KR102371669B1 - 출력 신호를 감지하여 능동적으로 smps 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 소비 전력을 최적으로 절감하기 위한 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로를 제공하기 위한 것으로, 전력증폭부(110)에서 증폭된 신호를 스피커(SP)로 출력하되 출력단에서 출력되는 피크전압을 검출하는 피크전압 감지부(120)를 더 포함하는 앰프부(100); 및 피크전압 감지부(120)에서 검출된 피크전압 값을 최대 피크 값으로 충전유지하여 기준 전압과 비교하여 앰프 출력이 높아지면 바이어스 값을 높여 주고 앰프 출력이 낮아지면 낮춰주는 방식으로 출력값을 조절하여 출력하는 SMPS부(200); 를 포함하며, SMPS부(200)는, 통상의 AC 상용전원을 전파정류하는 입력단 정류부(260)와, 입력단 정류부(260)에서 정류된 전원을 인버팅하는 인버팅부(270)와, 인버팅부(270)에서 인버팅된 교류를 스피커 전원에 적합한 전압으로 변압하는 변압기로 이루어지는 변압부(280)와, 변압부(280)에서 변압된 교류를 다시 정류하여 출력하는 출력단 정류부(290)와, 앰프부의 출력을 감지하여 충전 및 유지하는 피크전압 충전부(210)와, 피크전압 충전부(210)의 그대로의 출력전압이나 증폭된 출력전압과 기준 전압을 비교하는 비교부(240)와, 비교부(240)의 출력에 따라서 인버팅부(270)의 인버팅을 제어하는 제어신호 발생부(250)를 포함하여 이루어진다.

Description

출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로{A Power Amplifier Circuit}
본 발명은 소비 전력 개선형 앰프 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 오디오 앰프는 보통 프리 앰프(Pre-amplifier)와 전력용 앰프(Power amplifier)로 이루어져 있고, 프리 앰프에서 조정된 신호는 전력용 앰프로 보내지고 전력용 앰프는 이 신호를 부하인 스피커를 충분히 구동시킬 수 있는 전력으로까지 증폭한다.
이와 같은 전력용 앰프는 주 앰프(main amplifier)라고도 불리며 심하게 변화하는 음악 파형에도 순간적으로 반응하여 파형에 필요한 전력을 스피커에 보내주어야 한다.
한편, 일부 앰프에서는 전력 증폭기에서 발생되는 무효전력을 줄이기 위하여, 도 1 에서 보는 바와 같이, 입력되는 미세 음향신호에 대한 전압 증폭을 실시하는 전압 증폭기(1)와; 상기 전압 증폭기를 통해 출력되는 음향신호를 전력증폭시켜 스피커(SP)로 출력시켜 주는 출력단 전력 증폭기(2)와; 앰프의 각부 구동에 필요한 전원 전압을 포함하여 전력 증폭기(2)에서 입력신호의 레벨에 대응하여 필요로 하는 기본전압 및 높은 전압을 공급해 주는 전원전압 공급부(3)와; 상기 출력단 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호의 전압과 비교기 등을 이용하여 기준전압과 상호 비교하여 그 결과에 대응되는 온/오프 신호를 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 출력하는 출력 전압 검출부(4)와; 상기 출력전압 검출부(4)의 출력신호에 부응하여 온/오프되며 전원전압 공급부(3)에서 출력되고 있는 기본전압 또는 높은 전압 중 어느 한 전압을 전력 증폭기(2)에 출력시켜 주는 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 구성된 무효전력 저감회로를 채택하고 있는 경우도 있다.
이와 같은 구성을 갖는 전력 증폭기의 무효전력 저감회로는 전력 증폭기(2)에서 스피커(SP)로 출력되는 음향신호의 전압을 출력전압 검출부(4)에서 기준전압과 비교하는 방식을 통해 기준전압 미만이면 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 "로우"신호를 발생시켜 하이/로우 공급전압 제어부(5) 내의 스위칭 트랜지스터를 "오프"시켜 주는 방식을 통해 전원전압 공급부(3)에서 출력되는 전압 중 "로우" 전압(예를 최대 출력 1200W의 앰프에서 현재출력이 600W 미만의 저출력인 경우 60V의 직류전압)이 전력 증폭기(2)에 공급되도록 하고, 기준전압 이상이면 하이/로우 공급전압 제어부(5)로 "하이 "신호를 발생시켜 하이/로우 공급전압 제어부(5) 내의 스위칭 트랜지스터를 "온"되도록 하는 방식을 통해 전원전압 공급부(3)에서 출력되는 전압 중 "하이" 전압(예를 최대 출력 1200W의 앰프에서 현재출력이 600W 이상의 저출력인 경우 120V의 직류전압)이 전력 증폭기(2)에 공급되도록 한다.
그러나, 이와 같은 구성을 갖는 전력 증폭기의 무효전력 저감회로는 실제 전력 증폭기에서 출력되는 음향신호의 전압이 예를 들어 최대 출력 대비 50%는 넘으나 100% 보다는 비교적 낮은 전압 경우(예를 들어 900W로 중출력일 경우)에도 그 전압레벨(실제로는 90V 정도의 전압을 공급해 주는 것이 바람직할 경우)의 높이에 무관하게 무조건 전원전압 공급부에서 출력되는 전압 중 최고 높은 전압(예를 들어 120V)을 전력 증폭기에 공급시켜 주게 된다.
이와 같이 전력 증폭기에서 출력되는 음향신호의 전압이 기준전압 이상이긴 하나 최대 출력레벨보다는 비교적 낮은 일부 음향신호 레벨임(예를 들어 중출력)에도 불구하고 무조건 최대로 높은 전압이 공급되므로 일부 무효전력이 발생되어 그로 인해 불필요하게 전력을 소비하게 됨은 물론 전력 증폭기 내 반도체 소자인 전력증폭소자가 무효전력를 소모하는 과정에서 과열되어 열 소손이 발생하게 될 뿐만 아니라 장기간 사용시 그 수명이 짧아지게 되는 문제점도 있다.
