一种电流功率放大器的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电流功率放大器。


背景技术：

2.电流功率放大器用于增加输入信号的电流功率，如图1所示，图1为一种电流功率放大器的例子，当功率管q1-1导通时，功率管q1-2关断时，电流功率放大器中的电流回路如图2中的(a)所示，电流功率放大器的负载电阻rl1往往很小，甚至是短路，因此电源功率主要通过功率管q2-1消耗掉。同理，如图2中的(b)所示，当功率管q1-2导通时，电源功率主要通过功率管q1-2消耗掉。
3.电流功率放大器一般要求具有一定的带载能力，即，当负载电阻rl为某一恒定值时，能够保证最大电流的输出。目前，为保证一定的带载能力，电流功率放大器中的功率管通常需要较高的电源供电电压，且功率管的耗散功率较高，需要庞大的散热系统来保证功率管不会因为高温而损坏，最终导致电流功率放大器的体积庞大、重量较重。
4.综上，为适应小型化、轻量化的趋势，对于较低的电源供电电压以及较低的最大输出电流的电流功率放大器具有一定需求。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是如何降低电流功率放大器的最大耗散功率。
6.根据第一方面，一种实施例中提供一种电流功率放大器，包括：
7.驱动信号提供模块，用于对输入信号进行调理和放大，得到放大后的信号，并将放大后的信号分为两路驱动信号，其中，一路驱动信号经过放大后产生上臂驱动信号，另一路驱动信号经过放大后产生下臂驱动信号；
8.电流功率放大模块，用于在所述上臂驱动信号和下臂驱动信号的作用下，输出电流功率放大信号；
9.电流采样模块，用于对所述电流功率放大信号进行电流采样，得到电流采样信号，并将电流采样信号分为一路电流反馈信号和一路电流输出信号；
10.电流反馈模块，用于对所述电流反馈信号进行放大，并将放大后的所述电流反馈信号反馈至所述驱动信号提供模块，以调整所述驱动信号提供模块输出的所述上臂驱动信号和下臂驱动信号；
11.输出滤波模块，用于对所述电流输出信号进行滤波后输出。
12.依据上述实施例的电流功率放大器，包括驱动信号提供模块、电流功率放大模块、电流采样模块、电流反馈模块和输出滤波模块，其中，驱动信号提供模块用于对输入信号进行调理和放大，输出上臂驱动信号和下臂驱动信号；电流功率放大模块用于在上臂驱动信号和下臂驱动信号的作用下，输出电流功率放大信号；电流采样模块用于对电流功率放大信号进行电流采样，输出电流反馈信号和电流输出信号；电流反馈模块用于对电流反馈信号进行放大，并将放大后的电流反馈信号反馈至驱动信号提供模块；输出滤波模块用于对
电流输出信号进行滤波后输出；由此，通过电流反馈模块对电流反馈信号进行放大后再反馈至驱动信号提供模块，使得电流功率放大模块无需输出较高电流值的电流功率放大信号，并且无需较高的供电电源电压，从而，显著减小了电流功率放大模块中的功率管的耗散功率；
13.另外，驱动信号提供模块和电流采样模块具有相同的参考地，使得电流采样模块采样的电流采样信号只与采样电阻靠近输出端有关，电流反馈模块中的反馈回路可近似认为是电压反馈，显著提升了电流功率放大器的输出精度。
附图说明
14.图1为现有电流功率放大器的结构示意图；
15.图2为现有电流功率放大器的工作原理示意图；
16.图3为一种实施例的电流功率放大器的结构示意图；
17.图4为一种实施例的驱动信号提供模块的电路示意图；
18.图5为一种实施例的电流功率放大器的部分电路示意图；
19.图6为一种实施例的电流反馈模块的电路示意图；
20.图7为现有电流反馈模块的电路示意图；
21.图8为另一种实施例的电流反馈模块的电路示意图。
具体实施方式
22.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
23.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
