[发明专利]开关放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关放大器，尤其涉及一种D类开关放大器。

背景技术

目前，由于D类开关放大器在无输入信号时无电流在其中流过，而在导通时却快开快关，使得这类放大器具有低能耗、高效率的特点，因而D类放大器在用作开关器件时越来越受到人们的欢迎。

D类开关放大器一般采用N-MOS(N型金属氧化物半导体)开关管与P-MOS(P型金属氧化物半导体)开关管结合的结构设计。然而，由于P-MOS开关管的缺点是面积大，因而使用CMOS(互补型金属氧化物半导体)开关管的D类放大器无法适应当前电子设备趋于小型化或微型化的趋势。另一方面，由于N-MOS开关管完全可以用作P-MOS开关管，并且具有面积小且单位面积导通电阻小的优势，因而为了节省面积，D类开关放大器逐渐采用全N-MOS开关管结构以代替P-MOS和N-MOS相结合的开关管结构。

但是当采用这种全N-MOS开关管结构时，由于开关管的源端和整个放大器的电源相连而使得开关管完全导通，因而需要配备高于放大器电源电压的栅极驱动电压。为此，通常需要在芯片内部产生自举电势，以产生驱动电路所需的工作电压。

图1示出现有技术中具有驱动电路的D类开关放大器的示意图。如图1所示，Va、Vb表示输入端(它包括逻辑电路，还可以包括电平转换电路)，接收所输入的逻辑相反的脉宽调制(PWM)信号，M1与M2为开关管或开关电路。为了在输出处得到与Va、Vb相对应的脉宽调制信号，要求开关管M1与M2在导通与关断之间进行切换。其中，由用以补充能量的电路(一般为二极管Dboot)、储存能量的电路(电容Cboot)与起切换功能的开关管M1组成自举电路来产生自举电势Vh。

放大器开关管M1、M2分别由驱动电路I1、I2驱动。Vd为驱动电路I1、I2的工作电源。为了保证放大器开关管M1完全导通，必须使输出电压Vout接近电源电压Vcc，这又使得必须使驱动电压Vd大于电源电压Vcc。这是通过自举电势Vh来实现的。

同时，为了防止在上、下两个开关管M1和M2同时导通时产生大的电源到地的直通电流而损坏开关管，通常将开关管M1和M2的驱动逻辑设置为不交叠时钟。但是这样的设置会使串联的开关管出现同时关断的情况，为避免出现这样的情况，通常在电路中加入具有相同延时的延时电路Y1、Y2。

图2示出对应于图1所示电路中出现开关管M1、M2同时关断时的可能存在的两种电流状态，其不同电流状态对应于不同的输入信号。

如图2所示，当电感上存在电流Iout时，电流Iout在两个开关管M1和M2同时关断(称为“死区”)时不会消失，而是全部流过开关管M1或M2中的寄生电路(寄生体二极管D1或D2)，从而当输出电流Iout>0或Iout<0时，会出现如图3中所示的“过冲”现象。所谓“过冲”现象，即在死区时间，输出电压Vout会由于在外部电感上产生的电流Iout而出现高于电源电压Vcc或低于零的情况。当Iout>0，在死区期间，输出电压Vout低于零，电容Cboot继续充电，从而由于“过冲”而使得电容Cboot的电压Vc变大。电容电压Vc的这种波动导致开关管M1的导通电阻会随着输出电流极性的不同而不同，从而引起失真。其中，通常将输出电压Vout高于电源电压Vcc或低于零的那部分称为“过冲”电压。

如图3所示，Vout表示放大器的输出电压；h表示体二极管D1、D2正向导通压降，即“过冲”电压的深度；而w为非交叠时间，即“过冲”电压的持续时间宽度，也即“死区”的持续时间。

从图3中可以看出，当Iout>0时，过冲电压出现在输出电压Vout波形的下方；而当Iout<0时，“过冲”电压则出现在输出电压Vout波形的上方。正是因为“过冲”电压的存在，使得当Iout>0时，输出电压Vout小于零，从而使得电容Cboot上的电压Vc发生“过充”而变大，并进而出现人们通常所不希望的电压Vout的波动，进一步引起开关管M1的导通电阻变化而引起失真。

发明内容

针对现有技术D类开关放大器中存在的上述缺陷，本发明提供了一种具有自举电势波动抑制功能的开关放大器。