MODULADOR HÍBRIDO DE OSCILACIÓN CONTROLADO POR RETROALIMENTACIÓN Y SISTEMA AMPLIFICADOR DE POTENCIA CONMUTADA.

Modulador híbrido de oscilación controlado por retroalimentación y sistema amplificador de potencia conmutada Campo de la invención La presente invención se refiere al campo de la conversión de potencia CC a CC y CC a CA, con especial relevancia dentro de la amplificación de potencia de audio conmutada de alta definición Trasfondo de la invención Loa amplificadores de audio conmutados de Clase D han tenido un uso creciente en la industria en años recientes, debido a las mejoras en los dispositivos de conmutación de etapas de salida, y asimismo en los procedimientos de control de modulación y retroalimentación. El clásico sistema amplificador de potencia conmutada consiste en el modulador de pulso, que convierte una fuente analógica o digital en una señal modulada por pulsos, amplificada a continuación por una etapa de conmutación de potencia. Un filtro pasivo de demodulación reproduce la señal de potencia modulada. La mayoría de los amplificadores conmutados de clase D se basan en variantes de la Modulación de Ancho de Pulso. Los retos en el diseño de amplificadores moduladores se refieren a: La PWM (Modulación de Ancho de Pulso) es, de hecho, una multiplicación / mezcla entre la entrada y la variable de la fuente de alimentación. Esto es equivalente a un rechazo igual a cero de la fuente de alimentación. La etapa de conmutación de potencia causa distorsión proveniente de numerosas contribuciones, ya que los MosFET (Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) de energía tienen efectos parasitarios y necesitan ser gobernados por retardos diferenciados de apagado / encendido. El filtro de salida es no lineal y contribuye con una adición significativa de impedancia de salida dependiente de la frecuencia, que confronta el deseo de control ideal de voltaje de la carga del altavoz. EMI. La etapa de energía, el filtro pasivo y los cables de conexión (aunque filtrados) son fuentes de Interferencia ElectroMagnética. La demodulación perfecta no es posible, lo que deja residuos en los cables conectados. La Estabilidad Robusta de Archivo y las prestaciones excelentes de audio son complicadas, teniendo en cuenta las condiciones del mundo real y el espacio de parámetros del banco de pruebas para las perturbaciones de carga, los estímulos de entrada y la gama de la fuente de alimentación. En general, los sistemas efectivos de control de retroalimentación han demostrado ser vitales para lograr prestaciones y robustez a la par con los amplificadores de clase heredada AB. Además, el control de retroalimentación puede utilizarse para elevar la eficiencia y reducir la complejidad, ya que la eficiencia y la complejidad están determinadas por la etapa de energía y el filtro de demodulación. La modulación del pulso puede implementarse con la clásica modulación de PWM o PDM (Modulación de Duración del Pulso), basada en la portadora, o bien utilizando procedimientos de auto-oscilación. Los inconvenientes globales de los amplificadores de potencia conmutada por PWM basada en portadora han sido cubiertos exhaustivamente en la tesis doctoral Técnicas amplificadoras de la potencia de audio con conversión de potencia energéticamente eficiente del inventor. A fin de superar los clásicos inconvenientes del amplificador de potencia conmutada por PWM, se introdujo un modulador oscilador controlado (COM), de hecho un modulador de oscilación de retroalimentación, en la solicitud internacional de patente WO 98 / 19391. En combinación con un procedimiento mejorado de retroalimentación en cascada, se resolvieron una gama de inconvenientes de Clase D, esbozados anteriormente. Se han revelado otros procedimientos de moduladores oscilantes en la técnica anterior, como el documento WO2004 / 47286 del solicitante, el documento WO 03 /090343 y el documento US6488941. Estos procedimientos se caracterizan porque la auto-oscilación está determinada por la retroalimentación después del filtro de salida, es decir, por tener el filtro de salida como una parte integral y determinante en condiciones de auto-oscilación. Tales arquitecturas se denominarán en lo que sigue moduladores de oscilación de bucle global. Los sistemas amplificadores conmutados basados en moduladores de oscilación de bucle global, revelados en la técnica anterior, tienen una ventaja específica en términos de ancho de banda de ganancia de bucle maximizado que circunda el filtro de salida, de modo tal que se minimicen la distorsión del filtro y la impedancia de salida. Un problema serio, sin embargo, al circundar el filtro dentro del bucle que determina las condiciones de oscilación, es que las condiciones de oscilación