，总成本可以大幅降低。

【技术实现步骤摘要】
一种复合型串联数字功放
本专利技术涉及数字功放
，具体涉及一种适用于高压大功率系统的复合型串联数字功放。
技术介绍
当前D类数字功放由半桥MOS或全桥MOS加控制电路构成，但是在高压大功率数字功放中存在以下缺陷或难点：1.为了提升音质，电路开关频率越高越好，但是频率越高电路的损耗越大，一般取为400K-1000K之间，如果提升到更高频率会有更好的音质。实际现有产品在功耗和音质上做了权衡。2.高压电路的开关损耗大。D类数字功放在选用的MOS器件有个特点，电压越高性能越差，体现在两个个方面。一，耐压越高，寄生二极管特性越差，即便是专门设计的高压MOS也无法适应高频率工作，需要使用复杂的电路或者使用昂贵的碳化硅器件。二，开关损耗跟工作电压的平方成正比，比如电压增加十倍，损耗是增加一百倍。越是大功率的功放，越是要高压MOS，这就有个不可调和的矛盾，使得大功率时频率难以提高，对音质造成影响。3.同样的DV/DT，电路的工作频率与电压成反比，也就是说低压电路能轻松的工作在高频上。4，高压电路无法实现高频的同时，输出高频纹波较大，电压控制的动态特性和精细度不够。现有电路没有办法实现大功率的同时，保证音频的质量。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种复合型串联数字功放的技术方案。一种复合型串联数字功放，包括前级模块和后级模块，前级模块和后级模块之间串联连接；前级模块，采用高压供电、高压的开关器件和控制环路，为了降低开关损耗可以工作在较低的频率，提供高压大功率的输出，但是不需要高精度细节控制能力,动态特性可以较差，输出纹波较大；后级模块，包括浮动低压电源、低压的开关器件和控制环路，工作在很高的开关频率上，输出纹波很小，输出电压控制精细，同时可以设计成软开关并且避免死区影响的特性，使得整体电路满足大功率的同时在失真等指标达到极高性能，同时增加成本很低。进一步的，所述的前级模块提供整个电路的主要功率输出，包括依次连接的前级电压反馈单元、前级电流环及PWM生成单元、MOS驱动模块、前级开关单元和前级LC单元；后级模块包括浮动电源、后级MOS驱动模块、后级电压反馈单元、后级电流环及PWM生成单元、后级开关单元和后级LC单元，浮动电源与后级开关单元连接，后级电压反馈单元、后级电流环及PWM生成单元和后级MOS驱动模块依次连接，后级MOS驱动模块驱动后级开关单元；浮动电源中点基于前级输出电压VC，前级L3输出穿透后级MOS管和后级浮动电源的电容作用于C5，VC电压反馈至前级电压反馈单元，电流反馈至前级电流环及PWM生成单元；输出电压VOUT电压反馈至后级电压反馈单元，电流反馈至后级电流环及PWM生成单元；前级模块维持VC对输出电压VOUT的跟踪。进一步的，所述的前级电压反馈单元包括运算放大器U1、电阻R3、电阻R2、电阻R1和电容C2，音频信号经过电阻R1与运算放大器U1的负输入端连接，负输入端与输出端之间设有电容C1形成积分电路，同时运算放大器U1的负输入端通过并联的电阻R2、电阻R3和电容C2连接后级模块的VC端，VC端通过电容C5接地，电容C5和电容C10合并电流采样反馈至比较器U2的负输入端；所述前级电流环及PWM生成单元包括比较器U2、电阻R4和电阻R5，运算放大器U1的输出端通过电阻R4连接比较器U2的正输入端，比较器U2的正输入端通过电阻R5连接比较器U2输出端，比较器U2输出端连接MOS驱动模块，MOS驱动模块驱动前级开关单元，前级开关单元包括MOS管M5和MOS管M6，前级LC单元包括电感L3和电容C5，MOS管M5和MOS管M6的公共端连接电感L3，电感L3的输出端与后级模块的MID端连接，前级L3输出穿透后级MOS管和后级浮动电源的电容作用于C5。进一步的，所述的前级模块的输出端VC连接浮动电源，并分别通过并联的电容C3、电阻R7和并联的电容C4、电阻R9连接电源V2的正和负两端；电源V2的两端连接后级开关单元，后级电压反馈单元包括运算放大器U3、电阻R6、电阻R10、电阻R11、电容C7和电容C6，运算放大器U3的负输入端通过电阻R6连接信号输入端VIN，运算放大器U3的负输入端通过电容C6连接运算放大器U3的输出端形成积分电路，负输入端通过并联的电阻R10、电阻R11和电容C7连接信号的输出端VOUT，运算放大器U3的正输入端接地；所述后级电流环及PWM生成单元包括比较器U4、电阻R12和电阻R13，运算放大器U3的输出端通过电阻R12连接比较器U4的正输入端，且正输入端通过电阻R13连接输出端，电容C10的电流采样反馈至比较器U4的负输入端，比较器U4的输出端连接后级MOS驱动模块，后级MOS驱动模块驱动后级开关单元；后级开关单元包括MOS管M7和MOS管M8,后级LC单元包括电感L4和电容C10，前级模块的输出端MID连接MOS管M7和MOS管M8的公共端，并通过电感L4输出，输出端为VOUT，输出端VOUT通过电容C10接地，并且电流反馈至比较器U4的负输入端，VC端作为浮动电源的虚拟中点。进一步的，所述的前级模块设有输出电感L3，后级模块设有输出电感L4，后级开关单元设有MOS半桥，前级输出电感L3直接连接到后级模块的后级开关单元MOS半桥中点上，因而前级输出电压与后级相等，原理上后级电源不需要提供功率，只需要维持稳定的电压；同时后级开关单元MOS管只需要提供前后级电感L3和L4电流差值，这个电流值非常小，可以选用比较小电流的低压MOS。进一步的，所述的前级模块设有输出电感L3，后级模块设有输出电感L4，当设计成后级模块的电感L4电流波动大于前级模块电感L3电流波动，后级开关单元MOS管工作在软开关条件下，同时死区对后级的影响消除，大大提高失真率指标。进一步的，所述的前级模块的电流采样合并了前后级两个输出电容C5和C10合并的电流，因为后级的电感L4电流也流过前级的电容C5，会影响前级的电感L3电流检测，合并后，后级电感L4波动电流在两个电容C5和C10里互相抵消，使得检测波动电流就是前级电感的，控制更为平稳。进一步的，所述的前级模块的输出作为后级模块浮动电源的基准，浮动电源LV+的大小为前级模块输出与V1电源二分之一的叠加，浮动电源LV-的大小为前级模块输出与V1电源二分之一的差值，浮动电源LV+和LV-为后级MOS供电。实际不理论上不消耗功率，主要是维持电压。进一步的，所述的浮动电源采用开关式中点平衡电路，后级模块因为使用低压供电，控制环路开关单元选用低压MOS管。前级损耗计算。前级频率可以降低到1/2或1/3，开关损耗跟频率成正比，也就相应的降低这么多，而开关损耗在数字功放里占大部分，也就是大幅度减小了前级功放的损耗。后级损耗计算。同频率下开关损耗主要跟电压的平方相关，同时后级MOS电流只是提供前后级电流差值的波动，所以后级低压MOS可以选小得多电流的管子，就能达到非常低的损耗，成本非常低。总的来说，虽然后级电路是多出来的部分，因为它的成本及损耗在大功率电路中占本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合型串联数字功放，包括前级模块和后级模块，其特征在于前级模块（1）和后级模块（6）之间串联连接；/n前级模块（1），采用高压供电、高压的开关器件和控制环路，为了降低开关损耗可以工作在较低的频率，提供高压大功率的输出，但是不需要高精度细节控制能力,动态特性可以较差，输出纹波较大；/n后级模块（6），包括浮动低压电源、低压的开关器件和控制环路，工作在很高的开关频率上，输出纹波很小，输出电压控制精细，可以设计成软开关并且避免死区影响的特性，使得整体电路满足大功率的同时在失真等指标达到极高性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合型串联数字功放，包括前级模块和后级模块，其特征在于前级模块（1）和后级模块（6）之间串联连接；
前级模块（1），采用高压供电、高压的开关器件和控制环路，为了降低开关损耗可以工作在较低的频率，提供高压大功率的输出，但是不需要高精度细节控制能力,动态特性可以较差，输出纹波较大；
后级模块（6），包括浮动低压电源、低压的开关器件和控制环路，工作在很高的开关频率上，输出纹波很小，输出电压控制精细，可以设计成软开关并且避免死区影响的特性，使得整体电路满足大功率的同时在失真等指标达到极高性能。


