SISTEMA DE CONVERSIÓN DE POTENCIA DE AUDIO.

La presente invención se refiere a la conversión de CA - CA y de CC - CA de audio en la que la etapa de inversión (CC - CA) es una etapa de clase D Asimétrica (amplificador de conmutación). La etapa de CA - CC preferiblemente es una Fuente de Alimentación en Modo Conmutado, pero la invención también se refiere a un sistema de conversión de potencia de audio que utiliza técnicas de fuentes de alimentación lineales. Antecedentes técnicos Las dos topologías predominantes utilizadas para los amplificadores de clase D son la topología de puente completo y la de medio puente. Una configuración de la técnica anterior de estas dos topologías, incluyendo la fuente de alimentación, se muestra en la figura 2 y en la figura 3. Para los productos de consumo de bajo costo, la topología de medio puente tiene una clara ventaja sobre la de puente completo, puesto que sólo la mitad del número de conmutadores de potencia, de los accionadores y de las inductancias de salida es necesario. A pesar de que la tensión nominal de los conmutadores de potencia se duplica en la topología de medio puente, todavía hay un beneficio de producción y de costo en la reducción. Puesto que los terminales de salida del altavoz están referenciados a tierra, la protección de sobrecarga la sensibilidad de salida se hace más fácil en comparación con la topología de puente completo. El inconveniente de la topología de clase D de medio puente es la necesidad de una alimentación de carril doble, y el hecho de que esta topología bombeará la corriente retornándola al carril de alimentación desde el que se está extrayendo la potencia. Como se muestra en la figura 4, el carril negativo del condensador C2 se cargará por la corriente de inductancia de salida durante el intervalo t [DT, T]. La carga suministrada de retorno al carril depende de la impedancia de la carga, de la frecuencia de audio, del nivel de potencia y de la tensión del carril. Estas dependencias se puede expresar como: El bombeo en el peor caso se puede encontrar resolviendo la ecuación dQ / dVAudio = 0 para (2): La carga en el peor caso se puede encontrar insertando (3) en (2): El tamaño mínimo del condensador para un aumento de la tensión del carril dado (una fracción de la tensión nominal del carril), se puede encontrar entonces como: 2 E07705648 03-11-2011   La Figura 5 se muestra un ejemplo con una señal de audio de 20 Hz y una impedancia de carga de 4 ohm en la que se determina la capacidad mínima del carril como una función de la perturbación de carril admisible. Si se permite un aumento del 20% de la tensión del carril, la capacidad mínima del carril / canal será de aproximadamente 3000 µF. Para una configuración estéreo con un amplificador de clase D asimétrico, el requisito será de 4 unidades de con- densador de 3300 µF para mantener las tensiones de carril dentro del 20%. La variación de carril resultante para el ejemplo anterior se muestra en la figura 5. La tensión nominal de carril es 40 VDC y el carril perturbado se incrementa con aproximadamente 8V (20%). La señal de audio es igual a 2 / de la tensión nominal de carril, que es la situación del peor caso. Además, el rendimiento del amplificador se verá afectado por el bombeo del carril, especialmente los amplificadores de clase D no realimentados, en los que la perturbación asimétrica del carril será modulada directamente sobre la señal de audio incrementando espectacularmente la distorsión. Debido a la fuente doble con perturbación asimétrica, cualquier sistema implementado de alimentación positiva tendrá poco o ningún efecto. Los beneficios en lo que se refiere al número de componentes y complejidad del uso del amplificador de clase D asimétrico en comparación con el amplificador de clase D de puente completo desaparecen rápidamente cuando se toman en cuenta los problemas introducidos por el fenómeno de bombeo de carril que se ha explicado más arriba. Estos inconvenientes se pueden resumir en: El uso excesivo de condensadores de carril => mayor coste y mayor tamaño físico Dispositivos de mayor tensión nominal en términos de condensadores de carril y amplificadores MOSFET => mayor coste y mayor tamaño físico Rendimiento de audio inaceptable en los amplificadores de clase D no realimentados y degradación del rendimiento de audio en los amplificadores de clase D realimentados => valor del producto reducido Un diseño de compensación de tensión para un amplificador de clase D asimétrico se sugiere en el documento WO 2005/091497. Este circuito sufre varios inconvenientes que no se encuentran en la invención. Algunas de las desventajas son: 1. El circuito redistribuye la energía de bombeo en una operación de dos pasos. En el primer paso, la energía es almacenada en una inductancia para ser liberada en el segundo paso. 2. El circuito utiliza dos sistemas de control separados. 