pasan a ser dependientes del filtro Q. Esto introduce generalmente una estabilidad condicionada a la carga en el sistema, a menos que el filtro se amortigüe pasivamente o que el sistema sea compensado por otros medios. En situaciones de carga específica, de carga abierta o de cargas capacitivas, correspondientes a un desfase completo de 180 grados en la frecuencia natural del filtro, en caso de que el filtro sea de 2 E07713091 26-10-2011   segundo orden, se introducirá generalmente un estado de segunda oscilación en la vecindad de la frecuencia natural del filtro. La oscilación en la frecuencia natural del filtro, en una situación de carga alta de filtro Q, es absolutamente inaceptable, y llevará generalmente a un daño del sistema. En consecuencia, la amortiguación pasiva del filtro con redes Zoebel de RC (Resistores-Condensadores) para reducir el filtro Q en situaciones de carga abierta es una solución; sin embargo, los resistores de potencia añaden complejidad al sistema y degradan la eficiencia. La compensación de bucles excesivos, p. ej., por diferenciación de trayectos de retroalimentación, es una alternativa intentada en la técnica anterior; sin embargo, esto reduce la ganancia efectiva de la función de transferencia del bucle. En efecto, se necesita un sistema de compensación de orden 0 alrededor del filtro a fin de impedir la oscilación indeseada de segundo estado alrededor de la frecuencia natural del filtro. Una segunda desventaja de los moduladores de oscilación de bucle global es que la diferenciación de retroalimentación necesaria a fin de mejorar la estabilidad perturba generalmente la implementación del sistema de control. Los diferenciadores de retroalimentación recogen el ruido y lo suministran al sistema de control, que consiste habitualmente en amplificadores operativos lineales. Una desventaja adicional en la diferenciación de retroalimentación es el efecto de introducir un polo, o varios polos, en la función de transferencia del sistema, limitando así el ancho de banda. El conducto de retroalimentación o la diferenciación imponen restricciones sobre el diseño de amplificadores. Así pues, es imposible diseñar para lograr tanto altas prestaciones como robustez ante las perturbaciones de carga como alta eficiencia sobre la banda completa de audio. Una tercera desventaja de esta arquitectura de modulador de oscilación de bucle global de la técnica anterior es que los errores vinculados a la etapa de energía y a la fuente de alimentación, en general, no se corrigen localmente. Las significativas fuentes de errores introducidas por la etapa de energía de conmutación y la fuente de alimentación necesitan pasar el desfase y retardo de la fase de filtro de salida de segundo orden, o superior, antes de generar la señal de error para la compensación global. Así pues, la compensación mejorada del filtro compromete generalmente a la compensación de errores vinculada a la etapa de energía y a la fuente de alimentación. Objetivos de la invención Por consiguiente, un objeto de la invención es proporcionar un nuevo modulador oscilante, el Modulador Híbrido de Oscilación Controlada por Retroalimentación (HCOM), con relevancia específica en amplificadores de Clase D conmutables, que proporciona una compensación mejorada de errores de banda ancha, tanto en la etapa de energía local como en la fuente de alimentación como en errores locales vinculados con filtros, con una arquitectura topológica más sencilla que la técnica anterior. En segundo lugar, un objetivo de la invención, en comparación con la propia invención WO 98 / 19391 del solicitante, es proporcionar un modulador mejorado y un sistema de control que proporcione estabilidad mejorada y control estable incondicional del filtro de salida por medios activos, sin necesidad de excesiva diferenciación de retroalimentación o amortiguación pasiva de filtros de RC. Un objetivo de la invención es eliminar la función de transferencia de filtro y, por ello, la dependencia del filtro y de la carga, de la función de transferencia del sistema. En tercer lugar, un objetivo de la invención es permitir la demodulación mejorada sin los compromisos de eficiencia, estabilidad y prestaciones... [Seguir leyendo]