24.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
25.请参考图2，在基于微机继电保护的电流功率放大器的一个例子中，当负载电阻rl为0.5欧姆时，最大输出交流电流为30a时，电流功率放大器的功率消耗主要是在负载电阻rl上，但是要维持电源供电电压不低于21.2v，一般根据功率管特性，往往会留1-2v余量，即供电电源电压不低于
±
23v。但是当负载电阻rl为0欧姆时，即输出短路，功率又全部加在功率管上，其耗散功率高达450va，需要庞大的散热系统来保证功率器不会因为高温而损坏，因此基于微机继电保护的电流功率放大器具有体积庞大、重量较重的缺点。
26.基于上述问题，在本发明实施例中，首先，电流反馈模块不是直接将电流反馈信号通过电阻反馈到驱动信号提供模块，而是经过对电流反馈信号放大后反馈到驱动信号提供模块，使得等效采样电阻为电流反馈信号的放大系数与实际采样电阻的乘积，而电流功率放大器的输出电流的电流值为采样电阻两端的电压与电流的比值，这样，增大等效采样电阻的阻值，使得输出电流的电流值减小，从而降低了电流功率放大器的最大耗散功率；其次，驱动信号提供模块和电流采样模块具有相同的参考地，使得电流采样模块采样的电流采样信号只与采样电阻靠近输出端有关，电流反馈模块中的反馈回路可近似认为是电压反馈，显著提升了电流功率放大器的输出精度。
27.请参考图3，图3为一种实施例的电流功率放大器的结构示意图，电流功率放大器包括：驱动信号提供模块101、电流功率放大模块102、电流采样模块103、电流反馈模块104和输出滤波模块105。其中，驱动信号提供模块101的输入端用于接收输入信号，电流功率放大模块102的输入端与驱动信号提供模块101的输出端连接，电流采样模块103的输入端与电流功率放大模块102的输出端连接，电流采样模块103的输出端连接电流反馈模块104的输入端、输出滤波模块105的输入端。
28.驱动信号提供模块101用于对输入信号进行调理和放大，得到放大后的信号，并将放大后的信号分为两路驱动信号，其中，一路驱动信号经过放大后产生上臂驱动信号，另一路驱动信号经过放大后产生下臂驱动信号。本实施例中的输入信号可以为正弦波小信号或者其他组合波形小信号。由于输入信号为小信号且掺杂一些干扰信号，因此需先对输入信号进行调理和放大，以对输入信号进行干扰抑制，且使放大后的信号的电流值与输入信号的电流值具有一固定的比例关系。并且，本领域技术人员可知的，电路功率放大模块102中包括上臂功率管和下臂功率管，需要两路驱动信号分别进行驱动，本实施例提供的驱动信号提供模块101将放大后的信号分为两路驱动信号，一路产生的上臂驱动信号，用于提供上臂功率管的驱动电压和偏置电压，另一路产生的下臂驱动信号，用于提供下臂功率管的驱动电压和偏置电压。
29.电流功率放大模块102用于在上臂驱动信号和下臂驱动信号的作用下，输出电流功率放大信号。电流功率放大模块102包括上臂功率管和下臂功率管，分别通过上臂驱动信号和下臂驱动信号驱动其导通或关断，通过上臂功率管和下臂功率管的交替导通，实现输出恒定电流值的电流功率放大信号。
30.电流采样模块103用于对电流功率放大信号进行电流采样，得到电流采样信号，并将电流采样信号分为一路电流反馈信号和一路电流输出信号。电流采样模块103对电流功率放大模块102输出的电流功率放大信号进行电流采样后，得到电流采样信号，电流采样信号分为两路，一路作为电流反馈信号，另一路作为电流输出信号。本实施例可通过采样电阻进行电流采样。
31.电流反馈模块104用于对电流反馈信号进行放大，并将放大后的电流反馈信号反馈至驱动信号提供模块101，以调整驱动信号提供模块输出的上臂驱动信号和下臂驱动信号。
32.输出滤波模块105用于对电流输出信号进行滤波后输出。
33.需要说明的是，驱动信号提供模块101、电流采样模块103和电流反馈模块104均具有第一参考地(gndr)；电流功率放大模块102和输出滤波模块105均具有第二参考地
(gnda)。
