專利名稱：具有同步開關(guān)支路的隔離變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含開關(guān)型電源部分及開關(guān)型放大器部分的放大裝置。
背景技術(shù)：
到目前為止，大多數(shù)放大器是AB類放大器組成的結(jié)構(gòu)，由提供電源隔離的線性(銅鐵型)電源供電。然而，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是重量重、體積大、效率很低。隨著對于效率和備用電源以及小型化的要求不斷升級，這種設(shè)置日愈成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為提高這種設(shè)置的效率，業(yè)界做了各種努力。其中大多數(shù)試圖改善線性電源效率的方法是通過用開關(guān)型電源替代線性電源，或用稱為D類(＝開關(guān)型)的放大器替代AB類放大器。這種解決方案如DE34 47 566和EP 0 561 501所公開。但是，開關(guān)型電源及D類放大器兩部分都需要數(shù)個(gè)昂貴的元器件，如開關(guān)、磁性元件、儲(chǔ)能元件、控制單元等等。因而，由于成本原因，這些解決方案在消費(fèi)電子市場未能取得成功。
D類放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用了脈寬調(diào)制方式。D類以開關(guān)模式工作，因此D類放大器也稱為開關(guān)型功率放大器。在這種類型的放大器中，輸出端迅速地閉合和斷開，優(yōu)選在每一個(gè)取樣周期內(nèi)至少開關(guān)兩次。用這種方法，基本上可以避免功率的浪費(fèi)。
業(yè)內(nèi)通常用開關(guān)型轉(zhuǎn)換器這一術(shù)語來描述這類電路采用直流或交流輸入，提供極性相同或相反、較低電壓或較高電壓的單個(gè)或多個(gè)直流或交流的輸出。
因此，需要一種包含D類放大器和開關(guān)型電源(SMPS)的裝置，其成本較低或效率較高，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種高效和/或低成本的、包含開關(guān)型電源部分和開關(guān)型放大器部分的放大裝置。
本發(fā)明的目的是通過所附權(quán)利要求限定的根據(jù)本發(fā)明的放大裝置來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明涉及一種放大裝置，包含開關(guān)型電源部分和開關(guān)型放大器部分，其特征在于，它還包含磁性元件，構(gòu)成放大裝置的初級端和次級端，所述初級端與放大裝置的電壓輸入端相連接，所述的次級端與放大裝置的電壓輸出端相連接，所述的磁性元件可以為開關(guān)型電源部分工作，也可為開關(guān)型放大器部分工作；并且在磁性元件的每一端至少設(shè)有一個(gè)控制單元用于控制電流和/或電壓。
本發(fā)明放大裝置提供開關(guān)型電源和D類放大器相結(jié)合的方式，其中至少一些重要及昂貴的零部件為不同的功能部分所共享。與通常的部件基本完全分離的解決方案相比，這種方式提供了一種更加有效、成本更低的裝置。根據(jù)本發(fā)明，磁性元件優(yōu)選為變壓器，由多個(gè)部分所共享。因而優(yōu)點(diǎn)是基本上只需要一個(gè)主要的磁性元件。這樣，就可以得到一種作為通用結(jié)構(gòu)的廉價(jià)、小體積、高效的，商業(yè)可行的替代結(jié)構(gòu)。
作為優(yōu)選方式，開關(guān)型電源部分和開關(guān)型放大器部分可設(shè)計(jì)成為集成單元，從而可得到更加小巧的放大裝置。
作為另一優(yōu)選方式，在初級端設(shè)有至少一個(gè)儲(chǔ)能元件，該儲(chǔ)能元件既可為開關(guān)型電源部分工作，也可為開關(guān)型放大器部分工作。其結(jié)果，另一個(gè)重要的組件由放大裝置的功能部分所共享，使其更加高效及成本更低。
優(yōu)選地，可以通過以實(shí)現(xiàn)電源功能和放大功能的方式控制所述控制單元，提供電源功能和放大功能。結(jié)果，使相對簡單和便宜的設(shè)計(jì)成為可能。
作為最有效的方式，通過使用包含對電流為雙向、對電壓為單向開關(guān)的初級端控制單元，和/或包含對電流為單向、對電壓為雙向開關(guān)的次級端控制單元，進(jìn)行這種功能選擇。
