專利名稱：真實電流限制(tcl)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在使用開關(guān)模式技術(shù)(Switch Mode Techniques )的 音頻功率轉(zhuǎn)換(Audio Power Conversion)系統(tǒng)中的電流檢測、電流 監(jiān)視及電流限制，該音頻功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也稱作D類音頻放大器。
本發(fā)明在自振蕩D類放大器中特別有用。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)AB類音頻放大器中，輸出信號的電流限制容易實現(xiàn)，并 且是一種標準特性。這種特性在放大器輸出端子短路的情況下用作保 護特性，但也用作電流限幅特性。電流限幅特性的好處是，即使在換 能器中的阻抗驟降或在音樂材料的局部最大的情況下，音頻放大器也 將繼續(xù)播放音樂。在音頻放大中，幾乎不接受的是在過電流情形下進 行鎖定停機或臨時停機。在所有時刻的音樂都非常重要，并且常常是 一個要求。
在D類音頻放大器中，由于這些放大器的切換性質(zhì)，電流保護/ 限幅實現(xiàn)起來困難稍大。如果需要在不停機的情況下逐循環(huán)地進行電 流限制，則它會變得愈加困難。對于時鐘D類音頻放大器，過電流和 限幅特性可使用從開關(guān)模式電源設(shè)計已知的熟知電流限制方法來實 施。使用這種也稱作電流編程控制(CPC)的方法，逐循環(huán)電流限制 特性使得能夠?qū)崿F(xiàn)電流限幅，如從AB類音頻放大器所知的那樣。
在電壓受控自振蕩D類放大器的情況下，標準電流編程控制方 案僅能用作鎖定停機，或者在過電流檢測之后重新啟動。逐循環(huán)電流 限制使用標準方法是不可能的。因此，在電壓受控自振蕩D類放大器 中，電流限幅特性不是選項。對于電壓受控自振蕩D類放大器，在過 電流事件期間的電壓環(huán)路將飽和，并且所有開關(guān)動作都將停止。這會導(dǎo)致由于從飽和的恢復(fù)而引起的音頻信號中的空洞和有噪聲的重新 開始現(xiàn)象。
除關(guān)于使用正確電流限制策略的考慮之外，電流檢測方法也會產(chǎn) 生某些問題。
測量電流的最普遍和廉價的方式是通過在功率路徑中添加感測 電阻器。當跨過感測電阻器的電壓達到預(yù)定值時，則達到電流限制。 這種方法最顯著的缺點是與這種方法關(guān)聯(lián)的功率損失。在功率路徑中
添加感測電阻器將給較大的切換環(huán)路帶來相關(guān)聯(lián)的較大EMI污染的 缺點。對于小功率放大器，損失和所添加的功率路徑環(huán)路通常是可管 理的，但對于較高功率級，功率耗散和所增加的切換環(huán)路成為嚴重問 題。
為了管理較高功率級，可使用電流感測變換器。這種手段將解決 功率損失問題，并且減小切換環(huán)路的尺寸，但成本會增加。此外，由 于在變流器中的飽和現(xiàn)象，不是在所有應(yīng)用中這種手段都是可管理 的。
霍爾傳感器也可用來測量電流，并且這種手段將解決變流器的飽 和問題。這種方法的缺點是成本，特別是因為在帶寬方面對于霍爾傳 感器的高要求。
總之，所有上述電流感測方法都會中斷功率路徑，這在這種切換 環(huán)境中會產(chǎn)生EMI問題。電流感測對象的位置也會引起麻煩一特別 是如果使用感測電阻器。典型地，感測裝置的最好位置也是檢測電路 最難以接口到的位置；所以常常要求使用昂貴的運算放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供以這樣一種方式檢測和限制放大器負載電 流的控制方法和裝置，即，實現(xiàn)如下目的
1) 通過引入新的電流限制控制方法進行真實放大器電流限幅。
2) 改進的可靠性和魯棒性，因為電流檢測方法可在以獨立于控 制環(huán)路動態(tài)特性的自治方式起作用的開關(guān)半導(dǎo)體裝置周圍局部地實施，并且沒有對于困難的高側(cè)通信的要求。
此外，該電流限制方案提供自動SOA (安全操作區(qū)域)調(diào)節(jié)。
3) 電路集成(IC友好的)，通過取消在功率路徑中的外部感測 裝置，本發(fā)明為集成做好了準備。
4) 降低復(fù)雜性，通過取消功率路徑中的外部感測裝置。