또한, 상기와 같이 열이 발생하게 될 경우 전력증폭소자들이 불안정하게 작동하게 되어 출력 자체의 효율이 크게 저하되고, 또 상기와 같이 발생되는 열을 원활히 냉각시켜 주기 위해 설치되는 방열판 자체의 크기가 커지게 될 뿐만 아니라 결국, 전력 증폭기 자체의 크기가 커지게 되어 제품의 생산원가도 상승하게 되는 등의 문제점이 있다.
상기 문제점을 해소하기 위해 대한민국 특허 제10-1086064호(저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프)가 제1 종래기술로서 제안되었는바, 도 2는 상기 제1 종래기술에 따른 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프를 보여주는 블럭도이다.
상기 제1 종래기술에 따른 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프는, 도 2에서 보는 바와 같이, 전압 증폭기(1)와 전력 증폭기(2) 및 전원전압 공급부(3)를 구비한 공지된 오디오 앰프에 있어서, 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD2)와 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1), 부하량 조절용 트랜지스터(TR2), 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3) 및 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)를 부가 설치하여 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호 내 전압이 제너다이오드(ZD1)의 제너전압 이상일 때 전원전압 공급부(3)로부터 출력되는 높은 전압을 음향신호의 실제 전압 크기에 부응하여 실시간으로 전압 강하시켜 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 제1 종래기술의 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프는, 입력되는 미세 음향신호에 대한 전압 증폭을 실시하는 전압 증폭기(1)와; 상기 전압 증폭기(1)를 통해 출력되는 음향신호를 전력증폭시켜 스피커(SP)로 출력시켜 주는 출력단 전력 증폭기(2)와; 앰프의 각부 구동에 필요한 전원 전압을 포함하여 전력 증폭기(2)에서 입력신호의 레벨에 대응하여 필요로 하는 높고 낮은 전압을 공급해 주는 전원전압 공급부(3)를 구비한 오디오 앰프에 있어서, 보호용 저항(R1)과 함께 상기 전력 증폭기(2)의 출력단자와 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+) 사이에 연결되어 상기 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호 내 전압이 자체 내의 제너전압 이상일 경우 그 이상 전압을 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스 바이어스 전압으로 전달해 주는 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD1)와; 상기 제너다이오드(ZD1)를 통해 공급되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 낮은 전압 출력단자(LB+) 측으로 바이패스되는 전압강하량을 가변시켜 주는 방식을 통해 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스 바이어스 전압을 가변시켜 주는 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)와; 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 콜렉터 전압에 대응하여 변화되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며 콜렉터와 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에 설치된 부하 저항(R2)과 자체의 부하량을 실시간으로 변화시켜 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 부하량을 조절해 주는 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와; 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 상기 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와 직렬 연결된 형태로 설치되어 실시간으로 변화되는 부하량에 부응하여 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압을 가변시켜 주는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)와; 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 각각 병렬 연결된 형태를 갖고 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)를 통해 공급되는 게이트 바이어스 전압에 부응하여 턴 "온"량이 제어되며 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되어 전력 증폭기(2)로 공급되는 전압이 실시간으로 변화되는 음향신호의 전압 높이에 대응하여 전압 강하된 상태에서 공급되게 하는 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn);를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 베이스 사이에는 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)의 게이트에 인가되는 최대 바이어스 전압을 제한하기 위한 게이트 보호용 제너다이오드(ZD1)를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)와 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스와 상기 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD2) 사이에는 각각 역방향 전압 차단용 다이오드(D1)(D2)를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+)와 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 이미터 사이에는 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되는 전압이 전력 증폭기(2)에 공급될 때, 이를 불빛으로 표시해 주는 높은 전압 구동상태 표시용 발광다이오드(LED)를 더 설치한 것을 특징으로 한다.
여기서 미설명 부호 D3, D4는 역방향 전압 차단용 다이오드이고, R3-R5는 부하 및 보호용 저항이다.
이와 같이 구성된 상기 제1 종래기술의 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프에 대한 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 제1 종래기술이 적용된 저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프는, 전압 증폭기(1)와 전력 증폭기(2) 및 전원전압 공급부(3)를 구비한 공지된 오디오 앰프에 있어서, 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD1)와 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1), 부하량 조절용 트랜지스터(TR2), 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3) 및 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)를 부가 설치하여 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호 내 전압이 제너다이오드(ZD1)의 제너전압 이상일 때 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되는 전압을 음향신호의 실제 전압크기에 부응하여 실시간으로 전압 강하시켜 공급할 수 있도록 한 것을 주요기술 구성요소로 한다.
이때, 상기 전력 증폭기 출력전압 검출용 제너다이오드(ZD1)는 보호용 저항(R1)과 함께 상기 전력 증폭기(2)의 출력단자와 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+) 사이에 직렬 연결된 상태를 갖고, 앰프의 구동시 상기 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호 내 전압이 자체 내의 제너전압(예를 들어 60V) 이상인지를 검출하여, 제너전압 미만인 저출력일 때는 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스 바이어스 전압을 차단하고, 제너전압 이상(예를 들어 60V 이상)일 때는 제너전압 이상인 전압을 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스에 바이어스 전압으로 전달해 주게 된다.
상기에서 제너다이오드(ZD1)를 통해 검출된 전력 증폭기(2)의 음향신호 출력전압이 제너전압 미만(예를 들이 최대 음향신호 출력이 1200W인 앰프에서 600W 미만의 저출력)이어서 제너다이오드(ZD1)에서 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 베이스에 공급되는 바이어스 전압을 차단하게 되면, 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)를 포함하여 그 후단부에 설치되어 있는 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 구동도 차단되어 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)도 "오프"된 상태를 유지하게 되므로 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)를 통해 출력되는 전압(예를 들어 120V)이 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)에 의해 차단되고, 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+)를 통해 출력되는 전압(예를 들어 60V)이 종래 앰프에서와 마찬가지로 전력 증폭기(2)에 공급되는 형태를 갖는다.
또한, 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)는 NPN형 트랜지스터로써 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호 내 전압이 제너다이오드(ZD1)의 제너전압보다 높은 전압이므로 인해 상기 제너다이오드(ZD1)를 통해 공급되는 베이스 바이어스 전압 높이에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 변화되며, 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 낮은 전압 출력단자(LB+) 측으로 바이패스되는 전압강하량을 음향출력신호에 대응하여 가변시켜 주는 역할을 수행하여 후술하는 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)의 베이스 바이어스 전압을 음향출력신호의 크기에 대응하여 가변시켜 주게 된다.