進(jìn)一步地優(yōu)選變壓器設(shè)計(jì)為中心抽頭，例如設(shè)有一個(gè)中心設(shè)置的接地連接。通過初級端和次級端之間的電絕緣可以實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。對于消費(fèi)產(chǎn)品，為了使電源與最后用戶隔離(絕緣)這一點(diǎn)特別重要。
作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及包含上述放大裝置的音頻產(chǎn)品。
從以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述中可以顯而易見地了解本發(fā)明的適用范圍。但是，應(yīng)當(dāng)指出，僅僅說明性地給出了對本發(fā)明的詳細(xì)描述和表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的特定實(shí)例，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說從這些細(xì)節(jié)的描述中可以得出的各種顯而易見的變化和改進(jìn)都不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
以下將結(jié)合附圖通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的放大裝置的電路示意圖；圖2為圖1所示的放大裝置的時(shí)間響應(yīng)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種放大裝置，其中開關(guān)型電源和D類放大器相互結(jié)合在一起。圖1為本發(fā)明放大器實(shí)施例的示意圖。
放大裝置包含磁性元件1，該磁性元件構(gòu)成放大裝置的初級端S1和次級端S2，所述初級端與放大裝置的電壓輸入端連接，所述次級端與放大裝置的電壓輸出端連接。所述磁性元件既可以為放大裝置的開關(guān)型電源部分工作，也可以為開關(guān)型放大器部分工作。在優(yōu)選實(shí)施例中，該磁性元件為具有相互電感耦合的初級和次級線圈11、12的變壓器，從而構(gòu)成放大裝置的初級和次級端S1、S2。
此外，放大裝置在變壓器的每一端還包含控制單元2、3，用于控制電流和/或電壓，在初級端最好設(shè)置至少一個(gè)儲(chǔ)能元件4，如電容。所述的儲(chǔ)能元件最好可以為放大裝置的開關(guān)型電源功能和開關(guān)型放大器功能兩者工作，并且可以構(gòu)成初級端上所述的控制單元2的組成部分。儲(chǔ)能元件可以當(dāng)作直流電壓的緩沖器。初級端的控制單元2優(yōu)選由兩條開關(guān)支路(switching legs)組成，最好構(gòu)成全橋式變換器(full-bridgeinverter)，工作在恒定的開關(guān)頻率及50％的占空系數(shù)。全橋式變換器可以包括4個(gè)相同的開關(guān)20，如圖1所示，每一支路上設(shè)兩個(gè)開關(guān)。初級端的開關(guān)最好對電流為雙向，對電壓為單向。這可以通過場效應(yīng)晶體管(FET)實(shí)現(xiàn)，最好是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，如將MOSFET 21與二極管22并聯(lián)。
在所示的實(shí)施例中，變壓器的初級線圈11設(shè)在初級端控制單元2的平衡中心(balanced center)，如在開關(guān)支路之間。在次級端，變壓器最好包含2個(gè)線圈12，兩個(gè)線圈之間的連接點(diǎn)接地。這樣，構(gòu)成中心抽頭的變壓器，在輸入緩沖器和負(fù)載端之間形成電絕緣。
次級端的控制單元3優(yōu)選包括開關(guān)30，對電流為單向、對電壓為雙向。這些開關(guān)最好由半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，如用場效應(yīng)晶體管(FET)，最好是MOSFET。圖1所示為這種開關(guān)的一種可能實(shí)現(xiàn)方式，其中MOSFET 31與二極管32串連。具有反向阻斷電壓性能的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)也可以用于實(shí)現(xiàn)本目的。
