本发明涉及音频放大器，具体是d类音频放大器的功率管驱动器。
背景技术：
近十年来，d类放大器以其固有的效率优势，逐渐取代传统的ab类放大器，被越来越广泛地应用于音频领域，比如手机，平板电脑等便携设备，而最近几年则更是开始进入汽车应用。
d类放大器作为一种开关型放大器，在实现高效率的同时也存在辐射干扰较大的问题，在实现高线性度及鲁棒性方面也比传统的ab类放大器存在更多的挑战。
功率管驱动器作为d类放大器的核心模块，它的设计结构决定了d类放大器的辐射干扰度，效率，线性度及鲁棒性。以往的设计结构使用固定栅极充电速度以及使用rc延时产生固定死区时间的方法，无法很好地协调这四方面的特性，一个方面的改善往往要牺牲另一方面甚至几方面的特性。具体来说：
1、强调低的辐射干扰度就会牺牲效率和线性度。
2、强调高线性度就会牺牲辐射干扰度和鲁棒性。
现有常见的d类音频放大器的功率管驱动器，其电路原理如图1所示。包括基于rc延时的死区时间产生电路10、高侧固定充/放电速度栅极驱动电路2、低侧固定充/放电速度栅极驱动电路3、高侧功率管q1和低侧功率管q2。基于rc延时的死区时间产生电路10的输入端连接输入方波信号，输出端分别连接高侧固定充/放电栅极驱动电路2和低侧固定充/放电栅极驱动电路3的输入端；高侧固定充/放电栅极驱动电路2和低侧固定充/放电栅极驱动电路3的输出端分别对应连接高侧功率管q1的栅极和低侧功率管q2的栅极；高侧功率管q1的漏极连接电源，低侧功率管q2的源极接地，高侧功率管q1的源极与低侧功率管q2的漏极连接在一起形成输出节点。
此驱动电路包括6个信号节点，即，输入信号a、高侧功率管非交叠栅极控制信号b、低侧功率管非交叠栅极控制信号c、高侧功率管栅极d、低侧功率管栅极e和输出信号f。
此驱动电路中各信号节点的工作波形如图2所示，具体说明如下：
1、输入信号a：输入信号a为脉宽调制(pwm)方波信号。图2中该信号起始为低电平，而后经过两次切换。
2、高侧功率管非交叠栅极控制信号b：高侧功率管非交叠栅极控制信号b为输入脉宽调制(pwm)方波信号经过基于rc延时的死区时间产生电路10后的输出信号，它与输入脉宽调制(pwm)方波信号有相同的电平方向，但是第一次切换的时间点比输入脉宽调制(pwm)方波信号延迟了一个固定rc延时时间。
3、低侧功率管非交叠栅极控制信号c：低侧功率管非交叠栅极控制信号c也为输入脉宽调制(pwm)方波信号经过基于rc延时的死区时间产生电路10后的输出信号，它与输入脉宽调制(pwm)方波信号有相反的电平方向，并且第二次切换的时间点比输入脉宽调制(pwm)方波信号延迟了一个固定rc延时时间。
rc时间的设计被用来保证高侧功率管q1与低侧功率管q2不会同时导通。由于无法准确估计需要的延时，rc时间在设计时需要加上可观的安全裕量来保证鲁棒性。放大器的线性度会因此受到损害。
4、高侧功率管栅极d在高侧功率管非交叠栅极控制信号b变化后开始变化(充电或放电)。高侧功率管栅极d在充/放电的各个阶段(除了输出在变化时外)具有一致不变的斜率。在输出变化时，充放电强度实际并没有变化，栅极电压停滞只是由于输出变化产生的米勒效应拖累。
5、低侧功率管栅极e在低侧功率管非交叠栅极控制信号c变化后开始变化(充电或放电)。低侧功率管栅极e在充/放电的各个阶段具有一致不变的斜率。
6、输出信号f在高侧功率管栅极d达到阈值附近时开始变化。输出变化斜率由功率管栅极充/放电强度决定。输出变化斜率决定了辐射干扰度，因而需要减小功率管栅极充/放电强度来满足设计要求。由于以住设计采用一致不变的充/放电强度，减小充/放电强度会拖慢整个充/放电过程，从而造成效率与线性度的大幅下降。而实际上决定输出变化斜率的只有当栅极电压处于阈值附近时的充/放强度，其它部分的充/放强度的同时变小并不会给辐射干扰度带来好处。
图2给出的是输出电流从高侧功率管q1流出的情况。而在另一种情况下，输出电流也可能从低侧功率管q2流出，当输出电流由低侧功率管q2流出时，输出的变化将对应低侧功率管栅极阈值，米勒效率也将表现在低侧功率管栅极电压上。