34.下面对上述各个功能模块进行详细说明。
35.请参考图4，驱动信号提供模块101包括：输入信号调理单元1011和信号放大及偏置单元1012。
36.输入信号调理单元1011用于对输入信号进行差分放大和反相比例放大，得到调理后的信号，调理后的信号的电流幅度与输入信号的电流幅度具有预设的比例关系。
37.信号放大及偏置单元1012用于对调理后的信号进行放大，得到放大后的信号，并将放大后的信号分为两路驱动信号，其中，一路驱动信号经过固定电压值放大后产生上臂驱动信号，另一路驱动信号经过固定电压值放大后产生下臂驱动信号。
38.在一个实施例中，输入信号调理单元1011包括：差分放大电路和反相比例放大电路。
39.差分放大电路包括：运算放大器u1a、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4，运算放大器u1a的同相输入端通过电阻r1接收输入信号cr_sig，运算放大器u1的同相输入端还通过电阻r3连接第一参考地gndr，运算放大器u1a的反相输入端通过电阻r2连接第二参考地gnda，运算放大器u1a的反相输入端还通过电阻r4连接运算放大器u1a的输出端。运算放大器u1a、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4构成了差分放大电路的结构，能够对输入信号cr_sig进行差分放大，从而对输入信号cr_sig的差模信号进行放大，共模信号进行抵消。从差分放大电路的结构可以看到，运算放大器u1a的参考地为第一参考地gndr，运算放大器u1a的为第二参考地gnda，两者并不是一个地，本实施例中的信号输入参考地(第二参考地gnda)可以当作信号输入端。
40.反相比例放大电路包括：运算放大器u1b、电阻r5、电阻r6、电阻r7和电容c1，运算放大器u1b的反相输入端通过电阻r5连接所述差分放大器u1a的输出端，运算放大器u1b的反相输入端通过电阻r6连接运算放大器u1b的输出端，电容c1并联在电阻r6的两端，运算放大器u1b的同相输入端通过电阻r7连接第一参考地gndr，运算放大器u1b的输出端用于输出调理后的信号。运算放大器u1b及电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c1构成了反相比例放大器，并且，电容c1可以对输入至运算放大器u1b的信号进行低通滤波，这样，对差分放大电路输出的信号再次进行反相比例放大，可以调整运算放大器u1b输出的调理后的信号与输入信号之间的比例，以使最终输出的电流信号与输入信号cr_sig之间具有固定的比例关系。
41.本领域技术人员可以预见的，运算放大器u1a和运算放大器u1b可以为两个独立的运算放大器器件，还可以为同一个封装内包含两个相同功能的运算放大器功能模块。
42.在一个实施例中，信号放大及偏置单元1012包括：信号放大电路、上臂偏置电路和下臂偏置电路。
43.信号放大电路包括：运算放大器u2b、电位器vr1、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r15、电容c2和电容c4，所述运算放大器u2b的反相输入端通过电阻r8接收所述调理后的信号，运算放大器u2b的反相输入端还通过电容c4连接运算放大器u2b的输出端，运算放大器u2b的同相输入端经过电阻r9连接电位器vr1的滑动触点引出端，电位器vr1的一端连接第一电压提供端ref_p6v，电位器vr1的另一端连接第二电压提供端ref_n6v，运算放大器u2b的同相输入端还通过电阻r10连接第一参考地gndr，电容c2并联在电阻r10的两端，运算放大器u2b的输出端通过电阻r15输出放大后的信号。其中，电位器vr1是用于调整最终输出的
电流输出信号的零偏，电容c4能够滤除高频干扰信号。其中，运算放大器u2b的输出端输出的信号经电阻r15分为两路，分别用于驱动上臂偏置电路和下臂偏置电路。
