用于功率放大器的升压级电路

技术领域

本发明属于用于功率放大器的升压级电路和包括所述升压级电路的外部电源电压功率放大器的领域，所述外部电源电压功率放大器例如用于放大到达扬声器系统(音频放大器)的电子信号。这些放大器可具备外部电源电压。

背景技术

现有技术的电子放大器电路常常被限制在它们可通过其所具备的电源电压而提供的输出电压的范围内。对于电池操作的装置，这可能会在电池电压未高到足以递送期望的输出信号(在所有情形下)时成问题。这例如是通常具有峰值信号比平均信号功率高许多倍(所谓的高波峰因数)的输出信号的音频放大器中的问题。

为了克服此电源限制，在过去已提出许多放大器电路扩展，其使可用电源电压瞬时升压到超出可从外部电源获得的电压。可特别提及两种方法：使用可使电源瞬时加倍的大存储电容器(“飞跨电容器”)的电路，例如在US8212620中，此文件展示一种放大器装置，所述放大器装置包含具有用于接收音频输入信号的输入和用于将输出信号发送到负载的输出的放大器，其中升压轨电路连接到电源并具有连接到BTL放大器的单个升压轨，例如图1a中所展示；以及使用单独切换功率级来产生局部电源的其它电路，所述其它电路通常由如图1b中所展示的具有电感器和电容器的升压电路组成。上文所论述的现有技术的两种变体仍有问题。在飞跨电容器的情况下，主要问题是其在使用期间放电并可仅最多实现电源的加倍。此外，当其大量放电时，再充电将产生功率耗散，例如在所存在的二极管中。在切换升压器的情况下，问题是将局部电源15充电到高于外部电源5会花费时间。更详细地说，此第二问题牵涉以下情况：当需要升压阶段时，电感器10首先必须通过将其经由底部晶体管30连接到地面35而进行充电，所述底部晶体管具有局部电源15在其升压之前会下降的副作用。此初始充电在其开始上升到高于电源之前产生输出的瞬时下降，且是“右半平面”零点的表现，所述表现通常是在切换升压级的控制中众所周知的问题。在用于放大器的应用中，这意味着在电源的控制中需要一些余量(以产生非期望的电源变化的一些裕度)，或在输入的处理中需要一些延迟以能够“前瞻”并在实际上需要升压之前预测切换。图1b中的切换升压器的另一缺点是电源电流始终流过初级电感器10，甚至在不需要升压时也是如此。此电感器的寄生电阻造成额外损耗。

顺便提及，US 2018/115246 A1叙述了一种包含升压转换器和功率转换器的组合的系统，所述升压转换器和所述功率转换器串联耦合在一起，使得串联组合将到达所述串联组合的输入电压升压到大于所述输入电压的输出电压，使得由所述串联组合提供的升压大于仅由升压转换器提供的升压。所述系统还可包含放大器，其中放大器的输入耦合到升压转换器和功率转换器的串联组合的输出。然而，所述系统是相对复杂的，且并非极高能效的。

本发明的目标是克服现有技术的升压电路的缺点且尤其是克服其电气和音频功能的缺点，而不会损害功能性和优点。

发明内容

本发明在第一方面中涉及用于功率放大器电路的根据权利要求1所述的升压级电路，功率放大器电路用于放大输入信号并产生输出信号，升压级电路包含用于产生到达功率放大器的电源轨电压的电路。当输出信号超过可从外部电源(例如电池)获得的电压时，用于功率放大器的电源电压由飞跨电容器提升。飞跨电容器在通过电感器的每一提升循环之后高效地自动再充电，从而也将跨飞跨电容器的电压增大到高于外部电源。当需要升压时，接着通过开关晶体管230将电容器240提升并放置成与电源串联。因而，电源的瞬时加倍是可用的，而没有图1b中现有技术的升压器中存在的充电延迟。当开关晶体管230闭合时，电流也将开始在初级电感器210中累积。当电路通过断开230和闭合220返回到正常电源时，此电感器电流将对电容器240再充电。通过在正常电源220闭合、230断开与升压电源220断开且230闭合之间足够快地交替，可使用相对小电容值240，同时避免显著放电，这与传统飞跨电容器电源倍增器相比是显著优点。除上述功能性之外，还存在飞跨电容器上的平均电压依据两个切换阶段的工作循环而增大。此外，随着电容器通过电感器35而非通过图1a的现有技术中的耗散二极管50进行高效再充电，未提供功率效率的降级。如同其它升压电路，模式之间的切换可在可变的，即有限或充满的能量从电感器转移到电容器的情况下发生。