5) 改進的效率，因為在功率路徑中沒有增加會產(chǎn)生功率損失的 感測裝置。
6) 改進的EMI性能，通過取消外部感測裝置，可優(yōu)化切換環(huán)路 以達到最好的EMI性能。
本發(fā)明的目的通過如下實現(xiàn)
1) 引入一種新的電流限制控制方案或方法，該控制方案或方法 局部地并且獨立于其他放大器控制環(huán)路起作用。這種控制方案稱作真 實電流限制方案(TCL)。
2) —種能夠?qū)崿F(xiàn)TCL控制方案的電流檢測方法。 根據(jù)本發(fā)明的所提出的電流檢測方法在每個受控開關(guān)裝置
(MOSFET)周圍局部地實施。電流限度由預(yù)定基準設(shè)置，該預(yù)定基 準與應(yīng)用并且與所應(yīng)用的開關(guān)裝置相對應(yīng)。
在第一優(yōu)選實施例中，電流限制實施成在開關(guān)裝置周圍局部提供 的自振蕩電路。在這種自振蕩電流模式中，功率級獨立于所有其他控 制環(huán)路，并且僅根據(jù)電流限度設(shè)置起作用。
在第二優(yōu)選實施例中，自振蕩電流限制環(huán)路通過保證固定晶體管 斷開時間來實施。
在第三和第四優(yōu)選實施例中，電流限度通過使用比較器電路被檢 測。在檢測到過電流情形之后，比較器的輸出變到新狀態(tài)，該新狀態(tài) 保持預(yù)定時間段，例如1.25微秒。
在第五優(yōu)選實施例中，晶體管驅(qū)動器電路根據(jù)比較器電路的輸出 狀態(tài)來切斷開關(guān)裝置。
在第六優(yōu)選實施例中，通過感測跨過開關(guān)裝置的電壓降，直接跨 過該裝置進行電流限制檢測。
6在第七優(yōu)選實施例中，電壓感測通過二極管、電流源及附加電路 的布置來進行，以測量和檢測跨過開關(guān)裝置的電壓降。
在本發(fā)明的第八優(yōu)選實施例中，電流限制和感測方案不必與全局 控制系統(tǒng)通信。
在本發(fā)明的第九優(yōu)選實施例中，測量和檢測電流的裝置與驅(qū)動器
級和電流限制控制一起集成到同一芯片中(IC-集成電路)。


結(jié)合附圖參照本發(fā)明實施例的如下詳細描述，將更好地理解本發(fā)
明，在附圖中
圖1示出了單端D級放大器中的電流限制方案的現(xiàn)有技術(shù)實施。 電流信息典型地反饋到全局控制單元，該全局控制單元在過電流情形 的情況下發(fā)信號給驅(qū)動器級以停機；
圖2示出了在過電流情形的情況下音頻電流的現(xiàn)有技術(shù)例子。特 別是對于自振蕩系統(tǒng)，過電流情形將導(dǎo)致半永久停機，直到全局控制 系統(tǒng)已經(jīng)恢復(fù)。所得到的音頻電流將高度失真并且不連續(xù)；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的、使用自振蕩受控電流限制方案的單端 D級放大器的輸出級。通過測量跨過開關(guān)裝置的電壓降來局部地進行 電流檢測；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式；
圖5示出了當輸出級處于自振蕩受控電流限制模式中時電流波 形的例子。所得到的開關(guān)頻率由(T—ON+T一OFF)"給出；以及
圖6示出了作為使用本發(fā)明的結(jié)果的音頻電流。音頻電流被限 幅，但不再不連續(xù)，并且通過使用本發(fā)明，放大器輸出級能夠輸送"在 所有時刻的音樂"。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，電流限制方案和方法提供自振蕩受控電流限制模式。在檢測到過電流情形之后，強制到輸出開關(guān)級17的驅(qū)動器16 切斷輸出級。如果檢測到過電流，則根據(jù)本發(fā)明的控制電路將強制預(yù) 定斷開(OFF)時間。這個斷開時間可在檢測電路中使用的比較器6 中實施。在強制停機之后，輸出級能夠根據(jù)給驅(qū)動器級的PWM信號 13而再次接通(ON)。如果過電流情形仍然存在，則在開關(guān)裝置17 中的電流將斜坡升高到電流限度22 ，并且輸出級將再次被切斷強制斷 開時間23的持續(xù)時間。由此，輸出級將進入自振蕩受控電流限制模 式，開關(guān)頻率由(T_ON (24) +T_OFF ( 23 ))"給出。
