Amplificador de potencia.

Amplificador de potencia para amplificar una señal de entrada eléctrica en un rango de frecuencias de funcionamiento y proporcionar una señal de salida, que comprende medios de conmutación

(12) para generar una señal de onda rectangular conmutando alternativamente la señal de onda rectangular a una primera tensión de alimentación o a una segunda tensión de alimentación, medios de filtro (14, 16) para generar una señal de salida de potencia por filtración de paso bajo de la señal de onda rectangular, medios de entrada para recibir la señal eléctrica y dirigir los medios de conmutación, donde el medio de entrada comprende un circuito integrador (10) que genera una señal de error formada por una diferencia entre la señal de salida y la señal de entrada eléctrica y que proporciona una ganancia del integrador en el rango de frecuencias de funcionamiento, el amplificador de potencia comprende además un circuito de retroacción local (18) que conecta la señal de salida a una entrada de los medios de conmutación, y un circuito de retroacción global (20) que conecta la señal de salida a una primera entrada del circuito integrador (10), una salida del circuito integrador está conectada a la entrada de los medios de conmutación, caracterizado por el hecho de que un circuito limitador (22) está conectado para recibir la señal de entrada eléctrica y una señal de salida del circuito integrador y conectado al circuito integrador para limitar la ganancia del circuito integrador cuando se detecta una diferencia entre la señal de entrada eléctrica y la señal de salida del circuito integrador superior a un valor predeterminado.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/SE2010/050468.

Solicitante: Etal Group AB.

Nacionalidad solicitante: Suecia.

Dirección: PO Box 39 162 11 Vällingby SUECIA.

Inventor/es: BOSTRÖM,PATRIK.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > AMPLIFICADORES (medidas, ensayos G01R; amplificadores... > Amplificadores que tienen como elementos de amplificación... > H03F3/217 (Amplificadores de potencia de clase D; Amplificadores de conmutación)

PDF original: ES-2528319_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Amplificador de potencia Campo técnico [0001] Amplificador de potencia para amplificar una señal de entrada eléctrica en un rango de frecuencias operativo y proporcionar una señal de salida, que comprende medios de conmutación para generar una señal de onda rectangular mediante la conmutación alternativamente de la señal de onda rectangular a una primera tensión de alimentación o un segundo tensión de alimentación, medios de filtro para generar una señal de salida de potencia por filtración de paso bajo de la señal de onda masiva, medio de entrada para recibir la señal eléctrica y accionar los medios de conmutación, y un circuito de retroacción local que conecta la señal de salida a una entrada de los medios de conmutación.

Técnica anterior [0002] Los amplificadores de potencia de conmutación también denominados amplificadores de modulación por pulsos, amplificadores de modulación por ancho de pulso (PWM) o amplificadores de clase D se usan comúnmente en aplicaciones donde la disipación de potencia es un factor importante. Los amplificadores de clase D son importantes para disminuir el consumo de energía y disminuir el tamaño/peso y, por lo tanto, el uso de materias primas.

En tales amplificadores hay una fase de entrada para recibir una señal de entrada eléctrica que va a ser amplificada, una fase de modulación/conmutación o de potencia y un filtro. La fase de conmutación genera una señal de onda rectangular, o un tren de pulsos, que tiene una frecuencia que es muy superior a la máxima frecuencia del rango de frecuencias operativo de la señal eléctrica que se va a amplificar. La proporción de ancho de pulso de la onda rectangular se modula para que el valor medio de la señal de onda rectangular sea proporcional a la señal de entrada. Los filtros filtran la señal de onda rectangular a una señal de salida de potencia.

Otra definición de amplificadores de clase d es que la fase de potencia que suministra la energía a la carga se acciona en un estado "on/off" donde el valor de voltaje medio de esta onda rectangular se modula para corresponderse con el valor teórico. Las únicas pérdidas que aparecen son las pérdidas de conducción baja durante el estado "on" y los pérdidas de conmutación de cada vez que la fase de salida cambia de estado.