因此，本升压级电路尤其适合于功率放大器，并包括用于外部电源的电连接器5、至少一个电容器240，所述电容器具有第一侧和第二侧，所述电容器在其第一侧处电连接到至少一个第一开关(220)并在第二侧处电连接到至少一个第二开关(230)，通常为单个第一开关220和/或单个第二开关230，其中每一个别开关适应于在>20kHz的切换频率下操作，其中每一个别开关与另一侧适应于电连接到电连接器5，应注意，“开关侧”可在电容器侧上和在电连接器侧上，并且其中在升压模式下，所述电容器的一侧处的所述至少一个第一开关220处于断开状态且所述电容器的另一侧处的所述至少一个第二开关230处于闭合状态，或其中在基本模式下，所述电容器的一侧处的所述至少一个第一开关220处于闭合状态且所述电容器的另一侧处的所述至少一个第二开关230处于断开状态，至少一个电感器210，其在一侧处电连接到(i)所述电容器240的一侧，并(ii)与所述第一开关220中的至少一个电连接，以及在另一侧处(iii)与地面电连接，输入261和262分别适应于从用于操作所述至少一个第一开关220和所述至少一个第二开关230的控制器接收控制输入，以及任选地，用于操作所述至少一个第一开关220和所述至少一个第二开关230的控制器。如果对“地面”进行参考，则也可参考电源的较低输入电压。在升压模式与基本模式之间，开关220、230可均断开，这可被称为盲区模式，以便防止短路。

在第二方面中，本发明涉及一种外部电源电压功率放大器60，其包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的升压级电路，其中所述功率放大器选自音频放大器、助听器放大器、电动机控制放大器、可变电源单元、时变电源，以及其组合。

应用尤其是具有固定电源电压的那些放大器，这是因为它们是电池供电的(包含车载放大器)或因为电源单元是固定的。主要应用是音频放大器。然而，此概念易于延伸到其它领域，例如电动机控制、可变电源单元或需要时变功率信号的任何其它领域。

由此，本发明提供对一个或多个上述问题的解决方案。

在整个描述中详述了本说明书的优点。

本发明在第一方面中涉及根据权利要求1所述的升压级电路。

在本升压级电路的示范性实施例中，至少一个第一开关220和至少一个第二开关230可各自个别地选自晶体管，例如NMOS晶体管、PMOS晶体管、双极晶体管、例如GaN FET的FET、IGBT，以及其组合。

在本升压级电路的示范性实施例中，至少一个电容器240可各自个别地选自陶瓷电容器、填充电容器、电解电容器、非极化电容器、多层电容器，其电容为10pF至10000μF，优选地为50pF至100μF，更优选地为100pF至50μF，甚至更优选地为1nF至5μF，例如100nF至1μF，以及其组合。对于大功率应用，较大电容是优选的。

在本升压级电路的示范性实施例中，至少一个电感器210可各自个别地选自空气芯电感器、铁磁芯电感器、可变电感器、扼流器、螺线管，其电感为10nH至20H，优选地为0.1μH至10H，更优选地为1μH至1H，例如100μH至0.01H，以及其组合。

在本升压级电路的示范性实施例中，每一个别开关可适应于在50kHz至2.4GHz的切换频率下操作，所述切换频率优选地为100kHz至1.2GHz，例如250kHz至30MHz。

在示范性实施例中，本升压级电路可进一步包括其反馈回路细节，优选地其中反馈回路包括反馈滤波器。

在示范性实施例中，本升压级电路可进一步包括时钟，其中所述时钟适应于提供>50kHz的时钟频率，优选地为100kHz至10GHz，更优选地为300kHz至2.4GHz，例如500kHz至1.2GHz。

在示范性实施例中，本升压级电路可进一步包括并联到至少一个开关220、230的整流器，例如二极管，或并联到第一电容器的第二电容器和在第一电容器与第二电容器之间的第三开关，以及其组合。