次級端的開關(guān)最好是相同的，并且最好為橋式連接，設(shè)有兩個(gè)平行的分支，每個(gè)分支上設(shè)兩個(gè)開關(guān)，在每個(gè)分支上的開關(guān)之間設(shè)置互連33。因而，在本實(shí)施例中，在p分支上設(shè)有兩個(gè)開關(guān)，分別包括二極管和MOSFET的組合Q1p、D1p和Q2p、D2p。同樣，在n分支上分別包括二極管和MOSFET的組合Q1n、D1n和Q2n、D2n?；ミB提供放大裝置的負(fù)載輸出端。此外，在互連33的負(fù)載輸出端中心35的每一邊可以設(shè)置一個(gè)電感34。所述電感起低通濾波器的作用。
上述討論的實(shí)施例中，發(fā)現(xiàn)負(fù)載電流是流過濾波器34的電流之間的差值，而與互連33的負(fù)載輸出位置35處的電位vo成正比例。互連的每一邊的電位分別為vp和vn。一般，該電位可以表示為vo＝1/2*(vp+vn)開關(guān)的定時(shí)如圖2所示。為清楚起見，假設(shè)本圖中所用元件均為理想元件。
時(shí)序圖描述了次級開關(guān)支路的定時(shí)。相對于初級支路，次級開關(guān)支路為支路1和支路2。Vx的正向轉(zhuǎn)變(從負(fù)電壓變?yōu)檎妷?之后，晶體管Q1n和Q2p導(dǎo)通。此外，vx的正脈沖波前(positive flank)最好當(dāng)做晶體管Q1p和Q2n截止之后傳導(dǎo)延遲的參考瞬時(shí)(reference instants)(圖中用*表示出)。反之，vx的負(fù)脈沖波前(negative flank))最好標(biāo)記Q1p和Q2n的接通時(shí)間，并為Q1n和Q2p的傳導(dǎo)延遲提供參考時(shí)間瞬時(shí)。應(yīng)當(dāng)注意，不必要在vx的脈沖波前之后立即接通晶體管，因?yàn)榕c開關(guān)串聯(lián)的二極管首先會(huì)倒轉(zhuǎn)極性。
對信號進(jìn)一步分析揭示vo＝(2*dp-1)*(V1/N) vo＝(dp-dn)*(V1/N)
＝>
vo＝(1-2*dn)*(V1/N)dp+dn＝1其中，dp和dn分別表示Q1p和Q2p及Q2n和Q1n的占空系數(shù)。
為了使稱為Vref的參考信號完美復(fù)原，只需要每一個(gè)周期內(nèi)(或幾個(gè)周期內(nèi))，vp和相應(yīng)地vn的脈沖積分平均值(pulse integratedaverage)與Vref相等。例如，在周期時(shí)間間隔內(nèi)，電源電平V1的降落可以由加寬脈沖的寬度，即dp和dn來補(bǔ)償?shù)取?br> 如上所述的放大裝置可以容易地進(jìn)行實(shí)施，只要集成單元包括開關(guān)型電源部分和開關(guān)型放大器部分，并且可以控制初級和次級端的控制單元以實(shí)現(xiàn)電源功能和放大功能。
本發(fā)明的放大裝置，特別是如上所述，提供了很多有用的性能◆在每個(gè)開關(guān)支路上關(guān)斷及隨后的接通之間的消隱延遲(blankingdelay)，對次級端的輸出電壓不發(fā)生影響。并且，初級端發(fā)生的開關(guān)和二極管恢復(fù)暫駐(recovery transient)，對輸出端不產(chǎn)生干擾。
◆不必為次級端的開關(guān)插入消隱延遲。從而，放大器中最嚴(yán)重的失真源之一，被稱為死區(qū)的，從本轉(zhuǎn)換器中消除。
◆在負(fù)載端得到的信號頻率增大。在圖2所示的情況下，輸出波紋頻率加倍。此外，逐漸增加的電壓電平的有效數(shù)量擴(kuò)大一個(gè)數(shù)量級，使濾波容易。此優(yōu)點(diǎn)尤其出現(xiàn)在設(shè)置有兩條次級開關(guān)支路的放大裝置(如上討論的)中。
◆所有的電容性能量存儲(chǔ)緩沖器位于高電壓端。
◆變壓器可以做得很小，不再需要另外的磁性存儲(chǔ)元件，當(dāng)然，除了提供低通濾波的小次級電感之外。
總之，本發(fā)明公開了一種放大裝置，提供了將開關(guān)型電源和D類放大器(開關(guān)型放大器)集成在一起的方法。其結(jié)果是基本上使用一個(gè)磁性元件、一個(gè)主儲(chǔ)能元件及多個(gè)開關(guān)，以能夠?qū)崿F(xiàn)電源和放大兩種功能的方式控制磁性元件、主儲(chǔ)能元件及開關(guān)。用這種方法，得到一種便宜、小巧、高效的通用配置。本發(fā)明放大裝置特別適用于音頻產(chǎn)品。