또, 상기 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)는 PNP형 트랜지스터로써 전력 증폭기(2)에서 출력되고 있는 음향신호 내 전압의 변화에 대응하여 가변되는 상기 바이패스전압 가변용 트랜지스터(TR1)의 콜렉터 전압에 대응하여 변화되는 베이스 바이어스 전압에 대응하여 턴 "온"량이 실시간으로 가변되며, 자체의 콜렉터와 전원전압 공급부(3)의 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에 설치된 부하 저항(R2)과 턴 "온"량에 부응하여 자체의 부하량을 실시간으로 변화시켜 후술하는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 이미터 부하량을 음향출력신호의 크기에 대응하여 자동 조절해 주는 기능을 수행하게 된다.
한편, 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)는 NPN형 트랜지스터로써 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 상기 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)와 직렬 연결된 형태로 설치되어, 전력 증폭기(2)의 출력전압 변화에 부응하여 부하량 조절용 트랜지스터(TR2)를 통해 실시간으로 변화되는 부하량에 대응하여 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(중출력 내지 대출력으로 출력되고 있는 음향신호의 크기에 대응하여 아날로그 형태의 반파형 펄스 전압)을 크기를 가변시켜 주는 기능을 수행하게 된다.
또, 상기한 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)들은 소오스와 드레인이 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)와 낮은 전압 출력단자(LB+) 사이에서 각각 병렬 연결되고 게이트는 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)의 이미터에 연결된 형태를 갖는다.
이와 같은 전원공급 제어용 FET(FET1-FETn)는 상기 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터(TR3)를 통해 전력 증폭기(2)의 음향신호 출력전압 변화에 부응하여 실시간으로 변화되는 형태로 공급되는 아날로그 형태의 반파형 게이트 바이어스 전압에 부응하여 턴 "온"량이 제어되며, 상기 전원전압 공급부(3)의 높은 전압 출력단자(HB+)에서 출력되어 전력 증폭기(2)로 공급되는 전압이 음향출력신호의 전압 높이에 대응하여 실시간으로 전압 강하하여 소정 전압만 공급(예를 들어 앰프의 최대 출력이 1200W인데 현재 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호의 전압이 중출력인 900W일 경우 최대전압 120V 중 90V만 통과)시켜 주는 역할을 수행하게 된다.
이와 같이 상기 제1 종래기술에 의하면, 전력 증폭기(2)에서 출력되는 음향신호의 전압이 일정 전압 이상일 때, 그 높이에 부응하여 전원전압 공급부(3)에서 출력되는 최대 출력전압 중 일부를 전압 강하시킨 상태로 전력 증폭기(2)에 공급시켜 줄 수 있어 전력 증폭기(2)에서 불필요하게 소모되는 무효전력을 최대한 줄일 수 있어 불필요한 전력소모(예를 들어 최대 음향신호 출력이 1200W인 앰프에서 900W의 음향신호가 출력될 경우 300W)를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 증폭기(2) 내의 전력증폭소자가 무효전력에 의해 과열되어 열 소손되는 것을 방지할 수 있으므로 수명 자체를 대폭 연장시킬 수 있다.
그러나, 상기 제1 종래기술은, SMPS와 같은 전원전압공급부(3)의 전압 출력은 고정된 상태에서 스피커(SP)로 출력되는 음향 신호 내 전압을 제너 다이오드를 통해 비교하여, 기준 전압 이하인 저출력에서는 낮은 기본 전압을 공급하고, 기준 전압 이상인 중출력 내지 고출력인 경우에는 바이패스 전압 가변용 트랜지스터와 부하량 조절용 트랜지스터 및 게이트 전압 가변 제어용 트랜지스터를 통해 게이트 바이어스 전압을 가변하는 방식으로서, SMPS에 해당하는 전원전압공급부(3)의 출력(HB+, HB-)은 항상 고정되어 있고, 앰프(전력증폭기)의 전압 가변 회로를 통해 별도의 전압 가변 회로를 통해 앰프(전력증폭기)로 공급되는 게이트 전압을 가변하여 공급하는 방식인바, 전원전압공급부(3)로부터 필요 이상의 전압이 전압 가변 회로로 계속 공급되는 관계로, 여전히 에너지 낭비가 발생하게 되며 결국 소비전력 개선에 한계가 있는 기술이다.
다른 한편, 이러한 제1 종래기술의 문제점을 인식한 것으로서, 대한민국 특허 제1431924호(증폭기들에 대한 바이어스 조정 장치 및 방법)가 제2 종래기술로서 개시된 바 있다.
도 3 및 도 4는 제2 종래기술에 따른 공급 전압을 분리시키기 위해 스위칭된 모드 전력 공급기를 이용하는 바이어스 조정의 예시적인 설계를 나타낸다.
즉, 상기 제2 종래기술은, 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 전력 증폭기(710)는, 상호 커플링되는 NMOS 트랜지스터(712), 인덕터(714), 및 저항기(716)를 포함한다. 인덕터(714)는 SMPS(720)에 의해 제공된 Vsmps 공급 전압에 커플링된다.
SMPS(720) 내에서, P-채널 금속 산화물 반도체(PMOS) 트랜지스터(722)는 배터리 전원 Vbat 에 커플링된 소스, 노드 X 에 커플링된 드레인, 및 SMPS 제어 유닛(726)에 커플링된 게이트를 갖는다. NMOS 트랜지스터(724)는 회로 그라운드에 커플링된 소스, 노드 X 에 커플링된 드레인, 및 SMPS 제어 유닛(726)에 커플링된 게이트를 갖는다. SMPS 제어 유닛(726)은 프로세서(760)로부터의 출력뿐만 아니라 노드 Y(간략함을 위해 도 3 에는 도시되지 않음)에서의 전압을 수신하고, PMOS 트랜지스터(722)에 대한 제1 제어 전압 및 NMOS 트랜지스터(724)에 대한 제2 제어 전압을 생성한다. 인덕터(732)는 노드 X 와 노드 Y 사이에 커플링된다. 캐패시터(734)는 노드 Y 와 회로 그라운드 사이에 커플링된다. 전력 증폭기(710)의 인덕터(714)는, Vsmps 전압을 제공하는 노드 Y 에 커플링된다.