尽管在详细解释的上下文中进行描述，但本发明可结合随附实例和附图而最好地理解。

附图说明

图1a至1b、2至3、3a至3c和4至12展示升压电路的细节。

具体实施方式

附图具有示范性性质。可组合附图的元件。

在附图中：

100a、100b 升压电路

5 连接到电源的电连接器

10 电感器

15 电连接器

20 第一开关

25 电连接器

30 第二开关

35 用于返回电源或地面的电连接器

40 电容器

50 整流器，例如二极管

60 音频放大器

70 第三开关

75 电连接器

80 第四开关

90 电感器

105 电连接器

115 电连接器

110 扬声器

120 电容器

121 电容器

130 电感器

140 第五开关

145 电连接器

150 第六开关

210 电感器

215 电连接器

215a 电连接器

215b 电连接器

220 第一开关

225 电连接器

230 第二开关

240 电容器

250 控制电路

255 电感器电流感测连接器

260 栅极驱动器电路

261 电连接器

262 电连接器

266 电连接器

267 电连接器

268 电连接器

269 电连接器

图1a展示现有技术的电路，所述现有技术的电路使用可使电源瞬时加倍的大存储电容器(“飞跨电容器”)，如图1a中所展示(具有可设想的各种实施例)。

图1b展示现有技术的电路，所述现有技术的电路使用单独切换功率级来产生局部电源，所述现有技术的电路通常由具有电感器10和电容器40的升压电路组成。用于此类放大器的控制和晶体管例如存在于Texas Instruments TAS2563中。

图2展示本发明的电路，所述本发明的电路可被视为飞跨电容器电源倍增器(用存储在电容器上的电压来增大电源)和切换升压器的组合，从而克服以上缺点。在正常操作期间，在基本模式下，例如当不需要升压时，局部电源215直接连接到外部电源5，其间仅具有开关晶体管220，因此在电源电感器中不存在额外耗散。在此操作期间，跨飞跨电容器240的电压变为等于电源5，因为其底板经由电感器210放电到地面35。

当需要升压时，接着通过开关晶体管230将电容器240提升并放置成与电源串联。因而，电源的瞬时加倍是可用的，而没有图1b中现有技术的升压器中存在的充电延迟。当开关晶体管230闭合时，电流也将开始在初级电感器210中累积。当电路通过断开230和闭合220返回到正常电源时，此电感器电流将对电容器240再充电。通过在正常电源(220闭合、230断开)与升压电源(220断开且230闭合)之间足够快地交替，可使用相对小电容值240，同时避免显著放电，这与传统飞跨电容器电源倍增器(图1a的现有技术)相比是显著优点。

除上述功能性之外，还存在飞跨电容器上的平均电压依据两个切换阶段的工作循环而增大，遵循与其它切换转换器类似的关系。所涉及的电压和电流波形的实例展示于图3a至3c中。

此概念的各种延伸是可能的。首先，升压级可负载有并联的多个放大器，其中具有两个放大器(60a和60b)的实例展示于图4中。类似技术可与来自图1b的常规升压器一起使用，但在常规升压器的情况下，所有放大器将自动使用较高电源，即使其输出不需要较高电源，从而产生较多功率消耗。在图4的所提议拓扑中，215上的轨电压在循环的部分期间处于正常电源，且在另一循环期间处于升压电压。切换方案可被布置成使得仅需要产生较小输出电压的任何放大器可在轨215处于正常电源时将其晶体管切换到所述轨，而需要较高输出电压的那些放大器在轨215升压时使用所述轨。

升压级的控制

控制升压器220和230中的开关行为的信号可通过脉冲宽度调制技术，可能通过非线性脉冲宽度与电压关系的补偿来基于输入信号导出，类似于例如为传统升压电路所做的。如在切换功率转换器中惯用的，为了更好地控制输出信号，可感测输出电压215和/或电感器255中的电流并将其反馈到控制器250，如图9中所展示。对于电压和/或电流感测，可应用功率转换领域中已知的各种方法中的任一者。控制器250自身可为模拟电路或数字控制器。数字控制器，例如在[WO2017/179974]中描述的数字控制器，首先用模数转换器来将所感测的信号数字化，且随后使用数字控制算法来产生脉冲宽度调制(PWM)信号。不管控制的方法如何，一旦产生PWM信号，就需要将所述PWM信号转换成恰当电压电平以控制开关，这通常在所谓的栅极驱动器电路260中完成。

另一选项是级联多个升压级，如图5中所展示。在此级联中，第一升压级(100a)的输出(215a)连接到第二升压级(100b)的电源输入，所述电源输入继而产生用于放大器的局部电源(215b)。与通过单个升压级相比，通过此类级联，更容易实现较高升压因数。当两个级的升压模式同时进行时，接着外部电源可在升压模式开始时增至三倍，其中一旦电容器充电到较高值，就可能存在较高升压因数。替代地，当两个级的升压模式和基本模式交替时，放大器电源(215b)可在更长时间内获得升压的电源。

升压级的另一实施例展示于图6中。此实施例(101)为电源升压器(100)的反相负侧等效物。代替提升电源，飞跨电容器(241)现在用于将放大器电源(226)的低侧升压。在基本模式下，开关(231)将放大器(226)的低侧连接到地面(35)。在升压模式下，开关(231)断开且开关(221)闭合，用等于电容器(241)上的所存储电压的电压将低侧(226)推到低于地面，同时经由连接到外部电源(5)的电感器(211)对电容器(241)进行充电。