本發(fā)明通過優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述。但是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，還可顯而易見地找到許多可行的替換和修改方法。例如，控制單元可以是與上述討論的不相同類型的開關(guān)。此外，磁性元件只是被放大裝置的兩個(gè)部分所共享，但是也可能共享一個(gè)或更多的元件。還有，可以采用其它的電路方案，特別是提供基本相同功能的其它元件，可用于替換參考所公開的實(shí)施例所討論的元件。
對本發(fā)明進(jìn)行的各種類似的替換和修改必定被認(rèn)為不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種放大裝置，包括開關(guān)型電源部分和開關(guān)型放大器部分，其特征在于，還包括磁性元件(1)，形成放大裝置的初級端和次級端(S1、S2)，所述初級端與放大裝置的電壓輸入端耦合，所述次級端與放大裝置的電壓輸出端耦合，所述的磁性元件(1)可既為開關(guān)型電源部分又可為開關(guān)型放大器部分工作，并且磁性元件的每一邊至少有一個(gè)控制單元(20、30)用于控制電流和/或電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的放大裝置，其中開關(guān)型電源部分和開關(guān)型放大器部分組成一個(gè)集成的單元。
3.如權(quán)利要求1或2所述的放大裝置，其中所述的磁性元件是在初級端具有初級線圈(11)和在次級端具有次級線圈(12)的變壓器(1)，所述線圈相互電感耦合。
4.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的放大裝置，其中還包括至少一個(gè)在初級端的儲(chǔ)能元件(4)，所述儲(chǔ)能元件既可為開關(guān)型電源部分、又可為開關(guān)型放大器部分工作。
5.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的放大裝置，其中可控制所述控制單元(20、30)實(shí)現(xiàn)電源功能和放大功能。
6.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的放大裝置，其中至少一個(gè)在初級端的控制單元包括開關(guān)(20)，所述開關(guān)(20)對電流為雙向、對電壓為單向。
7.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的放大裝置，其中初級端的控制單元(20)構(gòu)成一最好以恒定開關(guān)頻率工作的全橋式變換器。
8.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的放大裝置，其中至少一個(gè)在次級端的控制單元包括開關(guān)(30)，所述開關(guān)(30)對電流為單向、對電壓為雙向。
9.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的放大裝置，其中變壓器(1)是中心抽頭的，例如具有中心設(shè)置的接地連接。
10.一種音頻產(chǎn)品，包含如權(quán)利要求1至9的任一權(quán)利要求所述的放大裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種放大裝置，提供了將開關(guān)型電源和D類放大器(開關(guān)型放大器)集成在一起的方法。其結(jié)果是基本上使用一個(gè)磁性元件(1)、一個(gè)主儲(chǔ)能元件(4)及多個(gè)開關(guān)(20，30)，以能夠?qū)崿F(xiàn)電源功能和放大功能的方式控制磁性元件、主儲(chǔ)能元件及開關(guān)。用這種方法，得到一種便宜、小巧、高效的通用配置。本發(fā)明放大裝置特別適用于音頻產(chǎn)品。
文檔編號H02M3/335GK1605149SQ02825146
公開日2005年4月6日 申請日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月17日
發(fā)明者P·J·M·斯米德特, J·L·杜瓦特, R·喬克曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司