바이어스 조정 회로(740)는, 타겟 Ibias 전류가 전력 증폭기(710)에 제공되도록 전력 증폭기(710)의 NMOS 트랜지스터(712)에 대한 Vbias 전압을 생성한다. 회로(740) 내에서, NMOS 트랜지스터(752)는 Vdd 에 커플링된 드레인, 제어 회로(762)에 커플링된 게이트, 및 저항기(754)의 일 단에 커플링된 소스를 갖는다.
저항기(754)의 타단은 노드 X 에 커플링된다. op-amp(756)는 저항기(754)의 2 개의 단부에 커플링된 2 개의 입력들 및 ADC(758)에 커플링된 출력을 갖는다. 프로세서(760)는 ADC(758)로부터의 디지털 출력을 수신하고, 원하는 Ibias 전류를 생성하도록 제어 회로(762)를 다이렉팅하며, NMOS 트랜지스터(712)에 대해 원하는 Vbias 전압을 생성하도록 바이어스 회로(770)를 제어한다.
통상의 동작 모드에서, NMOS 트랜지스터(752)는 턴 오프되고, SMPS(720)는 턴 온 되어 Vbat 전압에 기초하는 전력 증폭기(710)에 대한 Vsmps 전압을 생성한다. SMPS 제어 유닛(726)은 펄스 폭 변조기(PWM) 생성기로서 동작할 수도 있고, PMOS 트랜지스터(722)를 번갈아가며 턴온 및 턴오프할 수도 있다. 온 상태 동안, PMOS 트랜지스터(722)는 턴 온되고, NMOS 트랜지스터(724)는 턴 오프된다. Vbat 전압은 PMOS 트랜지스터(722)를 통해 인덕터(732)에 커플링되는데, 인덕터는 Vbat 전압으로부터의 에너지를 저장한다.
Vbat 전압은 온 상태 동안 캐패시터(734) 및 전류 증폭기(710)에 전류를 제공한다. 오프 상태 동안, PMOS 트랜지스터(722)는 턴 오프되고, NMOS 트랜지스터(724)는 턴 온된다. Vbat 전압은 PMOS 트랜지스터(722)에 의해 인덕터(732)로부터 접속이 끊어진다. 인덕터(732)는 NMOS 트랜지스터(724)에 의해 회로 그라운드에 커플링되고, 그 저장된 에너지를 캐패시터(734) 및 전력 증폭기(710)에 제공한다.
캐패시터(734)는 Vsmps 전압을 대략 일정하게 유지하고, 또한 오프 상태 동안 그 전하를 전력 증폭기(710)에 제공한다. 인덕터(732) 및 캐패시터(734)는 또한, MOS 트랜지스터들(722 및 724)의 스위칭으로 인한 Vsmps 전압에서의 리플(ripple)을 억제하는 로우패스 필터를 형성한다.
바이어스 조정 모드에서, MOS 트랜지스터들(722 및 724) 양자 모두를 턴 오프함으로써 SMPS(720)가 턴 오프된다. NMOS 트랜지스터(752)는 턴 온되고, Ibias 전류를 저항기(754)를 통해 전력 증폭기(710)로 패스한다. Op-amp(756)는 저항기(754) 양단의 전압 Vres 를 감지/측정한다. ADC(758)는 측정된 Vres 전압을 양자화하고, 디지털화된 Vres 전압을 프로세서(760)에 제공한다. 프로세서(760)는 ADC(758)로부터의 디지털화된 Vres 전압, 저항기(754)의 기지의 저항 Rres 에 기초하여 저항기(754)를 지나는 Ibias 전류를 계산하고, 또는 Ibias = Vres/Rres 이다. 프로세서(760)는, 측정된 Ibias 전류가 타겟 Ibias 전류에 매칭하도록 Vbias 전압을 생성하기 위해 Vbias 전압을 생성하도록 타겟 Ibias 전류에 대한 연산/측정된 Ibias 전류를 비교하고 바이어스 회로(770)를 제어한다. 예를 들어, 측정된 Ibias 전류가 타겟 Ibias 전류보다 작으면, 프로세서(760)는 바이어스 회로(770)를 제어하여 Vbias 전압을 증가시킬 수도 있는데, 이 Vbias 전압은 그 후 Ibias 전류로 하여금 증가하게 한다. 측정된 Ibias 전류가 타겟 Ibias 전류보다 크면, 반대의 경우가 적용된다.
프로세서(760)는 통상의 동작 모드에서 NMOS 트랜지스터(752)를 턴 오프하도록 또는 바이어스 조정 모드에서 NMOS 트랜지스터(752)를 턴 온하도록 제어 회로(762)를 다이렉팅할 수도 있다. 프로세서(760)는 또한, 바이어스 조정 모드에서 Vsmps 전압이 통상의 동작 모드에서의 Vsmps 전압과 유사하도록 NMOS 트랜지스터(752)에 대한 제어 전압을 생성하도록 제어 회로(762)를 다이렉팅할 수도 있다.
SMPS(720)는 통상적으로, 배터리 전압 또는 외부 전압을 전력 증폭기(710)[0058] 에 대해 보다 낮은 공급 전압으로 조절하는데 이용되고, 이는 그 후 전력 소모를 감소시키고 PAE(power-added efficiency)를 향상시킬 수도 있다. 도 3 에 도시된 예시적인 설계는 SMPS(720)를 활용하여 노드 X 로부터 Vbat 전압을 분리시키는데, 이는 MOS 트랜지스터(722 및 724) 양자 모두를 턴 오프함으로써 달성된다. 노드 X 가 Vbat 전압으로부터 분리된 상태에서, 외부 전류가 NMOS 트랜지스터(752) 및 저항기(754)를 통해 전력 증폭기(710)에 인가될 수도 있다. 이 외부 전류가 측정될 수도 있고, NMOS 트랜지스터(712)에 대한 적절한 Vbias 전압을 생성하여 전력 증폭기(710)에 대한 타겟 Ibias 전류를 획득한다. 통상의 동작 모드 동안, NMOS 트랜지스터(752)는 턴 오프되고, 전력 증폭기(710)의 동작에 영향을 주지 않는다.