随着电子系统的复杂度越来越高，对辐射干扰度要求的提高，以往的功率管驱动器设计已经无法胜任。为了达到辐射干扰度的要求，以往设计对另外几个特性过多的牺牲已经无法被接受。需要新的设计来实现应用环境越来越严苛的要求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种d类音频放大器的功率管驱动器，其可使得d类音频放大器的辐射干扰度，效率，线性度及鲁棒性四方面的特性更容易平衡。即在降低d类音频放大器的辐射干扰度的同时又实现高效率，线性度及鲁棒性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低辐射干扰，高效率，线性度高，鲁棒性的d类音频放大器的功率管驱动器，包括高侧固定充/放电速度栅极驱动电路、低侧固定充/放电速度栅极驱动电路、高侧功率管和低侧功率管；还包括基于栅极电压检测的死区时间产生电路、高侧栅极充/放电加速电路、低侧栅极充/放电加速电路、高侧栅极电压检测电路和低侧栅极电压检测电路；其中，
基于栅极电压检测的死区时间产生电路的输入端连接输入方波信号，输出端分别连接高侧固定充/放电速度栅极驱动电路、高侧栅极充/放电加速电路、低侧固定充/放电速度栅极驱动电路和低侧栅极充/放电加速电路的输入端；高侧固定充/放电速度栅极驱动电路和高侧栅极充/放电加速电路的输出端共同连接至高侧功率管的栅极，低侧固定充/放电速度栅极驱动电路和低侧栅极充/放电加速电路的输出端共同连接至低侧功率管的栅极；高侧功率管的漏极连接电源，低侧功率管的源极接地，高侧功率管的源极与低侧功率管的漏极连接在一起形成输出节点；
高侧栅极电压检测电路的输入端连接高侧功率管的栅极，输出端分别连接至基于栅极电压检测的死区时间产生电路的反馈输入端和高侧栅极充/放电加速电路的反馈输入端，高侧栅极充/放电加速电路的输出端连接高侧功率管的栅极；
低侧栅极电压检测电路的输入端连接低侧功率管的栅极，输出端分别连接至基于栅极电压检测的死区时间产生电路的反馈输入端和低侧栅极充/放电加速电路的反馈输入端，低侧栅极充/放电加速电路的输出端连接低侧功率管的栅极。
所述高侧栅极电压检测电路和所述低侧栅极电压检测电路结构相同，均包括比较器一和比较器二，所述比较器一和所述比较器二为相同的两个比较器，所述比较器一和所述比较器二相应的一个输入端均共同连接至所述高侧功率管或所述低侧功率管的栅极，所述比较器一和所述比较器二相应的另一个输入端分别连接栅极检测电平一和栅极检测电平二；所述栅极检测电平二的电压值与所述高侧功率管或所述低侧功率管的开启阈值电压相同，所述栅极检测电平一的电压值高于所述栅极检测电平二的电压值；所述比较器一的输出为栅极检测输出一，所述比较器二的输出为栅极检测输出二。
所述高侧栅极充/放电加速电路和低侧栅极充/放电加速电路结构相同，均包括第一非门、或门、与非门、第二非门、或非门、栅极充电加速管和栅极放电加速管，所述第一非门的输入端连接所述栅极检测输出二，所述第一非门的输出端连接所述或门的一个输入端，所述或门的另一个输入端连接所述栅极检测输出一，所述或门的输出端分别连接至所述与非门的一个输入端和所述第二非门的输入端，所述第二非门的输出端连接至所述或非门的一个输入端，所述基于栅极电压检测的死区时间产生电路的相应输出端分别连接至所述与非门的另一个输入端和所述或非门的另一个输入端，所述与非门的输出端连接于所述栅极充电加速管的栅极，所述栅极充电加速管的漏极接电源，所述或非门的输出端连接所述栅极放电加速管的栅极，所述栅极放电加速管的源极接地，所述栅极充电加速管的源极与所述栅极放电加速管的漏极共同连接至所述高侧功率管或所述低侧功率管的栅极。