高侧升压器(100)和低侧升压器(101)的组合产生图7中所展示的实施例。此实施例实现放大器(60)的电源两侧的升压，这不仅实现较大升压因数，而且实现更平衡的行为，这是因为负载(110)的两端处的电压也可在升压模式期间在相反方向上改变。此类平衡或差分行为可减少由放大器产生的电磁干扰(EMI)。

通过来自图7的高侧升压和低侧升压的组合而实现的另一放大器实施例是单端放大器，如图8中所展示。单端放大器(61)通常需要正电源电压和负电源电压以能够产生正输出电压和负输出电压。通过低侧升压级(101)，可按需要产生负电源电压(226)。高侧升压级(100)也实现高于外部电源(5)的正输出电压。还有可能省略高侧升压器(100)并且将放大器电源(215)直接连接到外部电源(5)，但负载上的最高正电压将受到电源的限制。

各种实施例的其它组合当然也是可能的，例如在对称配置(如图7或图8中)中使用升压器的级联(如图5中)，或在对称配置中使用多个放大器(如图4中)。

另一选项是感测如图10中所展示的放大器的输出电压，且使用那些信号105和115作为轨电压的间接指示。

如图11中所展示，当同一个控制器控制升压级以及放大器信号自身两者时，可实现甚至更好的结果，因为此控制器知道升压级何时处于作用中以及在此工作循环下其可将脉冲宽度调适成发送到切换放大器的程度。为了进一步增强其行为，此控制器可能不仅感测输出电压105和115，而且可能还感测轨电压215和/或通过电感器的电流(图9中的信号255)。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于功率放大器的升压级电路(100)，其包括

用于外部电源的电连接器(5)，

至少一个电容器(240)，所述电容器具有第一侧和第二侧，所述电容器在其所述第一侧处电连接到至少一个第一开关(220)的第一侧并在其所述第二侧处电连接到至少一个第二开关(230)的第一侧，其中所述至少一个第一开关(220)中的每一个和所述至少一个第二开关(230)中的每一个适应于在>20kHz的切换频率下操作，其中所述至少一个第一开关(220)和所述至少一个第二开关(230)中的每一个别开关与相应开关的第二侧适应于电连接到所述电连接器(5)，并且其中在升压模式下，所述至少一个第一开关(220)处于断开状态且所述至少一个第二开关(230)处于闭合状态，并且其中在基本模式下，所述至少一个第一开关(220)处于闭合状态且所述至少一个第二开关(230)处于断开状态，

至少一个电感器(210)，其在一侧处电连接到(i)所述电容器(240)的所述第二侧，并(ii)与所述第一开关(220)中的所述至少一个的所述第一侧电连接，以及在另一侧处(iii)与地面连接，其中所述至少一个电感器(210)具有1μH至20H的电感，

输入(261、262)分别适应于从用于操作所述至少一个第一开关(220)和所述至少一个第二开关(230)的控制器接收控制输入，以及

任选地，用于操作所述至少一个第一开关和所述至少一个第二开关(220、230)的控制器。

2.根据权利要求1所述的升压级电路，其中所述至少一个第一开关和所述至少一个第二开关(220、230)各自个别地选自晶体管，例如NMOS晶体管、PMOS晶体管、双极晶体管、例如GaNFET的FET、IGBT，以及其组合。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的升压级电路，其中所述至少一个电容器(240)各自个别地选自陶瓷电容器、填充电容器、电解电容器、非极化电容器、多层电容器，其具有10pF至10000μF的电容，以及其组合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的升压级电路，其中所述至少一个电感器(210)各自个别地选自空气芯电感器、铁磁芯电感器、可变电感器、扼流器、螺线管，以及其组合。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的升压级电路，其中所述至少一个第一开关(220)和所述至少一个第二开关(230)中的每一个别开关适应于在50kHz至2.4GHz的切换频率下操作，所述切换频率优选地为100kHz至1.2GHz，例如250kHz至30MHz。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的升压级电路，其进一步包括反馈回路，优选地其中所述反馈回路包括反馈滤波器。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的升压级电路，其进一步包括时钟，其中所述时钟适应于提供>50kHz的时钟频率，优选地为100kHz至10GHz。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的升压级电路，其进一步包括并联到所述至少一个第一开关(220)或所述至少一个第二开关(230)的整流器，例如二极管。

9.一种外部电源电压功率放大器(60)，其包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的升压级电路，其中所述功率放大器选自音频放大器、助听器放大器、电动机控制放大器、可变电源单元和时变电源。