도 4는 SMPS(720)를 이용하는 바이어스 조정의 다른 예시적인 설계의 개략도를 나타낸다. 도 3 에 대해 전술된 바와 같이 전력 증폭기(710) 및 SMPS(720)가 커플링된다. 바이어스 조정 회로(742)는, 타겟 Ibias 전류가 전력 증폭기에 제공되도록 전력 증폭기(710)의 NMOS 트랜지스터(712)에 대한 Vbias 전압을 생성한다. 회로(742) 내에서, NMOS 트랜지스터(752), 제어 회로(762), 및 프로세서(760)는 도 3 에 대해 전술된 바와 같이 커플링된다. 도 3 의 저항기(754)는 전력 증폭기(710)에 Ibias 의 기지의 전류를 제공할 수 있는 전류 소스(764)로 대체된다. NMOS 트랜지스터(752) 및 전류 소스(764)는 또한, 제어 회로(762)에 의해 제어된 PMOS 전류 소스 트랜지스터(또는 이상적인 조정 가능한 전류 소스)로 대체될 수도 있다. 스위치(772)는 NMOS 트랜지스터(712)의 게이트에 커플링된 일 단자 및 NMOS 트랜지스터(712)의 드레인에 커플링된 다른 단자를 갖는다. 스위치(774)는 NMOS 트랜지스터(712)의 게이트에 커플링된 일 단자 및 NMOS 트랜지스터(782)의 게이트에 커플링된 다른 단자를 갖는다. 스위치들(772 및 774)은 Vctrl 제어 신호를 수신한다. 스위치(776)는 바이어스 회로(770)의 출력과 저항기(716) 사이에 커플링되고, 제어 신호를 수신한다. NMOS 트랜지스터(782)는 회로 그라운드에 커플링된 소스 및 op-amp(786)의 하나의 입력에 커플링된 드레인을 갖는다. PMOS 트랜지스터(784)는 NMOS 트랜지스터(782)의 드레인에 커플링된 드레인과 게이트 및 Vdd 에 커플링된 소스를 갖는다. PMOS 트랜지스터(784)는 또한, 기지의 값을 갖는 저항기로 대체될 수도 있다. Op-amp(786)는 Vdd 에 커플링된 다른 입력 및 ADC(758)에 커플링된 출력을 갖는다. 프로세서(760)는 ADC(758)로부터 디지털 출력을 수신하고, 원하는 Ibias 전류를 제공하도록 제어 회로(762)를 다이렉팅하며, NMOS 트랜지스터(712)에 대해 원하는 Vbias 전압을 생성하도록 바이어스 회로(770)를 제어한다.???
통상의 동작 모드에서, NMOS 트랜지스터(752)는 턴 오프되고, 스위치들(772 및 774)는 오픈되고, 스위치(776)는 클로징되며, SMPS(720)는 턴 온되어 전력 증폭기(710)에 대한 Vsmps 전압을 생성한다.
바이어스 조정 모드에서, SMPS(720)는 MOS 트랜지스터들(722 및 724) 양자 모두를 턴 오프함으로써 턴 오프된다. NMOS 트랜지스터(752)는 턴 온되고, Ibias 의 기지의 전류를 전력 증폭기(710)로 패스한다. 스위치들(772 및 774)이 클로징되고, NMOS 트랜지스터들(712 및 782)은 전류 미러로서 동작한다. 동일한 DC 전압이 NMOS 트랜지스터들(712 및 782)의 게이트에 인가되기 때문에, NMOS 트랜지스터(782)를 지나는 Icm전류는 NMOS트랜지스터(712)를 지나는 Ibias 전류에 관련되고, 또는 Icm = Ibias/K 이며, 여기서 K 는 NMOS 트랜지스터(782)의 크기에 대한 NMOS 트랜지스터(712)의 크기의 비율이다. 타겟 Ibias 전류는 대응하는 타겟 Icm 전류로 변환될 수도 있다. Op-amp(786)는 스위치들(772 및 774)이 클로징되고, 스위치(776)는 오픈되며 Vbias 전압이 접속되지 않은 상태에서 PMOS 트랜지스터(784)의 Vgs 전압을 감지/측정한다. ADC(758)는 측정된 Vgs 전압을 양자화하고, 디지털화된 Vgs 전압을 프로세서(760)에 제공한다. 프로세서(760)는 PMOS 트랜지스터(784)의 기지의 드레인-소스 저항 Rds 및 ADC(758)로부터의 디지털화된 Vgs 전압에 기초하여 NMOS 트랜지스터(782)를 지나는 Icm 전류를 계산하고, 또는 Icm = Vgs/Rds 이다. Rds 는 PMOS 트랜지스터(784)를 특징지음으로써 결정될 수도 있다. 프로세서(760)는 타겟 Icm 전류에 대해 계산된/측정된 Icm 전류를 비교하고, 측정된 Icm 전류가 타겟 Icm 전류에 매칭하도록 Vbias 전압을 결정한다. 예를 들어, 측정된 Icm 전류가 타겟 Icm 전류보다 작으면, 프로세서(760)는 Vbias 전압을 증가시킬 수도 있는데, Vbias 전압은 그 후 Ibias 전류 및 Icm 전류 양자 모두로 하여금 증가되게 한다. 측정된 Icm 전류가 타겟 Icm 전류보다 크면, 반대의 경우가 적용된다. 바이어스 회로(770)는 프로세서(760)에 의해 나타나는 바와 같이 Vbias 전압을 생성하고, 스위치(772 및 774)가 오픈된 상태에서 스위치(776)를 통해 Vbias 전압을 인가한다. Vbias 전압의 인가 및 Icm 전류의 측정은 순차적으로 또는 반복적으로 수행될 수도 있다. 예를 들어, Icm 전류는 스위치(776)를 오픈함으로써 Vbias 전압이 접속되지 않은 상태에서 측정될 수도 있고, 그 후 Vbias 전압은 스위치들(772 및 774)이 클로징되는 상태에서 인가될 수도 있다. 스위치(776)는, 스위치들(772 및 774)이 클로징되고 Icm 전류가 측정되고 있는 경우 바이어스 회로(770)의 접속을 끊는다. Vbias 전압이 접속되는 동안 스위치들(772 및 774)이 오픈된다.
