KR100502415B1 - 보호 회로를 갖는 클래스 디이 파워 앰프 - Google Patents

Abstract

보호 회로를 갖는 클래스 D 앰프가 개시된다. 본 발명은 PWM 신호로부터 스피커 출력 신호를 발생하는 클래스 D 앰프에 있어서, PWM 신호를 입력하는 제1 및 제2 드라이버들과, 출력 신호 맵퍼 출력과 저역 필터 출력 각각이 소정의 동작 범위로 분리된 영역의 한계(threshold) 내로 출력되도록 설정하는 제1 및 제2 한계 영역 발생부들과, 그리고 제1 및 제2 한계 범위 발생부들 출력을 비교하여 그 동작 범위가 서로 벗어나는 지 여부에 따라 제1 드라이버의 동작 차단 여부를 판단하는 보호 회로를 포함한다. 따라서, 본 발명의 클래스 D 앰프에 의하면, 그 내부에 보호 회로를 두어 스피커 출력 신호의 단락 여부에 따라 드라이버의 동작을 차단함으로써 드라이버에 의해 구동되는 모스 트랜지스터들의 동작을 오프시켜 보호한다.

Description

보호 회로를 갖는 클래스 디이 파워 앰프{Class D power amp having protection circuit}

본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로, 특히 단락 상황을 감지하여 동작 차단시키는 보호 회로를 갖는 클래스 D 파워 앰프에 관한 것이다.

오디오 증폭기 중 클래스 D 파워 앰프(Class D Power Amp)는 크게 아날로그 입력 신호로부터 디지탈 출력 신호를 발생하는 아날로그-디지탈 방식과 디지털 입력 신호로부터 디지털 출력 신호를 발생하는 디지털-디지털 방식으로 구분할 수 있다. 파워 앰프는 일반적으로 대전류를 구동하는 시스템이기 때문에, 외부 환경에 의한 단락이나 과부하(overload)가 걸리는 경우 과도한 전류의 흐름으로 인해 파괴될 수 있다.

도 1은 일반적인 클래스 D 파워 앰프를 나타내는 도면이다. 이를 참조하면, 클래스 D 앰프(100)는 제1 앰프(102), 삼각파 발생부(104), PWM 발생부(106), 피모스 트랜지스터(108), 엔모스 트랜지스터(110), 인덕터들(112, 116), 커패시터(114), 궤환부(120) 그리고 스피커(118)를 포함한다. 제1 앰프(102)는 궤환부(120) 출력과 입력되는 오디오 신호를 감지 증폭하여 앰프 출력(AMP_OUT)을 발생시킨다. PWM 발생부(106)은 삼각파 발생부(104)에서 발생되는 고정된 주파수를 갖는 삼각파와 앰프 출력(AMP_OUT)을 입력하여 변조된 PWM 신호(PWM_OUT)를 발생시킨다. PWM 신호(PWM_OUT)는 피모스 트랜지스터(108)와 엔모스 트랜지스터(110)를 구동하여 인더터들(112, 116)과 커패시터(114)로 구성되는 LC 필터를 통해 오디오 신호로 복조되어 스피커 출력(SP_OUT)으로 발생된다. 스피커 출력(SP_OUT)은 궤환부(120)를 통해 제1 앰프(102)로 피이드백되어 제공되는데, 아날로그 앰프 성능 열화를 방지하게 된다.

그런데, 이러한 클래스 D 파워 앰프는 스피커 출력 신호(SP_OUT)가 전원 전압(PVCC)이나 접지 전압(PVSS)과 단락되는 상항에서 피모스 트랜지스터(108)와 엔모스 트랜지스터(110)로 과도한 전류가 흐르게 되어 트랜지스터들(108, 110)이 파괴되는 문제점이 발생된다.

따라서, 클래스 D 파워 앰프의 모스 트랜지스터들(108, 110)을 보호하기 위한 보호 회로의 필요성이 크게 대두된다.

