專利名稱：零電壓互補開關(guān)的高效率d類放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及D類放大器，尤其是涉及高效率D類放大器，此等放大器適于提供高頻信號予無電極放電燈內(nèi)的感應線圈。
D類放大器的基本形式如

圖1所示。兩個晶體管QA和QB均由變壓器予以驅(qū)動以轉(zhuǎn)換于接通與關(guān)斷之間而使彼此相位相差為180°。此兩個晶體管相當于圖2中所示的雙刀開關(guān)，并于其公共節(jié)點上產(chǎn)生方波輸出，該波形與圖3中所示波形相仿。
理想的是，D類放大器的效率應為100%，即，在晶體管QA和QB再重復轉(zhuǎn)換通斷時，應完全不消耗功率。但是，實際上，晶體管QA和QB本身均具有其駐在電阻，通常稱為晶體管的駐在電阻。此等晶體管也有其固有電容，如圖1中所示為電容器CA和CB，此等電容器于其關(guān)斷時，乃能充電而產(chǎn)生電壓。因此，當其接通時，晶體管上因有電壓差，結(jié)果流經(jīng)晶體管的電流使能量變?yōu)闊崃慷⑹?。此能量損失可表示為CV2f，其中的C表示晶體管的固有電容(其值為CA或CB)，V為直流輸出電壓(VDD)，而f為放大器驅(qū)動時的頻率。實際上，高頻D類放大器的標準工作效率約為50%至60%。此效率損失的大部分是由于晶體管固有電容造成的。此一低效率，對于顯著功率損失無法承受的無電極放電燈和其他裝置，D類放大器的適合性已大受限制。
在實際工作中，具有相同電特性的晶體管QA和QB，并不為圖3中所示的立即和同時接通和關(guān)斷。反之，來自變壓器的輸入標準的正弦波形，當其到達其閾電壓Vth時才使每一晶體管接通，如圖4中所示。因此，在晶體管其中之一關(guān)斷而另一晶體管接通之間有一個時間段。因此，其輸出信號并非為完全方波，而有一傾斜過度時間，如圖5所示，其時間段為△t。此外，每一晶體管的接通或關(guān)斷均須有一定的時間。
本發(fā)明的目的在于提供一種工作效率高的D類放大器。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種使用該D類放大器的無電極放電燈。
為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的一種D類放大器，包括串聯(lián)的第一和第二轉(zhuǎn)換裝置;
用以控制第一轉(zhuǎn)換裝置的第一門控裝置;
用以控制第二轉(zhuǎn)換裝置的第二門控裝置;
一個聯(lián)接到第一門控裝置和第二門控裝置的信號源，該信號源使所述的第一轉(zhuǎn)換裝置和所述的第二轉(zhuǎn)換裝置順序斷開和閉合，第一和第二轉(zhuǎn)換裝置其中之一為斷開時，另一個為閉合，且還有一個時間段，在該時間段內(nèi)第一和第二轉(zhuǎn)換裝置均為斷開;
其中，所述的放大器有固有的電容，當?shù)谝缓偷诙D(zhuǎn)換裝置其中之一斷開時，固有的電容儲存能量;以及儲存能量的裝置，該裝置在所述的時間段內(nèi)接收儲存在固有電容中的能量，以便減少加在第一和第二轉(zhuǎn)換裝置上的電壓，使之在從斷開轉(zhuǎn)為閉合的情況下幾乎為零。
本發(fā)明的另一個使用D類放大器的無電極放電燈，包括一個振蕩信號源;
一個安裝到密封器附近的感應線圈，所述的密封容器含有金屬蒸汽，以及，一個與所述的感應線圈相連接的放大器，所述的放大器包括串聯(lián)的第一和第二轉(zhuǎn)換裝置;
用于相繼斷開和閉合第一轉(zhuǎn)換裝置的第一門控裝置;
用于相繼斷開和閉合第二轉(zhuǎn)換裝置的第二門控裝置其中(ⅰ)所述的放大器被設計成有一個時間段，在該時間段內(nèi)，在第一和第二轉(zhuǎn)換裝置均為斷開，以及(ⅱ)所述的放大器具有一個固有的電容，該電容在第一和第二轉(zhuǎn)換裝置為斷開時儲存能量;