自振蕩受控電流限制模式會產(chǎn)生自振蕩電流環(huán)路，該自振蕩電流 環(huán)路逐循環(huán)限制電流電平，并且保持音頻輸出完好但被限幅。在這個 電流限制動作期間，放大器控制環(huán)路將飽和，這在現(xiàn)有技術(shù)中會停止 所有開關(guān)動作，并且會引起不希望的音頻人工產(chǎn)物。
當放大器進入自振蕩受控電流限制模式時，沒有與全局控制環(huán)路 的通信。這是有利的，因為與低側(cè)驅(qū)動器和高側(cè)驅(qū)動器的任何通信都 是復(fù)雜的。即使沒有通信，也仍然非常容易確定系統(tǒng)是否處于電流限 制模式。常常要求的是，電流限制被監(jiān)視，并且信息可被顯示。通過 將功率級中(圖4中的Ql與Q2之間的接點)的PWM脈沖與全局 控制環(huán)路相比較，人們可確定放大器處于哪種狀態(tài)下。如果全局反饋 控制電路(圖3)飽和，并且檢測到功率級中的PWM脈沖，那么放 大器處于自振蕩受控電流限制模式。
根據(jù)本發(fā)明的電流檢測方法消除了對于外部感測裝置的需要。作 為替代，跨過FET晶體管的電壓被用作對通過它的電流的度量。
在D級放大器中(如對于任何開關(guān)模式電路)，F(xiàn)ET晶體管要 么完全接通要么完全切斷，并且接通特性主要是電阻性的。本發(fā)明利 用了當接通時FET晶體管的這種電阻性本質(zhì)，并且借助于本發(fā)明可 感測跨過MOSFET的電壓，并由此感測電流。
測量跨過開關(guān)MOSFET的電壓降并不是輕而易舉的。對跨過該 裝置的電壓降的直接測量將要求關(guān)于探針電路的連接/脫開的臨界定 時，以便避免當開關(guān)裝置處于其斷開狀態(tài)下時的破壞性電壓。本發(fā)明給出了一種新穎方法，其通過使用特殊網(wǎng)絡(luò)和感測電流(3+10)來感 測跨過開關(guān)裝置的電壓，以給出關(guān)于跨過該裝置的電壓的信息，由此 給出關(guān)于流過它的電流的信息。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，感測電流被分成取兩條不同路徑的兩 個相等部分。第一路徑經(jīng)由連接到開關(guān)裝置17的二極管20,并且第 二路徑經(jīng)由類似的二極管4到電容器8。由于這兩個二極管基本上相 同，所以跨過電容器8的電壓將跟蹤跨過開關(guān)裝置的電壓。在開關(guān)裝 置的切斷時間期間，感測電流由開關(guān)ll旁通，以避免對感測電容器8 的錯誤充電?？邕^電容器8的感測電壓是給比較器6的輸入。給比較 器6的正端子的輸入是電壓基準7。這個電壓基準7可以是固定電壓 或可調(diào)節(jié)電壓。通過實施可調(diào)節(jié)電壓基準，可以通過調(diào)節(jié)電壓7改變 電流限度電平?？刂齐娏飨薅仍O(shè)置的另 一種途徑是通過添加與二極管 D120串聯(lián)的電阻器21。代之以使檢測電壓降僅跨過開關(guān)裝置，該電 壓降的一部分現(xiàn)在將跨過電阻器21。這將有效地減小電流限度設(shè)置。
在跨過電容器Cl 8的檢測電壓達到基準電壓7的情況下，比較 器的輸出將改變狀態(tài)，該狀態(tài)指示過電流情形。在過電流情形的情況 下，比較器輸出狀態(tài)6將強制驅(qū)動器級16把開關(guān)裝置停機。根據(jù)本 發(fā)明，在過電流情形的情況下，比較器將具有內(nèi)裝強制保持時間，例 如1.25微秒。在該強制保持時間之后，開關(guān)裝置可再次接通。如果過 電流飽和仍然存在，則開關(guān)裝置再被切斷強制保持時間的持續(xù)時間。 這樣，電流保護方案將輸出級變換為自振蕩受控電流限制環(huán)路。
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權(quán)利要求