44.上臂偏置电路包括：运算放大器u3a、电阻r16、电阻r18、电阻r20、电阻r21、电容c5和电容c7，运算放大器u3a的反相输入端通过电阻r16接收所述放大后的信号，运算放大器u3a的反相输入端还通过电阻r18连接运算放大器u3a的输出端，电容c5并联在电阻r18的两端，运算放大器u3a的同相输入端通过电阻r20连接第一电压提供端ref_p6v，运算放大器u3a的同相输入端还通过电阻r21连接第一参考地gndr，电容c7并联在电阻r21的两端，运算放大器u3a的输出端用于输出上臂驱动信号。上臂偏置电路为电流功率放大模块102中的上臂功率管的驱动和偏置电路，其中，运算放大器u3a的同相输入端连接有电阻r20、电阻r21以及电容c7构成的分压网络，该分压网络供电为 6v(ref_p6v)参考电压，即运算放大器u3a的同相输入端为由ref_p6v分压得到的一固定参考电压，使得上臂驱动信号的幅值在驱动信号的基础上增加一固定值，避开了上臂功率管的开关导通电压，以使电流功率放大模块102输出的电路功率放大信号的波形连续。
45.下臂偏置电路包括：运算放大器u3b、电阻r17、电阻r19、电阻r22、电阻r23、电容c6和电容c8，运算放大器u3b的反相输入端通过电阻r17接收所述放大后的信号，运算放大器u3b的反相输入端还通过电阻r19连接运算放大器u3b的输出端，电容c6并联在电阻r19的两端，运算放大器u3b的同相输入端通过电阻r22连接第一电压提供端ref_p6v，运算放大器u3b的同相输入端还通过电阻r23连接第一参考地gndr，电容c8并联在电阻r23的两端，运算放大器u3b的输出端用于输出下臂驱动信号。下臂偏置电路为电流功率放大模块102中的下臂功率管的驱动和偏置电路，其工作原理与上臂偏置电路同理，此处不再赘述。
46.请参考图5，在一个实施例中，电流功率放大模块102包括：上臂功率放大单元1021和下臂功率放大单元1022。
47.上臂功率放大单元1021用于在上臂驱动信号的作用下，输出上臂电流功率放大信号。
48.下臂功率放大单元1022用于在下臂驱动信号的作用下，输出下臂电流功率放大信号。
49.其中，电流功率放大信号包括上臂电流功率放大信号和下臂电流功率放大信号。
50.上臂功率放大单元1021和下臂功率放大单元1022包括功率管q1、功率管q2、电阻有r24、电阻r25、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电阻r30和电阻r31，其中，功率管q1为n沟通的mosfet，功率管q2为p沟通的mosfet，电阻r24和电阻r25分别连接功率管q1和功率管q2的栅极，用于驱动限流，功率管q1的漏级连接功放正电源 6v_p；功率管q1的源级与功率管q2的源级相连，功率管q2的漏级连接功放负电源-6v_p，需要说明的是，本实施例中的功放电源的参考地为第二参考地gnda。功率管q1和功率管q2的源级连接后作为电流功率放大模块102的输出端。电阻r26、电阻r27、电阻r30组成功率管q1的泄放电阻，由于mosfet的制造工艺的问题，其结电容往往要比三极管大，因此通过额外的泄放电阻为结电容放电提供回路，从而提高mosfet的工作速度。同样的，电阻r28、电阻r29、电阻r31为功率管q2的泄放电阻。
51.电流采样模块103包括：采样电阻rs；采样电阻rs的一端用于获取电流功率放大信号，采样电阻rs的另一端用于输出一路电流反馈信号和一路电流输出信号。并且，本实施例
中采样电阻rs用于获取电流功率放大信号的一端还连接有第一参考地gndr，采样电阻rs用于输出一路电流反馈信号和一路电流输出信号的一端连接电流反馈模块104和输出滤波模块105。
52.本实施例所采用的采样电阻rs为4线高精密分流采样电阻，这里选用的电阻值为0.02欧姆，本领域技术人员可以预见的是，采样电阻rs的阻值也不仅限于0.02欧姆的电阻。
53.请参考图6，图6示出了本发明实施例提供的电流反馈模块104的电路结构图，电流反馈模块104包括：运算放大单元。运算放大单元用于对电流反馈信号进行比例放大，得到放大后的电流反馈信号。