본 발명의 목적은 보호 회로를 포함하는 클래스 D 파워 앰프를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 펄스 폭 변조 신호(PWM 신호)로부터 스피커 출력 신호를 발생하는 클래스 D 앰프에 있어서, PWM 신호를 입력하는 제1 및 제2 드라이버들과, 제1 드라이버 출력에 구동되는 모스 트랜지스터들과 인덕터 및 커패시터로 구성되는 LC 필터를 포함하여 스피커 출력 신호를 발생하는 외부 회로부와, 제2 드라이버 출력에 구동되는 인버터와, 스피커 출력 신호의 동작 범위를 클래스 D 앰프의 내부 동작 범위로 맵핑시키는 출력 신호 맵퍼와, 인버터의 출력을 아날로그 신호로 복조하는 저역 필터와, 출력 신호 맵퍼 출력과 저역 필터 출력 각각이 소정의 동작 범위로 분리된 영역의 한계(threshold) 내로 출력되도록 설정하는 제1 및 제2 한계 영역 발생부들과, 그리고 제1 및 제2 한계 범위 발생부들 출력을 비교하여 그 동작 범위가 서로 벗어나는 지 여부에 따라 상기 제1 드라이버의 동작 차단 여부를 판단하는 보호 회로를 포함한다. 한계 영역 발생부들은 제1 한계 범위 발생부에 의해 구분되는 범위들 폭이 제2 한계 범위 동작부에 의해 구분되는 범위들 폭 보다 좁도록 설정되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 클래스 D 파워 앰프에 의하면, 그 내부에 보호 회로를 두어 스피커 출력 신호의 단락 여부에 따라 드라이버의 동작을 차단함으로써 드라이버에 의해 구동되는 모스 트랜지스터들의 동작을 오프시켜 보호한다.

이하, 본 발명은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 클래스 D 파워 앰프를 나타내는 도면이다. 이를 참조하면, 클래스 D 파워 앰프(200)는 드라이버들(202, 204), 외장 회로부(210), 인버터(220), 저역 필터(LPF, 230), 한계 범위 발생부들(240, 260), 출력 신호 맵퍼(150) 그리고 보호 회로(270)를 포함한다. 드라이버들(202, 204)은 도 1의 PWM(Pulse Width Modulation: 이하 "PWM"이라 칭한다) 발생부(106)에 포함되는 일부 블락으로써, PWM 신호를 입력하여 PWM 출력 신호(PWM_OUT)를 발생한다. 외부 회로부(210)는 PWM 출력 신호(PWM_OUT)를 입력하는 데, 도 1에 도시된 바와 마찬가지로 피모스 트랜지스터(108), 엔모스 트랜지스터(110), 인덕터(112), LC 필터(114, 116) 그리고 스피커(118)를 포함한다.

인버터(220)는 PWM 출력 신호(PWM_OUT)를 입력하고 그 출력을 저역 필터(230)로 전송한다. 저역 필터(230)는 인버터(220) 출력을 아날로그 신호로 변환시킨다. 출력 신호 맵퍼(250)는 외부 회로부(210)의 동작 범위(range), 즉 스피커 출력 신호(SP_OUT)를 칩 내부 회로의 다이나믹 동작 범위 내로 맵핑시킨다. 한계 범위 발생부들(240, 260) 각각은 출력 신호 맵퍼(250) 출력과 저역 필터(230) 출력이 소정의 동작 범위로 분리된 영역의 한계(threshold) 내로 출력되도록 설정한다. 보호 회로(270)는 제1 한계 범위 발생부(240)와 제2 한계 범위 발생부(260)의 출력을 비교하여 그 동작 범위가 서로 벗어나는 지 여부에 따라 외부 회로부(210)를 구동하는 드라이버(202)의 동작 차단 여부를 판단한다.

클래스 D 파워 앰프(200)의 동작은 도 3을 참조하여 설명된다. 도 3을 참조하면, 아날로그 신호인 스피커 출력 신호(SP_OUT)의 파형은 출력 신호 맵퍼(250, 도 2)의 맵핑 동작과 제1 한계 범위 발생부(240)의 동작을 통해 제1 전압(PVCCO) 레벨과 제2 전압(PVSSO) 레벨 사이의 영역 A, B, C로 구분된 범위 내에 발생된다. 영역 B는 기준 전압(Vbias)을 기준으로 높은 한계 전압(VTHO)과 낮은 한계 전압(VTLO) 사이의 범위가 되고, 영역 A는 높은 한계 전압(VTHO)과 제1 전압(PVCCO) 사이의 범위가 되고, 영역 C는 낮은 한계 전압(VTLO)과 제2 전원(PVSSO) 사이의 범위가 된다.