采用上述方案后，本发明的d类音频放大器的功率管驱动器，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明设计新的“检测-分段充/放电速度”的栅极充/放电（充电为功率管开启，放电为功率管关断）速度控制方式。即在功率管充/放电的不同阶段，给予不同的充放电速度。在不影响辐射干扰度的充/放电阶段，给予快速充/放电，从而保证高的效率与线性度。而在对辐射干扰度有影响的充/放电阶段（即功率管的阈值电压附近），给予慢速充/放电，从而降低辐射干扰度。而以往的固定栅极充电速度的方式，如果要降低辐射干扰度，就需要拖慢整个充/放电过程，从而造成效率与线性度的大幅下降。
2、本发明设计新的“检测-交叉反馈”死区时间控制方式。即在发生功率管开关交换动作时，先检测需要关闭的那一侧的功率管栅极电压，确保其低于阈值电压，即确保其已经关闭后，再打开另一侧的功率管。这样既保证了高低侧两个功率管不会同时导通（即保证了鲁棒性），又不会产生额外的死区时间，使得线性度不会受到损害。而以往的rc延时产生固定死区时间的方式，由于没有检测与反馈的结构，无法准确知道需要的栅极放电时间，因而设计时往往是在预测的栅极放电时间基础上加上一个安全裕量来保证鲁棒性。安全裕量的存在会损害放大器的线性度。新的设计由于检测到准确的栅极放电完成信号，完全不需要安全裕量。在提高线性度的同时保证了鲁棒性。
附图说明
图1为现有的d类音频放大器的功率管驱动器的电路原理框图；
图2为图1中各信号节点的工作波形图；
图3为本发明的d类音频放大器的功率管驱动器的电路原理框图；
图4为图3中各信号节点的工作波形图；
图5为本发明中高侧栅极电压检测电路的电路原理框图；
图6为图5中各信号节点的工作波形图；
图7为本发明中高侧栅极/充放电加速电路的电路原理框图；
图8为图7中各信号节点的工作波形图。
具体实施方式
本发明一种低辐射干扰，高效率，线性度高，鲁棒性的d类音频放大器的功率管驱动器，如图3所示，包括基于栅极电压检测的死区时间产生电路1、高侧固定充/放电速度栅极驱动电路2、低侧固定充/放电速度栅极驱动电路3、高侧栅极充/放电加速电路4、高侧栅极电压检测电路5、低侧栅极充/放电加速电路6、低侧栅极电压检测电路7、高侧功率管q1和低侧功率管q2。
基于栅极电压检测的死区时间产生电路1的输入端连接输入方波信号，输出端分别连接高侧固定充/放电速度栅极驱动电路2、高侧栅极充/放电加速电路4、低侧固定充/放电速度栅极驱动电路3和低侧栅极充/放电加速电路6的输入端；高侧固定充/放电速度栅极驱动电路2和高侧栅极充/放电加速电路4的输出端共同连接至高侧功率管q1的栅极，低侧固定充/放电速度栅极驱动电路3和低侧栅极充/放电加速电路6的输出端共同连接至低侧功率管q2的栅极；高侧功率管q1的漏极连接电源，低侧功率管q2的源极接地，高侧功率管q1的源极与低侧功率管q2的漏极连接在一起形成输出节点。
高侧栅极电压检测电路5的输入端连接高侧功率管q1的栅极，输出端分别连接至基于栅极电压检测的死区时间产生电路1的反馈输入端和高侧栅极充/放电加速电路4的反馈输入端，高侧栅极充/放电加速电路4的输出端连接高侧功率管q1的栅极。
低侧栅极电压检测电路7的输入端连接低侧功率管q2的栅极，输出端分别连接至基于栅极电压检测的死区时间产生电路1的反馈输入端和低侧栅极充/放电加速电路6的反馈输入端，低侧栅极充/放电加速电路6的输出端连接低侧功率管q2的栅极。
本发明的d类音频放大器的功率管驱动器包括8个信号节点，即，输入信号a、高侧功率管非交叠栅极控制信号b、低侧功率管非交叠栅极控制信号c、高侧功率管栅极d、低侧功率管栅极e、输出信号f、高侧功率管栅极检测输出信号g和低侧功率管栅极检测输出信号h。
本发明中，各信号节点a-h的工作波形如图4所示，具体说明如下：
1、输入信号a：输入信号a为脉宽调制(pwm)方波信号。图4中该信号起始为低电平，而后经过两次切换。
2、高侧功率管非交叠栅极控制信号b：高侧功率管非交叠栅极控制信号b为输入脉宽调制(pwm)方波信号经过基于栅极电压检测的死区时间产生电路1后的输出信号，它与输入脉宽调制(pwm)方波信号有相同的电平方向，但是第一次切换的时间需要待到低侧功率管q2的栅极电压低于低侧功率管栅极检测电平二时，即低侧功率管q2关断时。