一個儲存能量的裝置，該裝置接收儲存在所述的固有電容中的能量，以便減少加在第一和第二轉(zhuǎn)換裝置其中之一上的電壓，使當?shù)谝缓偷诙D(zhuǎn)換裝置其中之一從斷開轉(zhuǎn)換到閉合時的情況下電壓幾乎為零。
在本發(fā)明的D類放大器中，放大器的內(nèi)在電感是依電容方式耦合至兩個晶體管間的公共節(jié)點上。此電感實際上與晶體管的固有電容及電路上其他雜散電容構(gòu)成一諧振電路，此等電容總稱為輸出電容Co。電感的選定，在兩個晶體管均關(guān)斷時的時間段△t內(nèi)，其儲存于輸出電容Co內(nèi)的功率轉(zhuǎn)移至電感內(nèi)。因此當一個晶體管關(guān)斷時，在輸出電容Co與電感之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，而另一晶體管接通時，其上不致有電壓降。如上所述，這就是使晶體管轉(zhuǎn)換功率損失減小至最低限度所需要的條件。
因此，由此電感與輸出電容所構(gòu)成的諧振電路，使儲存于輸出電容內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移至電感上，而不致于在晶體管接通時經(jīng)由電流流通和熱損失而消耗掉。
本發(fā)明原理特別適用于諸如無電極放電燈裝置，其中對于燈的整體效率十分重要的是，使傳輸?shù)礁袘€圈的振蕩信號放大時的功率損失減少至最低限度。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
附圖簡要說明圖1所示為傳統(tǒng)型D類放大器電路圖。
圖2所示為D類放大器的等效電路。
圖3所示為D類輸出放大器的理想化輸出。
圖4所示為由信號源至D類放大器的輸入。
圖5所示為將轉(zhuǎn)換延遲計算在內(nèi)時，D類放大器的輸出。
圖6所示為本發(fā)明的D類放大器電路圖。
圖7所示為圖6的D類放大器中的變壓器。
圖8所示為D類放大器的輸入和輸出信號的重疊視圖。
圖9所示為圖6的D類放大器中的諧振電路。
圖10所示為本發(fā)明D類放大器與無電極放電燈相連接的方塊圖。
圖6所示為本發(fā)明高效率D類放大器電路圖。信號源S輸送正弦波輸入信號，RS表示信號源S的阻抗。此輸入信號被輸送至變壓器組件T1，此組件包括變壓器T1a和T1b，共用同一磁心CR，如圖7所示。變壓器T1a和T1b各繞組在圖6和7中標示為La，Lb，Lc和Ld(La-Ld有時稱為每一個別繞組的自感)上。如圖7所示，繞組La和Lb為雙線繞卷于磁心CR的一側(cè)，而繞組Lc和Ld為雙線繞卷于磁心CR的另一側(cè)。繞組La和Lb(變壓器T1a)間及繞組Lc和Ld(變壓器T1b)間的耦合接近1，同時由于變壓器11a和T1b位于磁心CR的之間相反端側(cè)(約相隔180°)，且由于磁心CR的磁導率極低。其間的偶合極低(標準的約0.5)。由于下述理由，變壓器T1a的匝數(shù)較變壓器T1b的匝數(shù)為多。
轉(zhuǎn)換功能是經(jīng)由晶體管Q1和Q2所提供，每一晶體管均為N通道功率金屬氧化物轉(zhuǎn)體場效晶體管(MOSFET)。晶體管Q1和Q2串聯(lián)于直流電源電壓VDD與接地之間，晶體管Q1的源極端與晶體管Q2的漏極端構(gòu)成公共節(jié)點，代表放大器輸出。此輸出饋輸至匹配阻抗網(wǎng)路N與負載L上。匹配阻抗網(wǎng)絡N有多種變化，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。
繞組La末端E經(jīng)由耦合電容器C1與晶體管Q1的柵極相耦合。繞組Lb末端F經(jīng)由耦合電容器C2與輸出相交流耦合，而繞組Ld末端D經(jīng)由電感L1與晶體管Q2的柵極端相連接。圖6中所示的電容器C1，C2和C3均用以作為交流耦合電容器。電容器C4用以作為交流旁路電容器，以確保晶體管Q1漏極端與電流接地間的交流阻抗維持一最小值。電阻器R1和R2均分別連接于晶體管Q1和Q2的柵極與源極端之間，并確保晶體管柵極保持在直流為零的基礎上。