결국, 상기 제2 종래기술에 따르면, 전력 증폭기(710)의 바이어스 전류를 측정할 수 있고, 에이징, 및 IC 프로세스에서의 변형, 전력 공급 전압, 온도, 및/또는 다른 현상으로 인한 바이어스 변화를 보상하도록 바이어스 전류를 조정할 수 있다.
상기 제2 종래기술은, 비록 송신기 단에 사용되는 앰프 회로에 관한 것이기는 하나, 전력 증폭기(710)의 바이어스 변화에 대응하여 보상을 행하며, 그 중에서는 SMPS 자체의 전압을 변경하는 기술이 부분적으로 암시되어 있기는 하다.
그러나, 오디오용 전력용 앰프의 심하게 변화하는 피크 파형에 순간적으로 반응하여 그러한 피크 파형에 필요한 전력을 적절히 스피커로 보내주기에는, 회로의 구체적인 구성이 미흡하고, SMPS 제어기(726) 외에도, ADC(758)나 프로세서(760)와 같은 복잡한 IC 칩이 추가되어야 하므로, 회로가 너무 무거워진다는 문제점이 있다. 즉, 제2 종래기술의 바이어스 보정회로(740, 742)는, 전력증폭기의 바이어스 전압의 절감되는 전력보다 더 많은 전원이 프로세서나 기타 제어용 회로에서 사용될 것이므로, 결국 소비 전력 절감의 목적을 달성하기 위한 회로가 아니며, 바이어스 정합을 위한 목적이 더 크다고 할 것이다.
더욱이, 상기 제1 및 제2 종래기술은 모두, 전력증폭기의 순간적인 피크 전압에 대응하기 위한 바이어스 전압 조정의 구성에 대해서는 언급이 없다.
대한민국 특허 제1086064호(저소비전력 및 고효율 출력형 오디오 앰프) 대한민국 특허 제1431924호(증폭기들에 대한 바이어스 조정 장치 및 방법)
본 발명은, 상기 제1 내지 제2 종래기술의 문제점에 대한 대책으로서, 오디오용 전력용 앰프의 심하게 변화하는 피크 파형에 순간적으로 반응하여 그러한 피크 파형에 필요한 바이어스 전압을 SMPS에서 적절히 스피커로 보내줌으로써 소비 전력을 최적으로 절감하기 위한 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로를 제공하기 위한 것이다.
더욱이, PA용과 SR용으로 각각 다르게 기준 전압을 설정하고, 스피커로 출력되는 음향 신호 내 피크 전압을 측정하여, 설정된 기준 전압 이하인 출력에서는 낮은 기본 전압을 공급하고, 설정된 기준 전압 이상의 출력이 감지되면, SMPS 자체에서 +VCC, -VCC 전압 출력이 가변되어 앰프로 공급되도록 함으로써, 기존 방식보다 더 저소비전력, 고효율 출력형 앰프를 구현 가능한 소비 전력 개선형 앰프 회로를 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로는, 전력증폭부(110)에서 증폭된 신호를 스피커(SP)로 출력하되 출력단에서 출력되는 피크전압을 검출하는 피크전압 감지부(120)를 더 포함하는 앰프부(100); 및 상기 피크전압 감지부(120)에서 검출된 피크전압 값을 최대 피크 값으로 충전유지하여 기준 전압과 비교하여 앰프 출력이 높아지면 바이어스 값을 높여 주고 앰프 출력이 낮아지면 낮춰주는 방식으로 출력값을 조절하여 출력하는 SMPS부(200); 를 포함하며, 상기 SMPS부(200)는, 통상의 AC 상용전원을 전파정류하는 입력단 정류부(260)와, 상기 입력단 정류부(260)에서 정류된 전원을 인버팅하는 인버팅부(270)와, 상기 인버팅부(270)에서 인버팅된 교류를 스피커 전원에 적합한 전압으로 변압하는 변압기로 이루어지는 변압부(280)와, 상기 변압부(280)에서 변압된 교류를 다시 정류하여 출력하는 출력단 정류부(290)와, 상기 앰프부의 출력을 감지하여 충전 및 유지하는 피크전압 충전부(210)와, 상기 피크전압 충전부(210)의 그대로의 출력전압이나 증폭된 출력전압과 기준 전압을 비교하는 비교부(240)와, 상기 비교부(240)의 출력에 따라서 상기 인버팅부(270)의 인버팅을 제어하는 제어신호 발생부(250)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 앰프부(100)는, 상기 전력증폭부(110)의 출력단(OUT_DETECT1)에 상기 피크전압 감지부(120)가 접속되되, 상기 피크전압 감지부(120)에서는 전압감지용 분압저항(R17,R18)의 연결단에서 반파정류용 다이오드(D8)를 통해 앰프부의 출력단(LEVEL_DET12)으로 접속되어서, 상기 전압감지용 분압저항(R17,R18)에서 감지된 앰프출력단의 피크전압이 반파정류되어 상기 SMPS부(200)로 입력되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 피크전압 충전부(210)는, 상기 앰프부의 출력단(LEVEL_DET12)과 접속된 입력단을 갖는 반파정류된 피크전압이 연결용 제2 저항(R2)을 통해 제1 증폭기(U1-B)의 비반전 입력단에 접속되며, 상기 제1 증폭기(U1-B)의 출력단은 제2 다이오드(D2) 및 제4 저항(R4)을 통해 반전입력단으로 피드백 연결됨과 동시에, 제1 콘덴서(C1)에 접속되어 이루어져서, 상기 앰프부(100)의 출력단에서 감지된 피크전압의 반파정류된 DC 전압을 상기 제1 증폭기(U1-B)에서 피드백시켜 최대 피크 값을 제1 콘덴서(C1)에 충전 후 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 피크전압 충전부(210)의 출력전압을 증폭하는 증폭부(220)를 더 포함하여, 상기 비교부(240)에서는 상기 증폭부(220)에서 증폭된 전압과 기준 전압을 비교하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 비교부(240)의 입력측에는 리미트부(230)가 연결되어, 상기 증폭부(200)의 출력이 리미트부의 리미트 소자에 의해 리미팅되어, 불필요한 일정 전압 혹은 앰프보호를 위한 일정 전압 이상으로는 출력되지 않도록 제한하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 SMPS부(200)는, 상기 비교부(240)의 기준전압 발생을 복수개의 기준전압을 발생시키도록 하기 위한 바이어스설정 절환부(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로; 및 상기 앰프 회로에 의해 출력신호와 대응되는 SMPS 바이어스 전압으로 증폭된 신호를 음성 출력하는 스피커(SP); 를 포함하는 스피커 시스템이 제공된다.
