[发明专利]用于对开关放大器的共模电压进行控制的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于对H桥电路的共模电压及/或共模电流进行控制的H 桥控制器、系统及方法。

背景技术

D类放大器实质上是一种其中通过低阻抗开关来将负载连接到电源 的开关器件。低阻抗开关以远高于输入信号的带宽的频率在无源状态与有 源状态之间切换，并且负载对放大器的输出信号进行滤波，以使得输出信 号的仅低频分量可以供后续使用。对输出信号的高频分量的这种滤波或者 是以LC(电感器-电容器)电路的形式显式地进行的，或者是在其中扬 声器本质上是用作低通滤波器的器件的音频扬声器的情况下隐式地进行 的。D类放大器的普及是因为它们能够在不在该放大器自身中消耗功率的 情况下将大量功率传递给负载，因此导致从电源到负载的非常高效的功率 传送。

图1(a)例示了现有技术的、作为用于D类放大器的最普遍的开关 布局的H桥电路100。H桥电路100包括将负载105连接在电源PWR与 地GND之间的多个开关(101、102、103、104)。在第一操作状态期间， 对开关(101、102、103、104)进行控制，以使得负载105的第一端子 120连接到电源PWR，同时负载105的第二端子121连接到地GND。在 第二操作状态期间，对开关(101、102、103、104)进行控制，以使得负 载105的第一端子120连接到地GND，同时负载105的第二端子121连 接到电源PWR。通过在第一操作状态与第二操作状态之间切换，能够对 负载的各端到电源或地的连接进行周期性的切换，导致对负载施加方波形 状的信号。由于负载上的电压仅有两种状态，因此将其称作二进制调制。

在高性能应用中，LC滤波器用于将从H桥电路100输出的信号的高 频能量阻断，因而仅允许将低频能量施加给负载105。该滤波器所需的高 品质的电感器及电容器相对较大且昂贵，因此成本敏感的应用通常选择无 滤波操作。在无滤波操作中，不存在用于将从H桥电路100输出的信号 的高频能量阻断的LC滤波器。结果，从H桥电路100输出的信号的所 有的高频能量都被施加给负载105，导致与使用LC滤波器的情况相比， 在负载105中消耗了更多功率。

还可以按第三操作状态的第一变型来对开关(101、102、103、104) 进行控制，以使得负载105的第一端子120及负载105的第二端子121都 连接到电源PWR。作为另一种选择，可以按第三操作状态的第二变型来 对开关(101、102、103、104)进行控制，以使得负载105的第一端子 120及负载105的第二端子121都连接到地GND。通过按三个操作状态 来操作H桥电路100，显著地减小了无滤波操作的负载105中的额外的功 率消耗。按三个操作状态来操作H桥电路100称作三进制调制。

尽管设置第三操作状态在减少无滤波操作的负载105中的额外的功 率消耗方面具有期望的效果，但是引入了新的问题。对于按两个状态操作 的H桥电路100，施加给负载105的电压总是纯差动的。结果，被定义为 负载105的第一端子120及负载105的第二端子121中的各个端子处的平 均电压的、负载105的共模电压，或通过负载105的等效电流，从不改变。 共模电压总是近似等于电源电压除以2。在进行设置以使H桥电路100 在第三状态中操作(例如，其中负载105的第一端子120及负载105的第 二端子121都连接到地GND的前述第二变型)时，负载105的共模电压 等于地电压。相似的是，没有电流通过负载105。因此，在以三个操作状 态来操作H桥电路100时，负载105的共模电压及共模电流将基于操作 状态而变化。

如果H桥电路100及负载105中的每个元件(包括布线寄生效应) 是完全平衡的，则负载105的共模电压及共模电流的变化不是问题，至少 从信号完整性的观点来看是这样。然而，H桥电路100的两端与负载105 的两端之间的不可避免的失配将导致施加给负载105的两个端子的电压 不同。共模电压的这种变化中的某些变化将显现为通过负载105的差分电 压及差分电流，结果使输出信号劣化。

为了解决负载105的共模电压及共模电流的变化问题，期望在第三操 作状态的各个变型之间调制第三操作状态。通过在第三操作状态的两个变 型之间进行切换，将使平均共模电压及平均共模电流的变化减小。