變壓器T1a構(gòu)成為平衡一不平衡傳輸變壓器，使來自信號源S的信號反相施加反相信號于晶體管Q1的柵極上。(平衡一不平衡變壓器見郝伯特·L·克勞斯等人合著，于1980年由約翰·衛(wèi)里父子出版社出版的Solid State Radio Engineering一書第374頁，并已納入本說明中供參考。)另一方面，變壓器T1b為普通變壓器，此變壓器輸送信號給晶體管Q2柵極，此信號與來自信號源S的信號同相。因此，當來自信號源S的信號變高時，變壓器T1bD端輸出也變高，而使晶體管Q2接通。同時，來自變壓器E端輸出，以F端為基準變低，使晶體管Q1關(guān)斷。磁心CR上的平衡一不平衡變壓器T1a與普通變壓器T1b的配置根據(jù)所示方式相助，使之當晶體管Q1和Q2中其一關(guān)斷，而另一晶體管接通時的時間有適當?shù)拈g隔。此外，電感L1使施加于晶體管Q2的柵極的信號產(chǎn)生相位延遲，使晶體管Q1和Q2均于輸出信號每一次轉(zhuǎn)變時關(guān)斷若干時間(或使晶體管Q1和Q2間的重疊減小至最低限度)。
畫有虛線的電容器CO乃表示放大器的整體輸出電容。因此，此電容包括晶體管Q1和Q2的固有電容(相交于圖1中的電容器CA和CB)以及電路中的任何其他雜散電容。
圖8所示為來自信號源S的輸入信號與輸出信號相重疊的視圖，而圖9所示為D類放大器中所發(fā)現(xiàn)諧振電路的理想形式。圖8特別顯示輸入信號小于任一晶體管Q1和Q2的閾電壓Vth的時間段△t。如上文所述，此是表示兩個晶體管均關(guān)斷的時間段。當在此狀況時，晶體管Q1和Q2間的公共節(jié)點在浮動，且實際上已建立起諧振電路。如圖9所示，此諧振電路包括有電容器CO，電感器Lb(此為變壓器T1a的一部分)，及由Lb和CO所組成的充電循環(huán)通路的等效串聯(lián)電阻Rc等，當Rc值小時，此電路的自然頻率fn可根據(jù)下述關(guān)系調(diào)節(jié)fn=12πLbCo---(1)]]>因此，在晶體管Q1和Q2均關(guān)斷時，電容器CO上積聚的電荷開始經(jīng)由圖9所示的諧振電路，依電路自然頻率所決定的速率放電。所需要的條件是當晶體管接通時，每一晶體管Q1和Q2上的電壓將為O。CO上電壓由+VDD下降至O所需時間在自然頻率為Fn時，為信號循環(huán)時長的四分之一。因此，如晶體管Q2接通時，CO上電壓須為O時，應獲得下式的關(guān)系△t= 1/(4fn) (2)綜合(1)與(2)式可求出所需的Lb值。
fn=12πLbCo=14△t或 Lb=4△t2π2Co]]>為保持這種關(guān)系，在穩(wěn)定狀態(tài)下當個晶體管均關(guān)斷時，儲存于CO內(nèi)的能量于△t期間轉(zhuǎn)移至電感Lb內(nèi)，而非為流經(jīng)接通的晶體管Q1或Q2中其一的電流產(chǎn)生熱而散失掉。所儲存能量于CO與Lb之間來回轉(zhuǎn)移(“飛輪”效應)而不致散失掉。
在較佳實施例中，應獲致下述關(guān)系La＝Lb＞＞Lc＝Ld理想的是，La或Lb值約為Lc或Ld值的十倍。為此由放大器輸出反饋回至共同輸入節(jié)點(A或C)上的能量大為衰減。繞組Lb和Lc相交于輸出端與電路接地間的分壓器。結(jié)果，經(jīng)由信號源S供應的輸入驅(qū)動功率減小至最低限度，同時使放大器顯示更佳的穩(wěn)定性。使繞組Lc設定于與繞組Lb比較為相當?shù)椭禃r，使Lc值及信號源S的低阻抗，在計算電路諧振頻率時，可忽略不計，如圖9中所示。而且，Lc的低值使公共節(jié)點上的阻抗由于繞組Lc低阻抗而獲相對固定。但是，繞組Lc和Ld均應提供給信號源S足夠的阻抗。
本發(fā)明D類放大器可與需要高效率放大的任何類型裝置配合使用。而對于無電極放電燈尤其有用，如圖10中所示。美國專利案第4，010，400號中所述，已供參考，無電極放電燈標準的包括有感應線圈，此線圈受高頻率激勵而能經(jīng)由電磁場使能量轉(zhuǎn)移到氣體混合物上。此氣體混合物包括水銀汽和惰性氣體，均納入封閉容器內(nèi)，容器內(nèi)表面涂有瑩光粉。當如此受激勵時，水銀汽原子乃被激化而發(fā)出輻射(主要于紫外光譜上)，而此輻射使瑩光粉產(chǎn)生可見光。