본 발명의 소비 전력 개선형 앰프 회로에 의하면, 오디오용 전력용 앰프의 심하게 변화하는 피크 파형에 순간적으로 반응하여 그러한 피크 파형에 필요한 바이어스 전압을 SMPS에서 적절히 스피커로 보내줌으로써 소비 전력을 최적으로 절감하기 위한 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력을 최적으로 개선하는 것이 가능하다.
더욱이, PA용과 SR용으로 각각 다르게 기준 전압을 설정하고, 스피커로 출력되는 음향 신호 내 피크 전압을 측정하여, 설정된 기준 전압 이하인 출력에서는 낮은 기본 전압을 공급하고, 설정된 기준 전압 이상의 출력이 감지되면, SMPS 자체에서 +VCC, -VCC 전압 출력이 가변되어 앰프로 공급되도록 함으로써, 기존 방식보다 더 저소비전력, 고효율 출력형 앰프를 구현 가능하다.
상기 목적 및 효과 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 1은 종래의 앰프에서의 전력 증폭기에서 발생되는 무효전력을 줄이기 위한 앰프 회로의 블록도.
도 2는 제1 종래기술에 따른 앰프에서의 전력 증폭기에서 발생되는 무효전력을 줄이기 위한 앰프 회로의 블록 구성도.
도 3 및 도 4는 제2 종래기술에 따른 공급 전압을 분리시키기 위해 스위칭된 모드 전력 공급기를 이용하는 바이어스 조정의 예시적인 설계를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 관한 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에서의 앰프부 회로도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에서의 SMPS부 회로도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에서의 SMPS부 회로도.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 관한 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에서의 앰프부 회로도이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에서의 SMPS부 회로도이며, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에서의 SMPS부 회로도이다.
(제1 실시예)
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에 대하여, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
본 발명의 제1 실시예의 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로는, 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 전력증폭부(110)에서 증폭된 신호를 스피커(SP)로 출력하되 출력단에서 출력되는 피크전압을 검출하는 피크전압 감지부(120)를 더 포함하는 앰프부(100); 및 상기 피크전압 감지부(120)에서 검출된 피크전압 값을 최대 피크 값으로 충전유지 및 필요한 전압 값으로 증폭하여 기준 전압과 비교하여 앰프 출력이 높아지면 바이어스 값을 높여 주고 앰프 출력이 낮아지면 낮춰주는 방식으로 VCC 및 VEE 값을 조절하여 출력하는 SMPS부(200); 로 구성되어 진다.
이와 같이 능동적으로 전원 바이어스 전압을 조절하는 경우, 앰프의 출력에 따라 동작에 필요한 최소한의 전압만 공급하게 되어, 앰프에서 사용하는 전력의 사용 효율을 극대화하게 되며, 이는 앰프 사용 시 요구되는 전기 에너지를 최대한 절약할 수 있는 추가적인 장점이 있다.
이제, 본 발명의 제1 실시예의 소비 전력 개선형 앰프 회로의 앰프부(100)를, 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명하면, 스피커(SP)로 음성 신호를 증폭하여 출력하기 위한 통상의 증폭기 및 RC 회로로 이루어지는 전력증폭부(110)의 출력단(OUT_DETECT1)에 상기 피크전압 감지부(120)가 접속되는바, 상기 피크전압 감지부(120)에서는 전압감지용 분압저항(R17,R18)의 연결단에서 반파정류용 다이오드(D8)를 통해 앰프부의 출력단(LEVEL_DET12)으로 접속되어진다. 그리하여 상기 전압감지용 분압저항(R17,R18)에서 감지된 앰프출력단의 피크전압이 도 6의 SMPS부(200)로 입력되어 진다. 미설명부호 'RL'은 릴레이이다.
계속해서, 본 발명의 제1 실시예의 소비 전력 개선형 앰프 회로의 SMPS부(200)를, 도 6을 참조하여 더욱 상세히 설명하면, 통상의 AC 상용전원을 전파정류하는 입력단 정류부(260)와, 상기 입력단 정류부(260)에서 정류된 전원을 인버팅하는 인버팅부(270)와, 상기 인버팅부(270)에서 인버팅된 교류를 스피커 전원에 적합한 전압으로 변압하는 변압기로 이루어지는 변압부(280)와, 상기 변압부(280)에서 변압된 교류를 다시 정류하는 출력단 정류부(290)로 이루어지는 통상적인 SMPS부(200)에 있어서, 피크전압 충전부(210), 증폭부(220), 리미트부(230), 비교부(240) 및 제어신호 발생부(250)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 특징에 대해 좀더 상술하면, 앰프부의 출력단(LEVEL_DET12)과 접속된 입력단을 갖는 피크전압 충전부(210)에서는, 반파정류된 피크전압이 연결용 제2 저항(R2)을 통해 제1 증폭기(U1-B)의 비반전 입력단에 접속되는바, 상기 제1 증폭기(U1-B)의 출력단은 제2 다이오드(D2) 및 제4 저항(R4)을 통해 반전입력단으로 피드백 연결됨과 동시에, 제1 콘덴서(C1)에 접속되어 진다. 참고로, 상기 제1 증폭기(U1-B)의 비반전 입력단에는 상기 제2 저항(R2)과 병렬로 제1 저항(R1)이 일례로 12V 전원에 접속되는바, 이는 최소전원이 유지되도록 하기 위함이다. 그외, 상기 제1 증폭기(U1-B)에 부가되는 소자로서 제2 콘덴서(C2), 제3 저항(R3) 및 제5 저항(R5)이 추가된다.