3. El circuito sólo limitará el bombeo del carril - no lo anula. 4. El circuito no ayudará a utilizar la capacidad de carril en ambos carriles. 5. El circuito se basa en una topología de transferencia inversa que es conocida por su deficiente eficiencia de conversión. Otra técnica de este tipo se conoce por medio del documento US 2003 / 122615 y de la nota de aplicación AN1042 de 1989 de Motorola Semiconductor titulada " Amplificadores de Audio de Conmutación de Alta Fidelidad Utilizando MOSFET de Potencia TMOS ", por el D. E. Pauly, XP002909168. Si el bombeo de carril debe ser cancelado con efectividad, una cantidad no insignificante de potencia tiene que ser reciclada entre los carriles. Por la ecuación (4) se puede calcular la potencia media en el caso peor que se tiene que convertir de un carril al otro: Introduciendo el índice de modulación máxima MMax, como la fracción de tensión de salida máxima con respecto a la tensión de carril, la relación entre la potencia media de bombeo y la potencia máxima de salida se puede encontrar como: 3 E07705648 03-11-2011   En una configuración estéreo de 2 x 125W en 4 ohm con tensiones de carril de + /- 40 V y un índice de modulación máxima de 0,85, la potencia media que se debe redistribuir en la situación del caso peor es de aproximadamente 81 W, lo cual representa el 32% de la potencia suministrada a la carga. Para beneficiarse de las ventajas del uso del amplificador de clase D asimétrico el problema de bombeo del carril debe ser abordado de una manera inteligente añadiendo la mínima complejidad y costo al sistema de conversión de potencia de audio. Objetos de la invención El objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de conversión de potencia de audio con: 1. Un rendimiento mejorado del sistema, mediante la eliminación o reducción del bombeo de alimentación, lo que mejora la calidad de la alimentación lo cual conduce a un mejor rendimiento de audio. 2. Una reducción de la complejidad, puesto que la invención permite todos los beneficios de la estructura asimétrica, sin la introducción de los problemas clásicos que surgen con el fenómenos de bombeo de carril. Además, en algunas realizaciones, la invención también proporcionará: 3. Eficiencia del sistema mejorada, por una combinación de reducir el bombeo de carril reduciendo así la relación de potencia de pico a promedio de la fuente de alimentación, y la estructura asimétrica del amplificador de clase D (solamente un semiconductor en el circuito de potencia). 4. Rendimiento EMI mejorado, puesto que la invención permite el uso de técnicas de conmutación por software (ZVS, ZVC) que tienen un impacto beneficioso sobre el ruido de alta frecuencia generado. Sumario de la invención Los objetos de la invención se alcanzan por medio de un sistema de conversión de potencia de audio que comprende una fuente de alimentación con un carril positivo de alimentación y un carril negativo de alimentación para suministrar energía a un amplificador de clase D asimétrico. El sistema comprende, además, un circuito de reducción de bomba de alimentación conectado a los carriles de alimentación, adaptado para redistribuir la carga de bombeo de la citada fuente de alimentación, forzando un flujo de corriente desde un carril con una tensión superior a un carril con una tensión menor, utilizando un transformador. El núcleo de la invención es el circuito de reducción de bomba de alimentación. El circuito funciona como un Espejo de Carril de Alimentación (SRM), que básicamente refleja la tensión del menor valor numérico al otro carril en un momento dado. En el caso de bombeo de carril, el circuito SRM reflejará los carriles de alimentación mediante la redistribución de la carga de bombeo, de tal manera que los carriles de alimentación se harán esencialmente iguales numéricamente. En la técnica anterior, el bombeo de carril se efectúa durante dos ciclos, en el que el primer ciclo sólo puede redistribuir la carga... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de conversión (3) de potencia de audio, que comprende: una fuente de alimentación (1) que tiene un carril positivo de alimentación (100) y un carril negativo de alimentación (200) para suministrar energía a un amplificador de clase D asimétrico (2), un circuito de reducción de bomba de alimentación (6) conectado a los carriles de alimentación (100, 200) y adaptado para redistribuir una carga de bombeo desde la citada fuente de alimentación, forzando un flujo de corriente desde un carril con una tensión superior a un carril con una tensión más baja, que se caracteriza porque el citado circuito de reducción de alimentación de la bomba comprende un transformador (14) de alta frecuencia que tiene unos devanados primero y segundo (12, 13, 21, 22) que se pueden conectar alternativamente durante unos ciclos primero y segundo a los citados carriles de alimentación positivo y negativo (100, 200), con el fin de provocar que una corriente emigre desde el carril con la máxima tensión al carril con la tensión más baja, mientras equilibran el citado transformador. 2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el circuito de reducción de bomba de alimentación comprende, además, un medio de conmutación para conectar, durante el citado primer ciclo, el citado primer devanado entre el citado carril positivo de alimentación y la tierra, y el citado segundo devanado entre el citado carril negativo de alimentación y la tierra, y, durante el citado segundo ciclo, el citado segundo devanado entre el citado carril positivo de alimentación y la tierra, y el citado primer devanado entre el citado carril negativo de alimentación y la tierra. 3. El sistema de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende, además, los condensadores (15, 16) conectados en paralelo a los citados devanados primero y segundo del transformador,. 4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el citado medio de conmutación incluye conmutadores controlados (8, 9, 10, 11). 5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende, además un sistema de control de conmutador para proporcionar dos trenes de impulsos con impulsos igualmente espaciados, no superpuesto, de igual longitud, para controlar los citados conmutadores controlados. 6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 5, en el que los impulsos de control son modulados en PWM. 7. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 - 6, en el que el citado medio de conmutación comprende, además, los conmutadores no controlados (24, 25, 26, 27). 8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el circuito de reducción de bomba de alimentación (6) comprende: un primer condensador (15) conectado entre un primer punto común (0) y un segundo punto común (100), un primer conmutador conectado entre el citado segundo punto común (100) y un primer terminal del primer devanado (12) del transformador, un segundo conmutador conectado entre el citado segundo punto común (100) y un segundo terminal del segundo devanado (13) del transformador, un segundo condensador (16) conectado entre el citado primer punto común (0) y un tercer punto común (200), un tercer conmutador (10) conectado entre el citado tercer punto común (200) y el citado primer terminal en el citado primer devanado del transformador (12), un cuarto conmutador (11) conectado entre el citado tercer punto común (200) y el citado segundo terminal en el citado segundo devanado (13) del transformador, y en el que un segundo terminal del citado primer devanado (12) del transformador y un primer terminal del citado segundo devanado (13) del transformador están conectados al citado primer punto común (0). 9. (figura 9) El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el citado circuito de reducción de bomba de alimentación (6) comprende, además: una primera inductancia de filtro de separación (17) conectada entre un primer punto común (100) y el carril positivo de alimentación y 9 E07705648 03-11-2011   una segunda inductancia de filtro de separación (18) conectada entre un segundo punto común (200) y el carril negativo de alimentación. 