[发明专利]用于开关功率变换器的低功耗模式和反馈结构

说明书

技术领域

本发明涉及开关功率变换器和放大器的领域。更具体的说，本发明涉及具有低功耗模式以保存功率的开关功率变换器和放大器。

背景技术

在常规的开关模式的功率变换器中，当主电源开关关闭时，则来自诸如未稳压电源这样的电源的电流流经电感器。这就以能量对电感器充电。当开关打开时，该能量就放电到电容器。这就在电容器两端上形成电压，可以随后用于驱动负载。通过适当地控制开关的开和关，例如，脉宽调制(PWM)或频率调制，使该输出电压能维持一个恒定和所需的电平。

根据PWM，对开和关主电源开关的占空周期进行控制。例如，将周期性斜波信号与可变信号进行比较，以控制开关的占空周期。提供给负载的功率电平取决于主电源开关的占空周期。

根据频率调制，对开和关主电源开关所处频率进行控制。例如，压控振荡器(VCO)能够用于控制主电源开关。提供给负载的功率电平取决于开关频率。

常规的开关功率放大器是一类输出是依据输入信号而变化的开关功率变换器。这与输入通常维持在恒定电平的开关功率变换器形成对照。在典型的开关功率放大器中，主电源开关的开和关是响应输入信号电平来控制的。因此，开关放大器的输出趋向于跟随输入信号。

D类音频放大器是传统开关功率放大器的实例，它采用四个主电源开关的H桥型结构在扬声器的两端提供差分输出信号。各对开关串联耦合在电源的高电位和低电位之间。位于各对功率开关中间的节点连接扬声器的相对端点。通过根据输入音频信号来控制四个主电源开关的开和关，音频扬声器产生与输入信号有关的声音。因为输出信号是差分的，所以这类放大器一般都是以开环(即，没有反馈)的方式工作。这种放大器开环工作的缺点是输出信号容易产生失真。

常规的开关功率变换器趋向于提供胜于其它类型器件的优点。这是因为开关功率变换器趋于将输出功率降到负载所需要的功率相称的比率以及趋于具有相对较低的能量损耗。在开关功率变换器中的能量损耗一般称之为开关损耗且主要是由于在主电源开关和电抗元件(例如，电感器和电容器)中的能量消耗。当负载所消耗的功率电平接近于开关功率变换器的最大的能力时，相对于开关功率变换器的总的输出功率来说，开关的损耗是低的。这样，变换器就能以高的效率工作。然而，随着由负载所消耗的功率电平的下降，相对于从电源所得到的功率电平来说，开关损耗就会变得很明显。这时，负载的功率消耗处在低电平上时，开关损耗会明显地降低效率。然而，效率是衡量开关功率变换器的一项重要的性能指标，例如，由电池供电的情况下，例如在便携式电话中，低的效率就会导致在电池充电间的工作周期减少。因此，常规的开关功率变换器在负载消耗较低功率电平下往往不能有效地使用电池功率。

因此，就需要能克服上述缺点的开关功率变换器。这就是本发明所提出的目标。

发明内容

本发明是用于开关功率变换器的低功耗模式和反馈结构。两个或多个电源开关，例如，晶体管，通过它们的开和关将来自电源的能量传递给负载。当负载需要相对较低的功率水平时，就检测出该情况。作为响应，一个或多个晶体管开关就被禁止开关，并且由剩余的一个或多个晶体管开关来处理负载减少的功率需求。因此，就减小了开关的损耗。这是因为与被禁止工作的开关关联的寄生栅电容和导通电阻不再消耗电源的功率。本发明在负载处于低功率的电平周期期间提供了显著效率的优点。这对电池供电的器件特别有用，这可以使它在低功率模式时工作更长时间周期，例如，便携式电话的等待模式。功率消耗的防止对在需要再次充电之前延长工作时间大有帮助。然而，当需要额外的功率时，原先被禁止的一个或多个开关可能返回到工作状态，以确保能满足负载的功率需要。

在提供差分输出信号的具有H桥型结构的音频放大器中，本发明也提供仅来自负载一侧的反馈路径。这能够减小与开环工作关联的失真。

根据本发明的一个方面，提供了具有第一和第二晶体管开关的开关功率变换器。通过开和关第一晶体管开关将来自电源的能量传递给负载；通过开和关第二晶体管开关将来自电源的能量传递给负载；并且检测到低功率条件时，就禁止第二晶体管开关。