[发明专利]开关放大器

说明书

背景技术

开关放大器，也称为D类放大器，由于它们超越传统线性放大器结构的实 质性的功效优势，越来越引起关注并逐渐发展。本质上说，开关放大器使用 二进制数字方法，对已为大家确定的原理作了拓展，该原理是：与传统线性 放大器中的情形一样，放大器的晶体管在开或关的时刻而不是开和关的中间 (时刻)消耗最小的功率。开关放大器是对开关模式电源(SMPS)的发展。

众所周知的，在开关放大器中，产生序列脉冲并将该脉冲施加于低通滤 波器，使得滤波后的脉冲序列形成输入信号的放大形式。在这基本原理下， 可使用多种类型的开-关脉冲模式。然而，绝大多数现有的开关放大器的设计 都采用脉宽调制(PWM)，在脉宽调制中产生固定频率的矩形脉冲流，并且这 些脉冲的开与关占空比也各不相同以达到所需的平均幅度。

同时，当开关放大器的晶体管在完全接通或完全切断时，所述开关放大 器的确消耗很少的功率，由于接通状态和切断状态之间的切换，现有设计中 出现功效问题。在切换转换间隔中，所述晶体管传导非零电流越过非零伏特 电压，因此，以由所述电流和电压的产生的瞬时耗散功率方式散去热量。切 换损耗是PWM放大器以及其他现有开关放大器耗散功率的主要原因。切换的 电压常常很大的事实使这些损耗加剧。

其他产生开-关切换模式的方法是∑-△调制(SDM)，也称为脉冲密度调 制(PDM)。然而，SDM要求比PWM高很多的切换速率，因此它会引起更高 的切换功率损耗。在放大器的应用中，这些损耗通常是难以接受的，因此SDM 主要在无功率(non-power)应用中常见，例如数模转换器(DAC)。在尝试 阻遏SDM的切换功率损耗时，提议放大器结构使用准谐振转换(QRC)。QRC 是一种可以大量减少单位脉冲切换能量损耗的SMPS技术。不同于矩形脉冲， ORC产生固定脉宽的正弦(或者近似正弦)波脉冲，并且由于开关元件仅当 通过它们的电流趋近于零或者跨接它们的电压趋近于零的时候才转换的事实 实现了功率的节约；因此单位脉冲切换损耗趋近于零。

然而，ORC自身不能有效地应用于SDM。它的固定宽度脉冲要求：脉冲 流的每个基本时钟间隔内需要有一个脉冲。例如，正常的SDM切换波形的一 个“on”时段持续三个基本时钟周期通过三个连续的正QRC脉冲表示。因为这 个原因，SDM准谐振转换实施的切换速率甚至比已有的标准的SDM高速率要 高。其结果就是QRC单位脉冲的效益能被更高的切换速度所超过。

总体而言，现有开关放大器在一种形式或另一种形式中遭受相当大的切 换功率损耗。由于这些损耗被频繁地使用接近满幅度的测试信号进行测量， 从高度“宣扬”的放大器效能数字(其中一种数字可能发现被引用)来看， 这些损耗通常是不明显的。然而，当该信号的幅度减小时，切换损耗会迅速 地超过传递至负载的功率。对高的峰均功率比(PAPR)信号(例如音频信号) 而言，这是一个特殊问题，尤其是如果该放大信号已经由可变增益级(例如 音频音量控制)进行了预处理。对于这些信号，现有放大器的长期平均功率 很低，这导致缩短了电池供电应用的工作寿命，以及导致电源部件和热量排 除系统的成本开支和尺寸开销增大。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于开关放大器的调制器，所述调 制器包括脉冲发生器，该脉冲发生器用于提供复合脉冲流，其中，所述复合 脉冲流包括：

正脉冲，该正脉冲具有正平均幅度并具有可控制的第一脉冲频率，以及

负脉冲，该负脉冲具有负平均幅度并且有可独立于第一脉冲频率进行控 制的第二脉冲频率。

根据本发明的第二方面，提供了一种开关放大器，包括根据本发明第一 方面提供的调制器和滤波器，其中所述复合脉冲流施加于所述滤波器，以使 该滤波器的输出信号为所述输入信号的放大形式。

根据本发明的第三方面，提供了一种开关放大器的运行方法，该方法包 括，为响应输入信号：

生成具有正平均幅度并具有可控制的第一脉冲频率的正脉冲；

生成具有负平均幅度并具有可独立于第一脉冲频率进行控制的第二脉冲 频率的负脉冲；

组合所述正脉冲和所述负脉冲以形成复合脉冲流；以及

将所述复合脉冲流施加于低通滤波器，以使该滤波器的输出为所述输入 信号的放大形式。

根据本发明第四方面，提供了一种用于确定由抽样值序列表示的信号越 过阈值的时间的方法，所述方法包括：

a.判定是否有多个连续输入抽样足够接近直线形式；以及