54.运算放大单元包括：运算放大器u2a、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻14和电容c3，运算放大器u2a的同相输入端通过电阻r12接收电流反馈信号curr_sens，运算放大器u2a的反相输入端通过电阻r11连接第一参考地gndr，运算放大器u2a的反相输入端通过电阻r13连接运算放大器u2a的输出端，电阻c3并联在电阻r13的两端；运算放大器u2a的输出端通过电阻r14连接运算放大器u2b的反相输入端，运算放大器u2a的输出端通过电阻r14输出放大后的电流反馈信号curr_a。在本实施例中，通过采样电阻rs分流过来的电流反馈信号经电阻r12连接到运算放大器u2a的同相输入端，运算放大器u2a的反相输入端端经电阻r11接第一参考地gndr，该第一参考地gndr可视为采样电阻rs连接第一参考地gndr的一端；运算放大器u2a的输出端经并联的电阻r13和电容c3连接到反相输入端。该运算放大单元的电路可视为电流反馈信号的i/v变换电路。
55.在一个实施例中，输出滤波模块105包括：电感l1、电阻r32和电容c9，电感l1的一端接到采样电阻rs输出端，另一端接到电流功率放大器的输出端；电阻r32的一端与通过电容c9连接第二参考地gnda，电阻r32的另一端连接电流功率放大器的输出端。
56.请参考图7，图7示出了电流反馈模块的一个例子，需要说明的是，为了更好地阐述现有的电流反馈模块的工作原理，图7所示的电路结构中含有电流功率放大器的电路结构，该电流功率放大器为现有的电流功率放大器简化后的电路结构，其包括电阻r2-1、电阻r2-2、电阻r2-3、电阻r2-4、运算放大器a2-1、功率管q2-1、功率管q2-2、电阻rs2和负载电阻rl2，本实施例对该现有的电流反馈模块进行分析发现，在该电流反馈模块中，通常电阻r2-1＝r2-2＝r2-3＝r2-4，则负载电阻rl2上的电流il＝vs/rs2，其中vs为输入信号的电压，但此类差分平衡式反馈要求电阻r2-1至r2-4具有很高的精度才能保证输出精度，因此，该现有的电流反馈模块易因电阻r2-1至r2-4不平衡造成带负载时输出电流变化。
57.请参考图8，图8示出了本实施例的电流反馈模块104的模型示意图，需要说明的是，图8所示出的电流功率放大器的电路结构为本发明实施例提供的电流功率放大器的简化电路结构，其包括：电阻r3-1、电阻r3-2、电阻r3-3、电阻r3-4、电阻r3-5、电阻r3-6、电阻r3-7、采样电阻rs3、负载电阻rl3、运算放大器a3-1、运算放大器a3-2和电位器vr3。由于电阻r3-3连接的第一参考地gndr与采样电阻rs3连接的第一参考地gndr为同一参考地，即，电阻r3-3连接第一参考地gndr的一端可等效于与采样电阻rs3连接第一参考地gndr的一端连接(虚线连接)，本领域技术人员可以看出，图8所示的电流反馈模块104与现有的电流反馈模块的电路结构有些近似，但仍存在以下两个不同点及不同点所带来的技术效果。
58.第一，采样电阻rs3输出电流反馈信号的一端不是直接经电阻r3-2接到驱动运算放大器a3-2的同相输入端，而是经过运算放大器a3-2比例放大后再经电阻r3-2接到驱动运
算放大器a3-1的同相输入端。因此采样电流信号是放大后反馈到驱动端的，等效采样电阻变为了a3-2放大倍数与rs3的乘积，不再是rs3。
59.第二，运算放大器a3-1的第一参考地gndr不同于第二参考地gnda，而是单独供电的浮地gndr。因此电流信号输出只与采样电阻rs3靠近其输出信号的一端有关，电流反馈模块104可近似认为是电压反馈，因此精度大大提高。
60.需要说明的是，本发明实施例中的电流功率放大模块102的供电电源电压并不仅限于
±
6v，根据电路中器件参数的调整，其供电电源电压有多种可能。
61.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。