1.一種用于在自振蕩D級放大器中進行電流感測和電流限制的方法，該自振蕩D級放大器包括脈沖寬度調(diào)制器、驅(qū)動器電路、一個或多個輸出開關(guān)半導(dǎo)體、以及全局控制系統(tǒng)，其特征在于a)直接跨過所述輸出開關(guān)半導(dǎo)體的端子進行電流感測；b)借助于局部自治受控自振蕩環(huán)路進行電流限制，該局部自治受控自振蕩環(huán)路包括比較器電路，該比較器電路具有輸入和輸出，用于所述比較器的基準電平和檢測電平控制所述驅(qū)動器電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于進行電流感測的方法，其特征在于， 電流源、二極管及檢測電路的布置，創(chuàng)建被分成兩個等同電流路徑的 一個電流路徑，其第一電流路徑檢測跨過所述開關(guān)裝置的電壓，因此 跨過第二電流路徑的電壓反映由此檢測的電壓，并且等于跨過所述開 關(guān)裝置的電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于進行電流限制的方法，其中， 電流限制動作的特征在于，所述驅(qū)動器電路在過電流檢測的情況下切 斷所述輸出開關(guān)半導(dǎo)體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和3中任一項所述的用于進行電流限制的方 法，其中，電流限制動作的特征在于用于所述輸出開關(guān)半導(dǎo)體的固定 斷開時間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、 3及4中任一項所述的用于進行電流限制的 方法，其中，電流限制動作的特征在于對于所述輸出開關(guān)半導(dǎo)體的用 于切斷的異步確定的時間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、 3及4中任一項所述的用于進行電流限制的 方法，其特征在于，所述比較器根據(jù)基準電平和檢測電平改變輸出狀 態(tài)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求3-6中任一項所述的用于進行電流 限制的方法，其特征在于，所述比較器具有強制保持時間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的用于進行電流感測和限制的方法，其特征在于，檢測和限制動作沒有與所述全局控制系統(tǒng)的通信。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的用于進行電流感測和限制的 方法，其特征在于集成到芯片(IC，集成電路)中。
10. —種自振蕩D級放大器，包括脈沖寬度調(diào)制器、驅(qū)動器電路、 一個或多個輸出開關(guān)半導(dǎo)體、以及全局控制系統(tǒng)，其中所述自振蕩D 級放大器包括a) 用于直接跨過所述輸出開關(guān)半導(dǎo)體的端子進行電流感測的裝置；b) 電流源、二極管及檢測電路的布置，創(chuàng)建被分成兩個等同電 流路徑的 一個電流路徑，其第 一 電流路徑檢測跨過開關(guān)裝置的電壓， 因此跨過第二電流路徑的電壓反映由此檢測的電壓，并且等于跨過所 述開關(guān)裝置的電壓；c) 局部自治受控自振蕩環(huán)路，其包括比較器電路，該比較器電 路具有輸入和輸出，用于所述比較器的基準電平和檢測電平控制所述 驅(qū)動器電路；d) 用于進行電流限制的裝置，其中所述比較器電路按固定斷開 時間異步地控制所述驅(qū)動器電路。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的自振蕩D級放大器，包括電流檢測和限制系統(tǒng)，其沒有與所述全局控制系統(tǒng)的通信。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的自振蕩D級放大器，包括 電流檢測和限制系統(tǒng)，其集成到芯片(IC，集成電路)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電流限制方法，其例如用于D級放大器，該方法包括一種獨特的檢測和控制方法。電流檢測電路可實施成電壓測量裝置，其中所測電壓與流過功率開關(guān)裝置的電流相對應(yīng)。當達到設(shè)定的限度時，該裝置可被切斷。通過強制一定的斷開時間，關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)起自振蕩電流限制電路的作用。這可靠近開關(guān)裝置局部地實施，并且獨立于其他局部或全局控制系統(tǒng)。
文檔編號H03F3/217GK101563842SQ200780047379
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者O·N·尼爾森 申請人:邦及奧盧夫森公司