如圖10所示，電源50向振蕩器51和放大器52供應電源，此振蕩器通常在13.56MHz下工作，此頻率經(jīng)由FCC保留給予工業(yè)，科學和醫(yī)藥(ISM)業(yè)者使用。放大器52的輸出經(jīng)由濾波器和匹配網(wǎng)路53傳送至感應線圈網(wǎng)絡54，此一網(wǎng)絡置于玻璃容器55的中央。網(wǎng)絡53優(yōu)選為匹配阻抗和濾波器網(wǎng)絡。為說明本發(fā)明應用于無電極放電燈方面的諸多利益，假定直流電源電壓為130V，頻率為13.56MHz，根據(jù)公式CV2f，整體電容量CO＝40pf時，其功率損失標準的約等于9瓦特。此約為19瓦特燈泡一半的額定功率消耗。利用本發(fā)明技術(shù)，放大器效率可由50%或60%增加至約95%，而功率損失下降至約1瓦特。
上述實施例意為說明性質(zhì)而無限制性。各種替換性實施例當必為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，而所有類似替換性實施例均在本發(fā)明的范圍內(nèi)，即如權(quán)利要求所限定的范圍。例如，雖述及美國專利案第4，010，400號中所述的無電極放電燈，本發(fā)明放大器也可與其他類型無電極放電燈配合使用。而且，本發(fā)明原理適應于經(jīng)封閉氣體直接產(chǎn)生，而非經(jīng)由施加于密封容器表面上瑩光粉涂層所產(chǎn)生可見光的無電極放電燈。
權(quán)利要求
1.一種放大器，包括串聯(lián)的第一和第二轉(zhuǎn)換裝置；用以控制第一轉(zhuǎn)換裝置的第一門控裝置；用以控制第二轉(zhuǎn)換裝置的第二門控裝置；一個聯(lián)接到第一門控裝置和第二門控裝置的信號源，該信號源使所述的第一轉(zhuǎn)換裝置和所述的第二轉(zhuǎn)換裝置順序斷開和閉合，第一和第二轉(zhuǎn)換裝置其中之一為斷開時，另一個為閉合，且還有一個時間段，在該時間段內(nèi)第一和第二轉(zhuǎn)換裝置均為斷開；其中，所述的放大器有固有的電容，當?shù)谝缓偷诙D(zhuǎn)換裝置其中之一斷開時，固有的電容儲存能量；以及儲存能量的裝置，該裝置在所述的時間段內(nèi)接收儲存在固有電容中的能量，以便減少加在第一和第二轉(zhuǎn)換裝置上的電壓，使之在從斷開轉(zhuǎn)為閉合的情況下幾乎為零。
2.如權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述的信號源包含所述的儲存能量的裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述的信號源包含有一個具有初級線圈和次級線圈的變壓器，所述的用于儲存能量的裝置包含有初級線圈。
4.如權(quán)利要求3所述的放大器，其中所述的第一轉(zhuǎn)換裝置含有一個第一晶體管，所述的第二轉(zhuǎn)換裝置含有一個第二晶體管。
5.如權(quán)利要求3所述的放大器，其中所述的變壓器包含有平衡一不平衡變壓器。
6.如權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述的儲存能量裝置含有其值為Lb的電感，如Lb=4△t2π2Co]]>其中△t為所述時間段;Co為所述的放大器的固有電容量。
7.如權(quán)利要求5所述的放大器，其中所述的信號源進一步包括一普通的變壓器，所述的平衡一不平衡變壓器與所述的第一門控裝置相連接，所述的普通變壓器與第二門控裝置相連接。
8.如權(quán)利要求7所述的放大器，其中所述的普通變壓器和平衡-不平衡變壓器均包含有初級線圈和次級線圈。