un modulador (11; 21) de pulso para modular una señal (Vi) de entrada, a fin de formar una señal modulada por pulso, una etapa (11; 21) de amplificación de potencia conmutadora para la amplificación de la señal modulada por pulso, un filtro pasivo (12; 22) para demodular la señal de salida conmutable, caracterizado por un primer trayecto (13; 23) de retroalimentación aplicado a partir de la salida (Vp) de la etapa conmutadora, un segundo trayecto (14; 24) de retroalimentación aplicado a partir de la salida (Vo) del filtro, medios para formar una señal (Ve) de error, restando señales de dichos dos trayectos de retroalimentación a la señal (Vi) de entrada, y un trayecto directo (17; 27) que conecta dichos medios de formación de señales de error con dicho modulador de pulso, formando por ello un bucle cerrado, teniendo dichos trayectos de retroalimentación primero y segundo y dicho trayecto directo tales funciones (A1(s), A2(s), B(s)) de transferencia a fin de asegurar condiciones de auto-oscilación de dicho bucle cerrado. 2. Un sistema amplificador auto-oscilador según las reivindicaciones precedentes, en el cual la ganancia de retroalimentación de corriente CC del primer trayecto 13 de retroalimentación, KA1, y del segundo trayecto 14 de retroalimentación, KA2, está ponderada por un factor ß de ponderación, KA1 = ßkA2. 3. Un sistema amplificador auto-oscilador según la reivindicación 2, en el cual ß << 1, a fin de mejorar la ganancia del bucle y el ancho de banda a partir del segundo trayecto de retroalimentación, reduciendo por ello la distorsión relacionada con el filtro, y la sensibilidad del filtro Q de la función de transferencia. 4. Un sistema amplificador auto-oscilador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el primer trayecto de retroalimentación tiene un paso bajo o características de integración. 5. Un sistema amplificador auto-oscilador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el primer trayecto de retroalimentación tiene una característica de paso bajo y el segundo trayecto de retroalimentación tiene una característica de conducción de fase. 6. Un sistema amplificador auto-oscilador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el bloque de compensación del trayecto directo tiene una característica de desfase, a fin de mejorar el ancho de banda de ganancia del bucle del sistema dentro de la banda de audio, y permitir una señal de modulación bien acondicionada. 7. Un sistema amplificador auto-oscilador según las reivindicaciones precedentes, en el cual el trayecto directo comprende un bloque de compensación con una función B(s) de transferencia. 8. Un sistema amplificador auto-oscilador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la modulación de pulso se habilita utilizando un comparador no de histéresis, de modo tal que la frecuencia de oscilación se determina como la frecuencia, donde el desfase total de la primera retroalimentación, la segunda retroalimentación y el filtro B(s) del trayecto directo, y el retardo de propagación, es de 180 grados. 9. Un sistema amplificador auto-oscilador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la frecuencia natural del filtro y el filtro Q se utilizan para mejorar las contribuciones de ancho de banda de la ganancia del bucle global a partir del segundo trayecto de retroalimentación, con fb < fn < 2fb, y la implementación de un filtro Q resonante >= 1 en la carga nominal. 10. Un sistema amplificador auto-oscilador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la compensación adicional de bucle es aplicada por una tercera retroalimentación a partir de la salida del filtro, a través de un trayecto distinto C(s) de retroalimentación, restándose dicha señal de alimentación del nodo de entrada y suministrándose a una etapa adicional D(s) de preamplificador para formar una señal de entrada compensada. 11. Un sistema amplificador auto-oscilador según la reivindicación 10, caracterizado porque el bloque C(s) del trayecto de retroalimentación es idéntico al segundo trayecto A2(s) de retroalimentación. 12. Un sistema amplificador auto-oscilador según una de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende adicionalmente medios para conmutar de forma adaptable entre dos o más funciones de transferencia en uno de, más de uno de, o todos, los bucles, dependientes de estímulos de entrada y características de carga. E07713091 26-10-2011   13. Un sistema amplificador auto-oscilador según la reivindicación 12, en el cual dicho medio adaptable comprende un bloque de filtro en dicho trayecto directo, estando dicho bloque de filtro dispuesto para ser conmutable entre dos estados con distintas funciones de filtro, dependientes de los estímulos de entrada y las características de carga. 14. Un sistema amplificador auto-oscilador según la Reivindicación 13, en el cual dicha conmutación de estados está determinada por el voltaje de salida de dicho bloque de filtro del trayecto directo. 16 E07713091 26-10-2011   17 E07713091 26-10-2011   18 E07713091 26-10-2011   19 E07713091 26-10-2011   E07713091 26-10-2011   21 E07713091 26-10-2011   22 E07713091 26-10-2011   23 E07713091 26-10-2011   24 E07713091 26-10-2011   E07713091 26-10-2011   26 E07713091 26-10-2011   27 E07713091 26-10-2011