3、低侧功率管非交叠栅极控制信号c：低侧功率管非交叠栅极控制信号c也为输入脉宽调制(pwm)方波信号经过基于栅极电压检测的死区时间产生电路1后的输出信号，它与输入脉宽调制(pwm)方波信号有相反的电平方向，并且第二次切换的时间需要待到高侧功率管q1的栅极电压低于高侧功率管栅极检测电平二时，即高侧功率管q1关断时。
栅极电压检测的设计被用来保证高侧功率管q1与低侧功率管q2不会同时导通，当检测到某一侧的栅极电压已经低于该侧的功率管栅极检测电平二时，表示该侧功率管已经完全关断。由于采用实时检测的方法，本发明不必加上安全裕量便可以保证鲁棒性。放大器的线性度不会因为满足鲁棒性的需求而受到损害。
4、高侧功率管栅极d在高侧功率管非交叠栅极控制信号b变化后开始变化(充电或放电)。当高侧功率管栅极d低于高侧功率管栅极检测电平二或高于高侧功率管栅极检测电平一时，高侧功率管栅极d充/放电的速度很快。而当高侧功率管栅极d高于高侧功率管栅极检测电平二且低于高侧功率管栅极检测电平一时，高侧功率管栅极d充/放电的速度放慢。在输出变化时，充放电强度实际并没有变化，栅极电压停滞只是由于输出变化产生的米勒效应拖累。
5、低侧功率管栅极e在低侧功率管非交叠栅极控制信号c变化后开始变化(充电或放电)。当低侧功率管栅极e低于低侧功率管栅极检测电平二或高于低侧功率管栅极检测电平一时，低侧功率管栅极e充/放电的速度很快。而当低侧功率管栅极e高于低侧功率管栅极检测电平二且低于低侧功率管栅极检测电平一时，低侧功率管栅极e充/放电的速度放慢。
6、高侧功率管栅极检测输出信号g是高侧栅极电压检测电路5的输出信号。它反映了高侧功率管栅极d的电压阶段，当高侧功率管栅极d低于高侧功率管栅极检测电平二或高于高侧功率管栅极检测电平一时该信号g为高电平，而当高侧功率管栅极d高于高侧功率管栅极检测电平二且低于高侧功率管栅极检测电平一时，该信号g为低电平。
7、低侧功率管栅极检测输出信号h是低侧栅极电压检测电路7的输出信号。它反映了低侧功率管栅极的电压阶段，当低侧功率管栅极低于功率管栅极检测电平2或高于功率管栅极检测电平1时该信号为高电平，而当低侧功率管栅极高于功率管栅极检测电平2且低于功率管栅极检测电平1时，该信号为低电平。
8、输出信号f在高侧功率管栅极d或低侧功率管栅极e达到阈值附近时开始变化。输出变化斜率由高侧功率管栅极d或低侧功率管栅极e在处于阈值附近时的充/放电强度决定。输出变化斜率决定了辐射干扰度，因而我们会减小高侧功率管栅极d或低侧功率管栅极e在处于阈值附近时的充/放电强度来满足设计要求。由于本发明采用了分段控制的充/放电强度，不处于阈值附近时(即不影响辐射干扰度的阶段)，充/放电速度依旧很快，只减小栅极在处于阈值附近时的充/放电强度并不会拖慢整个充/放电过程，从而保证效率与线性度不会受到不必要的影响。
图4给出的是输出电流从高侧功率管q1流出的情况。而在另一种情况下，输出电流也可能从低侧功率管q2流出，，当输出电流由低侧功率管q2流出时，输出的变化将对应低侧功率管栅极阈值，米勒效率也将表现在低侧功率管栅极电压上。
本发明中，高侧栅极电压检测电路5和低侧栅极电压检测电路7的电路结构及工作原理均相同。本实施例中以高侧栅极电压检测电路5为例，高侧栅极电压检测电路5的电路原理框图如图5所示，图5中各信号节点的工作波形如图6所示。
如图5所示，高侧栅极电压检测电路5包括比较器一和比较器二，所述比较器一和所述比较器二为相同的两个比较器，所述比较器一和所述比较器二的同相输入端均共同连接至高侧功率管栅极d，所述比较器一和所述比较器二的反相输入端分别连接高侧功率管栅极检测电平一和高侧功率管栅极检测电平二；所述比较器一的输出为高侧功率管栅极检测输出一g1，所述比较器二的输出为高侧功率管栅极检测输出二g2，高侧功率管栅极检测输出一g1和高侧功率管栅极检测输出二g2分别对应高侧功率管栅极d与高侧功率管栅极检测电平一和高侧功率管栅极检测电平二比较的结果。