한편, 디지탈 신호인 인버터(220, 도 2)의 출력(OUT)은 저역 필터(230)를 통해 전원 전압(VDD)과 접지 전압(GND) 사이의 영역 ai, bi, ci로 구분된 범위 내에 발생된다. 영역 bi는 ½전원 전압(VDD/2)을 기준으로 높은 한계 전압(VTHI)와 낮은 한계 전압(VTLI) 사이의 범위가 되고, 영역 ai는 높은 한계 전압(VTHI)과 전원 전압(VDD) 사이의 범위가 되고, 영역 ci는 낮은 한계 전압(VTLI)과 접지 전압(GND) 사이의 범위가 된다.

여기에서, 영역 A와 C 범위는 영역 ai와 ci 범위 보다 작도록 설정된다. 왜냐하면, 내부 회로인 인버터(220, 도 2) 출력과 외부 회로부(210, 도 2)의 스피커 출력(SP_OUT) 사이의 위상 지연과 이득(gain) 불일치 등을 어느 정도 보상해 주기 위해서이다. 또한 영역 A와 C의 범위를 좁게 두는 것은 스피커 출력 신호(SP_OUT)가 단락이 되었다면 그 범위는 제1 전압(PVCCO)과 제2 전압(PVSSO) 레벨 가까이에 있기 때문이다.

도 3의 신호 흐름에서, 맵핑된 출력 신호가 영역 A에 있을 경우 저역 필터(230, 도 2)를 통해 복조된 신호가 영역 bi 또는 ci에 있는 경우 스피커 출력 신호는 제1 전원(PVCCO)과 제2 전원(PVSSO)에 단락되었다고 판단된다. 이를 관계식으로 표현하면,

단락 검출 = {영역 A <and> (영역 bi <or> 영역 ci)} <or> {영역 C <and> (영역 bi <or> 영역 ai)}

로 표현된다.

따라서, 스피커 출력 신호(SP_OUT)가 단락되었다고 판단이 되면 보호 회로(270, 도 2)는 드라이버(202)의 동작을 차단(off)시켜 외부 회로부(210)의 피모스 트랜지스터(108)와 엔모스 트랜지스터(110)가 구동되지 않도록 한다. 그리하여 외부 회로부(210)의 트랜지스터들을 보호한다.

이상에서, 본 발명은 실시예들을 들어 기술하였지만 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 제한하거나 한정하는 것은 아니다. 그러므로, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

상술한 본 발명의 클래스 D 파워 앰프에 의하면, 그 내부에 보호 회로를 두어 스피커 출력 신호의 단락 여부에 따라 드라이버의 동작을 차단함으로써 드라이버에 의해 구동되는 모스 트랜지스터들의 동작을 오프시켜 보호한다.

도 1은 일반적인 클래스 D 파워 앰프를 나타내는 도면이다,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 클래스 D 파워 앰프를 나타내는 도면이다.

도 3은 도 2의 클래스 D 파워 앰프의 신호 흐름을 나타내는 도면이다.

Claims (2)

1. 펄스 폭 변조 신호(PWM 신호)로부터 스피커 출력 신호를 발생하는 클래스 D 앰프에 있어서,

   상기 PWM 신호를 입력하는 제1 및 제2 드라이버들;

   상기 제1 드라이버 출력에 구동되는 모스 트랜지스터들과 인덕터 및 커패시터로 구성되는 LC 필터를 포함하여 스피커 출력 신호를 발생하는 외부 회로부;

   상기 제2 드라이버 출력에 의해 구동되는 인버터;

   상기 스피커 출력 신호의 동작 범위를 상기 클래스 D 앰프의 내부 동작 범위로 맵핑시키는 출력 신호 맵퍼;

   상기 인버터의 출력을 아날로그 신호로 복조하는 저역 필터;

   상기 출력 신호 맵퍼로부터의 출력을 제1 범위 내로 매핑하는 제1 한계 영역 발생부와;

   상기 저역 필터로부터의 출력을 제2 범위 내로 매핑하는 제2 한계 영역 발생부; 그리고

   상기 제1 및 제2 한계 범위 발생부들의 출력들을 비교하여 상기 인버터가 단락되었는 지의 여부를 판단하고, 상기 인버터가 단락된 것으로 판별될 때 상기 제1 드라이버의 동작을 차단시키는 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 클래스 D 앰프.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 한계 범위 발생부의 상기 제1 범위는 상기 제2 한계 범위 동작부의 상기 제2 범위보다 좁도록 설정되는 것을 특징으로 하는 클래스 D 앰프.