La conmutación entre on/off se hace a una frecuencia que normalmente está alrededor de 400kHz o más dando una resolución suficientemente alta en la banda audible. Normalmente, un amplificador de clase d contiene un filtro de paso bajo de segundo orden con preferiblemente un alto valor Q para la demodulación de los pulsos de PWM. Este filtro cambia la fase asintomáticamente hacia -180º y cuanto más alto es el valor Q, más rápido alcanza -180º . Cuando el filtro se carga, el valor Q disminuye.

La modulación del ancho de pulso real se puede realizar de diferentes formas. La forma más obvia es usar una señal de referencia, por ejemplo una señal de trionda y luego comparar el valor establecido o de entrada a esta señal de referencia. Cada vez que esas señales se cruzan, la fase de salida cambia de estado. Una desventaja con esta técnica de señal de referencia es que el valor medio del tren de pulsos sólo corresponde al valor teórico siempre y cuando los voltajes suministrados sean constantes y el cambio de estado es infinitamente rápido más, por supuesto, la trionda tiene que ser ideal.

La técnica de señal de referencia no tiene ninguna retroacción como resultado de una ausencia de control sobre el filtro de desmodulación. De hecho hay dos rutas de señal, una desde la entrada a la salida y una desde los carriles de suministro a la salida. La separación de los canales y el rechazo del suministro de energía se hace muy pobre. Una ventaja única es que la frecuencia de conmutación es constante. La alimentación de suministro hacia adelante puede utilizarse para disminuir la dependencia de la tensión de alimentación.

El uso de un dispositivo digital como un DSP para calcular el ancho de pulso en vez de comparar el valor teórico a una señal de trionda da básicamente el mismo resultado. No obstante, hay más posibilidades de compensar características no ideales de los componentes. Una solución DSP también es más complicada y costosa.

Una forma muy eficaz de proporcionar la modulación del ancho de pulso es por auto oscilación. Un comparador se utiliza para comparar el promedio del tren de pulsos con el valor teórico y si el error es negativo el interruptor positivo se acciona y viceversa si es positivo. La frecuencia de operación es cercana a la frecuencia donde el bucle tiene -180º cambio de fase. Algunas soluciones usan el filtro de desmodulación para hacer el cálculo del promedio y esto da al amplificador la posibilidad de ajustar errores que se producen en y después del filtro de desmodulación.

Sin circuitos adicionales, la frecuencia de conmutación sería igual a la frecuencia de resonancia del filtro que normalmente es de alrededor de 50kHz y esto es no aceptable. Un resistor cero y de cancelación de cero se añade al circuito de detección para aumentar la frecuencia alrededor de una decena. Este cero aumenta la amplitud de la señal de modulación y reduce la ganancia de bucle, por lo tanto aumenta las no linealidades. El resultado de esta topología auto oscilante post filtro es por lo tanto que la distorsión lineal (distorsión que no añade ningún contenido de frecuencia 2 10

nuevo como amplitud y fase) es muy baja para ser un amplificador de clase d pero la distorsión no lineal es pobre. Una divulgación anterior de un amplificador de clase d de auto oscilación fue hecha por Clayton Sturgeon en Texas, que presentó una solicitud de patente en 1976 con el número de serie US 4.041.411.

Un documento posterior de la técnica anterior es la WO03/090343, que revela un amplificador de potencia para amplificar una señal eléctrica en un rango de frecuencias operativo que comprende medios de conmutación para generar una señal de onda rectangular mediante alternativamente conmutar la señal de onda rectangular a una primera tensión de alimentación o una segunda tensión de alimentación, medios de filtro para generar una señal de salida de potencia por filtración de paso bajo de la señal de onda rectangular, medios de entrada para recibir la señal eléctrica y dirigir los medios de conmutación, y un circuito de control acoplado a la señal de potencia de salida y los medios de entrada para controlar el amplificador de potencia. Otro ejemplo de un amplificador de clase d se puede encontrar en la US 2007/0247219.

Otra opción más es añadir un segundo integrador activo de comando que desmodule el tren de pulsos y de una cantidad enorme de ganancia de bucle a bajas frecuencias. La frecuencia de conmutación está entonces totalmente controlada por este integrador y en absoluto por el valor Q del filtro de salida. La operación de esta topología de auto oscilación pre filtro es por lo tanto muy robusta y simple y da distorsión no lineal muy baja, especialmente a frecuencias bajas.