高侧功率管栅极检测电平一和高侧功率管栅极检测电平二为两个不同的电压基准。所述高侧功率管栅极检测电平二的电压值与高侧功率管q1的开启阈值电压相同，它用于判断功率管是否开始打开；所述高侧功率管栅极检测电平一的电压值高于所述高侧功率管栅极检测电平二的电压值，它用于判断高侧功率管q1是否充分打开。
当高侧功率管q1的栅极电压低于所述高侧功率管栅极检测电平二时，高侧功率管栅极检测输出二g2为逻辑低，它表示高侧功率管q1尚未到达开启阈值，可以使用快的充/放电速度；如果在高侧功率管q1关闭的边沿，它表示高侧功率管q1低于开启阈值，已经完全关闭，可以充许低侧功率管q2开启。当高侧功率管q1的栅极电压高于所述高侧功率管栅极检测电平二时，高侧功率管栅极检测输出二g2为逻辑高，它表示高侧功率管q1开始开启。
当高侧功率管q1的栅极电压低于所述高侧功率管栅极检测电平一时，高侧功率管栅极检测输出一g1为逻辑低。如果此时高侧功率管栅极检测输出二g2为逻辑高，则表示高侧功率管q1正在开启但还未完全开启，应使用慢的充/放电速度。当高侧功率管q1的栅极电压高于所述高侧功率管栅极检测电平一时，高侧功率管栅极检测输出一g1为逻辑高，它表示高侧功率管q1已经完全开启，可以使用快的充/放电速度。
如图5所示，所述高侧功率管栅极检测电平一可通过大电流的直流电流源配合与高侧功率管q1匹配的mos管来实现；所述高侧功率管栅极检测电平二可通过小电流直流电流源配合与高侧功率管q1匹配的mos管来实现。
本发明中，高侧栅极充/放电加速电路4和低侧栅极充/放电加速电路的电路6的结构及工作原理均相同。本实施例中以高侧栅极充/放电加速电路4为例，高侧栅极充/放电加速电路4的电路原理框图如图7所示，图7中各信号节点的工作波形如图8所示。
如图7所示，高侧栅极充/放电加速电路4包括第一非门d1、或门d2、与非门d3、第二非门g4、或非门d5、栅极充电加速管q3和栅极放电加速管q4，第一非门d1的输入端连接高侧功率管栅极检测输出二g2，所述第一非门d1的输出端连接所述或门d2的一个输入端，所述或门d2的另一个输入端连接所述高侧功率管栅极检测输出一g1，所述或门d2的输出端分别连接至所述与非门d3的一个输入端和所述第二非门d4的输入端，所述第二非门d4的输出端连接至所述或非门d5的一个输入端，高侧功率管非交叠栅极控制信号b分别连接至所述与非门d3的另一个输入端和所述或非门d5的另一个输入端，所述与非门d3的输出端连接于所述栅极充电加速管q3的栅极，所述栅极充电加速管q3的漏极接电源，所述或非门d5的输出端连接所述栅极放电加速管q4的栅极，所述栅极放电加速管q4的源极接地，所述栅极充电加速管q3的源极与所述栅极放电加速管q4的漏极共同连接至高侧功率管栅极d。
如图8所示，当高侧功率管非交叠栅极控制信号b为高电平时，高侧功率管q1进入充电阶段，在充电阶段，如果高侧功率管栅极检测输出二g2为低电平，表示高侧功率管q1未开启，可以使用加速管加速，此时栅极充电加速管q3的控制信号表现为一个窄的低电平脉冲，栅极充电加速管q3短暂开启。当高侧功率管栅极检测输出二g2为高电平且高侧功率管栅极检测输出一g1为低电平时，表示高侧功率管q1开始开启过程，不应使用加速，此时栅极充电加速管q3的控制信号变高电平，栅极充电加速管q3关断。当高侧功率管栅极检测输出一g1为高电平时，表示高侧功率管q1已经完全开启，可以使用加速管加速，此时栅极充电加速管q3的控制信号再次变低电平，直至高侧功率管非交叠栅极控制信号b变低电平。
当高侧功率管非交叠栅极控制信号b为低电平时，高侧功率管q1进入放电阶段，在放电阶段，如果高侧功率管栅极检测输出一g1为高电平，表示高侧功率管q1处于完全开启，可以使用加速管加速，此时栅极放电加速管q4的控制信号表现为一个窄的高电平脉冲。当高侧功率管栅极检测输出二g2为高电平且高侧功率管栅极检测输出一g1为低电平时，表示高侧功率管q1开始关断过程，不应使用加速，此时栅极放电加速管q4的控制信号变低电平，栅极放电加速管q4关断。当高侧功率管栅极检测输出二g2为低电平，表示高侧功率管q1已经完全关断，可以使用加速管加速，此时栅极放电加速管q4的控制信号再次变高电平。