2.根据权利要求1所述的一种复合型串联数字功放，其特征在于所述的前级模块（1）提供整个电路的主要功率输出，包括依次连接的前级电压反馈单元（2）、前级电流环及PWM生成单元（3）、MOS驱动模块（4）、前级开关单元（5）和前级LC单元（12）；后级模块（6）包括浮动电源（7）、后级MOS驱动模块（8）、后级电压反馈单元（9）、后级电流环及PWM生成单元（10）、后级开关单元（11）和后级LC单元（13），浮动电源（7）与后级开关单元（11）连接，后级电压反馈单元（9）、后级电流环及PWM生成单元（10）和后级MOS驱动模块（8）依次连接，后级MOS驱动模块（8）驱动后级开关单元（11）；浮动电源（7）中点基于前级输出电压VC，前级L3输出穿透后级MOS管和后级浮动电源的电容作用于C5，VC电压反馈至前级电压反馈单元（2），电流反馈至前级电流环及PWM生成单元（3）；输出电压VOUT电压反馈至后级电压反馈单元（9），电流反馈至后级电流环及PWM生成单元（10）；前级模块（1）维持VC对输出电压VOUT的跟踪。


3.根据权利要求2所述的一种复合型串联数字功放，其特征在于所述的前级电压反馈单元（2）包括运算放大器U1、电阻R3、电阻R2、电阻R1和电容C2，音频信号经过电阻R1与运算放大器U1的负输入端连接，负输入端与输出端之间设有电容C1形成积分电路，同时运算放大器U1的负输入端通过并联的电阻R2、电阻R3和电容C2连接后级模块（6）的VC端，VC端通过电容C5接地，电容C5和电容C10合并的电流采样反馈至比较器U2的负输入端；所述前级电流环及PWM生成单元（3）包括比较器U2、电阻R4和电阻R5，运算放大器U1的输出端通过电阻R4连接比较器U2的正输入端，比较器U2的正输入端通过电阻R5连接比较器U2输出端，比较器U2输出端连接MOS驱动模块（4），MOS驱动模块（4）驱动前级开关单元（5），前级开关单元（5）包括MOS管M5和MOS管M6，前级LC单元（12）包括电感L3和电容C5，MOS管M5和MOS管M6的公共端连接电感L3，电感L3的输出端与后级模块（6）的MID端连接，前级L3输出穿透后级MOS管和后级浮动电源的电容作用于C5。


4.根据权利要求2所述的一种复合型串联数字功放，其特征在于所述的前级模块（1）的输出端VC连接浮动电源（7），并分别通过并联的电容C3、电阻R7和并联的电容C4、电阻R9连接电源V2的正和负两端；电源V2的两端连接后级开关单...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金路，
申请(专利权)人：张金路，
类型：发明
国别省市：浙江;33