No obstante, en una topología de auto oscilación pre filtro la distorsión lineal se vuelve alta, es decir, la respuesta de frecuencia y de fase es totalmente dependiente de la carga y una curva de respuesta deseada sólo se puede obtener con impedancia de carga específica. La frecuencia de conmutación de todas las topologías de auto oscilación varía con la profundidad de modulación (ancho de pulso) . Esto es una ventaja para la eficiencia dado que las pérdidas de conmutación disminuyen cuando los pérdidas de conducción aumentan pero si otro bucle se añade para aumentar la ganancia de bucle hay un riesgo de que este bucle tome la frecuencia de conmutación y luego el amplificador iría a... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Amplificador de potencia para amplificar una señal de entrada eléctrica en un rango de frecuencias de funcionamiento y proporcionar una señal de salida, que comprende medios de conmutación (12) para generar una señal de onda rectangular conmutando alternativamente la señal de onda rectangular a una primera tensión de alimentación o a una segunda tensión de alimentación, medios de filtro (14, 16) para generar una señal de salida de potencia por filtración de paso bajo de la señal de onda rectangular, medios de entrada para recibir la señal eléctrica y dirigir los medios de conmutación, donde el medio de entrada comprende un circuito integrador (10) que genera una señal de error formada por una diferencia entre la señal de salida y la señal de entrada eléctrica y que proporciona una ganancia del integrador en el rango de frecuencias de funcionamiento, el amplificador de potencia comprende además un circuito de retroacción local (18) que conecta la señal de salida a una entrada de los medios de conmutación, y un circuito de retroacción global

(20) que conecta la señal de salida a una primera entrada del circuito integrador (10) , una salida del circuito integrador está conectada a la entrada de los medios de conmutación, caracterizado por el hecho de que un circuito limitador

(22) está conectado para recibir la señal de entrada eléctrica y una señal de salida del circuito integrador y conectado al circuito integrador para limitar la ganancia del circuito integrador cuando se detecta una diferencia entre la señal de entrada eléctrica y la señal de salida del circuito integrador superior a un valor predeterminado.

2. Amplificador de potencia conforme a la reivindicación 1, donde una primera entrada del circuito limitador (22) está conectada a una entrada de los medios de entrada, una segunda entrada del circuito limitador está conecta a la salida del circuito integrador (10) , y una salida del circuito limitador (22) está conectada a una segunda entrada del circuito integrador (10) .

3. Amplificador de potencia conforme a la reivindicación 2, donde la primera entrada del circuito integrador (10) es una entrada de inversión y la segunda entrada del circuito integrador es una entrada de no inversión.

4. Amplificador de potencia conforme a la reivindicación 1, donde el rango de frecuencias de funcionamiento es una banda de frecuencias audibles.

5. Amplificador de potencia conforme a la reivindicación 1, donde el circuito de retroacción global tiene una ganancia que es sustancialmente igual a una ganancia del circuito de retroacción local multiplicada por la ganancia del integrador.

6. Amplificador de potencia conforme a la reivindicación 1, donde el medio de conmutación (12) comprende un primer conmutador (S1) y un segundo conmutador (S2) , el primer conmutador (S1) conmuta en una primera fuente de tensión

(24) y el segundo conmutador (S2) conmuta en una segunda fuente de tensión (26) para formar la señal de salida.

7. Método que consiste en amplificar una señal de entrada eléctrica en un rango de frecuencias de funcionamiento y en proporcionar una señal de salida generando una señal de onda rectangular mediante la conmutación alternativamente de la señal de onda rectangular a una primera tensión de alimentación o a una segunda tensión de alimentación, filtrar de paso bajo la señal de onda rectangular, proporcionar una retroacción local de la señal de salida a una entrada de los medios de conmutación, proporcionar una retroacción global de la señal de salida a una primera entrada del circuito integrador, integrar y amplificar una señal de error formada por una diferencia entre la señal de entrada y la señal de salida, añadir la señal de error integrada y amplificada a los medios de conmutación, caracterizado por el hecho de que determina una diferencia entre la señal de entrada eléctrica y la señal de error integrada y amplificada, limita la amplificación de la señal de error cuando la diferencia entre la señal de entrada eléctrica y la señal de error integrada y amplificada exceda un valor predeterminado.