9.如權(quán)利要求8所述的放大器，其中所述的平衡一不平衡變壓器上的初級線圈具有的自感Lb基本上等于平衡一不平衡變壓器上的次級線圈的自感La，普通變壓器的初級線圈具有的自感Lc，其基本上等于普通變壓器的自感Ld，La和Lb均大于Lc和Ld。
10.如權(quán)利要求9所述的放大器，其中Lc/Lb的比為衰減因子，其代表從所述的第一和第二轉(zhuǎn)換裝置間的公共節(jié)點輸出至所述的平衡一不平衡變壓器和普通變壓器的初級線圈間的公共節(jié)點的正反饋信號是衰減的。
11.如權(quán)利要求9所述的放大器，包括一個連接于所述的普通變壓器和所述的第二門控裝置之間的電感。
12.一種無電極放電燈，包括一種有如權(quán)利要求1-11中之一所述的放大器，并且在靠近密閉容器的位置安裝有感應線圈，該密封容器內(nèi)有包含有金屬蒸汽的氣體，所述的放大器與所述的感應線圈相連接。
13.如權(quán)利要求12所述的無電極放電燈，其中所述的密封容器用熒光粉涂覆。
14.如權(quán)利要求12所述的無電極放電燈，其中通過所述密封容器內(nèi)含有的氣體產(chǎn)生可見光。
15.一種無電極放電燈，包括一個振蕩信號源;一個安裝到密封容器附近的感應線圈，所述的密封容器含有金屬蒸汽，以及，一個與所述的感應線圈相連接的放大器，所述的放大器包括串聯(lián)的第一和第二轉(zhuǎn)換裝置;用于相繼斷開和閉合第一轉(zhuǎn)換裝置的第一門控裝置;用于相繼斷開和閉合第二轉(zhuǎn)換裝置的第二門控裝置;其中(ⅰ)所述的放大器被設計成有一個時間段，在該時間段內(nèi)第一和第二轉(zhuǎn)換裝置均為斷開，以及(ⅱ)所述的放大器具有一個固有的電容，該電容在第一和第二轉(zhuǎn)換裝置為斷開時儲存能量;以及一個儲存能量的裝置，該裝置接收儲存在所述的固有電容中的能量以便減少加在第一和第二轉(zhuǎn)換裝置其中之一上的電壓，使當?shù)谝缓偷诙D(zhuǎn)換裝置其中之一從斷開轉(zhuǎn)換到閉合時的情況下電壓幾乎為零。
16.如權(quán)利要求15所述的無電極放電燈，其中所述的感應線圈位于由密封容器的外表面所形成的空腔中間。
17.如權(quán)利要求16所述的無電極放電燈，其中所述的儲存能量的裝置包含有一個電感。
18.如權(quán)利要求17所述的無電極放電燈，其中所述的第一轉(zhuǎn)換裝置含有第一晶體管及第二轉(zhuǎn)換裝置含有第二晶體管。
19.如權(quán)利要求18所述的無電極放電燈進一步包括有一個與所述第一門控裝置相連接的平衡一不平衡變壓器，其中所述的儲存能量的裝置至少部分包括在所述的平衡一不平衡變壓器內(nèi)。
20.如權(quán)利要求19所述的無電極放電燈進一步包括一個普通變壓器，其中所述的平衡一不平衡變壓器及所述的普通變壓器配置成所述的第一和第二轉(zhuǎn)換裝置在所述的時間段內(nèi)是斷開的。
21.如權(quán)利要求11所述的放大器，其中所述的電感具有一個所選定的值，以便使施加到第二門控裝置的信號產(chǎn)生相位延遲。
22.如權(quán)利要求1所述的放大器，其中儲存能量的裝置包含有一個選定值的電感，以便使所有儲存在固有電容內(nèi)的能量在所述的時間段內(nèi)轉(zhuǎn)移到所述的電感上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效率D類放大器。此放大器包含有兩個晶體管，依序轉(zhuǎn)換通斷。其輸出是由兩個晶體管間的公共節(jié)點上輸出。確使每一晶體管于其接通時，其上電壓大體上為0，此時放大器的效率大為增加。此優(yōu)點經(jīng)由在公共節(jié)點上連接一電感的方式而獲致，因此使儲存于任何雜散電容內(nèi)的電能均于任一晶體管接通之前轉(zhuǎn)移到電感上。
文檔編號H05B41/28GK1080098SQ9310600
公開日1993年12月29日 申請日期1993年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月20日
發(fā)明者羅吉·西亞歐 申請人:戴布羅研究公司