10. (figura 10) El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el circuito de reducción de bomba de alimentación (6) comprende: un primer condensador conectado entre un primer punto común (0) y un segundo punto común (100), un primer diodo (26) que tiene un cátodo conectado al citado segundo punto común (100) y un ánodo conectado a un primer terminal del citado primer devanado (21) del transformador, un segundo diodo (27) que tiene un cátodo conectado al citado segundo punto común (100) y un ánodo conectado a un segundo terminal de un segundo devanado (22) del transformador, un segundo condensador conectado entre el citado primer punto común (0) y un tercer punto común (200), un tercer diodo (24) que tiene un ánodo conectado al citado tercer punto común (200) y un cátodo conectado al citado segundo terminal del citado segundo devanado (22) del transformador, un cuarto diodo (25) que tiene un ánodo conectado al citado tercer punto común (200) y un cátodo conectado al citado primer terminal del citado primer devanado (21) del transformador, en el que un segundo terminal del citado primer devanado (21) del transformador y un primer terminal del citado segundo devanado (22) del transformador están conectados al citado primer punto común (0), un tercer condensador (28) conectado entre el citado segundo punto común (100) y un primer terminal del citado tercer devanado (23) del transformador, un cuarto condensador (29) conectado entre el citado primer terminal del citado tercer devanado del transformador y el citado tercer punto común (200), un primer conmutador (31) conectado entre el citado segundo punto común (100) y un segundo terminal del citado tercer (23) devanado del transformador, y un segundo conmutador (30) conectado entre el citado segundo terminal del citado tercer devanado del transformador y el citado tercer punto común (200). 11. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el citado circuito de reducción de bomba de alimentación (6) está integrado en la fuente de alimentación (7). 12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el citado transformador tiene unos devanados tercero y cuarto (34, 35),de transformador y en el que el citado circuito de reducción de bomba de alimentación (6) comprende, además: un quinto conmutador (36) que tiene un primer terminal conectado al citado tercer devanado (34) de transformado y un segundo terminal conectado a una fuente de alimentación (4), un sexto conmutador (37) que tiene un primer terminal conectado al citado cuarto devanado (35) de transformador y un segundo terminal conectado a la citada fuente de alimentación (4). 13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el citado transformador tiene un tercero devanado (38),de transformador y en el que el citado circuito de reducción de bomba de alimentación (6) comprende, además: un tercero condensador (39) conectado entre un primer terminal del citado tercer devanado (38) y una fuente de alimentación (4), un quinto conmutador (41) conectado entre un segundo terminal del citado tercer devanado (38) y la citada fuente de alimentación (4), un cuarto condensador (40) conectado entre el citado primer terminal del citado tercer devanado (38) y la citada fuente de alimentación (4), un sexto conmutador (42) conectado entre el citado segundo terminal del citado tercer devanado (38) y la citada fuente de alimentación (4). E07705648 03-11-2011   14. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el citado transformador tiene un tercer devanado (43) de transformador, y en el que el citado circuito de reducción de bomba de alimentación (6) comprende, además: un quinto conmutador (44) conectado entre un primer terminal del citado tercer devanado (38) y una fuente de alimentación (4), un sexto conmutador (46) conectado entre un segundo terminal del citado tercer devanado (38) y la citada fuente de alimentación (4), un séptimo conmutador (45) conectado entre el citado primer terminal del citado tercer devanado (38) y la citada fuente de alimentación (4), un octavo conmutador (47) conectado entre el citado segundo terminal del citado tercer devanado (38) y la citada fuente de alimentación (4). 15. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque los citados devanados de transformador están acoplados magnéticamente entre sí en un núcleo (14) de transformador de un material magnético. 11 E07705648 03-11-2011   12 E07705648 03-11-2011   13 E07705648 03-11-2011   14 E07705648 03-11-2011   E07705648 03-11-2011   16 E07705648 03-11-2011   17 E07705648 03-11-2011   18 E07705648 03-11-2011   19 E07705648 03-11-2011