한편, 상기 제1 증폭기(U1-B)의 반전입력단 (즉, 상기 제1 콘덴서(C1)) 은 제6 저항(R6)을 통해 상기 증폭부(200)의 제2 증폭기(U1-A)의 비반전 입력단에 접속되는바, 여기서 필요한 전압 값으로 전압 증폭을 하게 된다. 역시, 제2 증폭기(U1-A)의 출력단이 피드백용 제5 콘덴서(C5) 및 제7 저항(R7)을 통해 반전입력단에 접속되며, 그외 부수적인 소자로서 제3 콘덴서(C3) 및 제8 저항(R8)이 추가된다.
이제, 상기 증폭부(200)의 제2 증폭기(U1-A)의 출력단은 제10 저항(R10) 및 제11 저항(R11)을 통해 상기 비교부(240)의 비교기(U3-A)의 비반전 입력단에 접속되는바, 그리하여, 기준전압 생성부(R12, R13, R14)에 의해 생성된 기준전압과 비교한 출력값을 출력하게 되고, 이상의 상기 비교부(240)의 출력에 응하여 최종적으로 SMPS의 전원출력을 제어하게 된다. (즉, 앰프부의 출력단에서 감지된 피크전압의 반파정류된 DC 전압을 상기 제1 증폭기(U1-B)에서 피드백시켜 최대 피크 값을 제1 콘덴서(C1)에 충전 후 유지되게 하고, 상기 제2 증폭기(U1-A)를 통해 전압 증폭을 하게 하여 필요한 전압 값으로 바꾼 후 (이때, 제너다이오드(U2)에 의해 DC전압의 최대 전압에 리미트를 걸어 +VCC와 -VEE의 전압을 일정 이상으로 증가하지 않게 한다), 상기 비교기(U3-A)의 기준값과 비교되어 진다.)
참고로, 상기 비교부(240)의 제11 저항(R11)에는 리미트부(230)가 연결되는 것이 바람직한바, 상기 증폭부(200)의 출력이 리미트부의 리미트 소자(일례로 제너다이오드(U2))에 의해 리미팅되어, 불필요한 혹은 앰프보호를 위한 일정 전압 이상으로는 출력되지 않도록 제한하도록 한다.
계속해서 상기 제어신호 발생부(250)에 대하여 더 상세히 설명하면, 상기 제어신호 발생부(250)의 포토커플러(PC1)의 발광부의 하위전원단 (일례로 도 6에서 PC1의 2번핀) 이 연결용 저항(R15) 및 역전방지용 다이오드(D7)를 통해 상기 비교부(240)의 비교기(U3-A)의 출력단에 접속되는바, 그리하여 기준전압발생부(R12,R13,R14)의 저항값을 변경하여 설정한 전압인 비교 기준값보다, 앰프의 출력값이 설정 범위 이상의 전압일 때, 상기 비교기(U3-A)의 출력단(1번핀)의 출력값이 LOW값으로 바뀌어 상기 제어신호 발생부(250)의 포토커플러(PC1)를 도통하게 하고, 결국, 이를 통해 SMPS부의 인버팅부(270)의 PWM 컨트롤러(171)의 제어신호 입력단(MAIN_F/B)으로 인가되고, 이로 인해 PWM DUTY가 조절되어 인버팅용 스위칭소자(272,273)(일례로 MOS FET)를 고역율의 듀티비로 온/오프함으로써, 결국, 상기 SMPS의 출력 전압을 보다 높게 조절하여 출력하게 된다.
참고로, 도 6의 앰프 회로만으로도, 앰프에서 SMPS의 출력 전압이 고정되었을 때, 하이 임피던스(HIGH IMPEDANCE)용 PA 앰프로 사용할 때의 전압이 높아, 로우 임피던스(LOW IMPEDANCE)용 SR 앰프로 사용시 앰프의 스위칭 로스가 증가하고 전력 효율이 떨어지는 문제를 해결하고, 전체적인 제품의 전력 효율을 높여 전력 낭비를 개선할 수 있으며, 더 나아가 PA 앰프 및 SR 앰프 모두에 대해 대응하는 것이 가능하다.
반대로, 상기 기준전압발생부(R12,R13,R14)의 저항값에 의해 설정된 비교 기준값보다, 앰프의 출력값이 설정 범위 이하의 전압일 때에는, 상기 비교기(U3-A)의 출력단(1번핀)의 출력값이 HIGH값으로 바뀌어, 상기 제어신호 발생부(250)의 포토커플러(PC1)를 도통하지 않게 하고, 결국 이를 통해 SMPS부의 인버팅부(270)의 PWM 컨트롤러(171)의 제어신호 입력단(MAIN_F/B)으로 제어신호가 인가되지 않도록 할 것인바, 이로 인해 PWM DUTY가 조절되어 인버팅용 스위칭소자(272,273)(일례로 MOS FET)를 저역율의 듀티비로 온/오프함으로써, 결국, 상기 SMPS의 출력 전압을 보다 낮게 조절하여 출력하게 되는바, 특히 본 발명의 소비 전력 개선형 앰프 회로에 의하면 극히 간단한 회로로서 피크 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 것이 가능하게 된다.
(제2 실시예)
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로에 대하여, 도 5 및 도 7을 참조하여 설명한다.
본 제2 실시예의 소비 전력 개선형 앰프 회로에서 앰프부(100)는 도 5의 제1 실시예의 경우와 동일하며, 다만 SMPS부(200')에 있어서만 차이가 있는바, 본 제2 실시예의 SMPS부(도 7의 200') 역시, 제1 실시예의 SMPS부(도 6의 200)와 비교하여, 바이어스설정 절환부(300)의 유무에 있어서만 차이가 있는바, 따라서 다른 설명은 생략하고, 이후 상기 바이어스설정 절환부(300)에 대해서만 설명한다.
즉, 본 제2 실시예의 SMPS부(200')는, 도 7에서 보듯이, 상기 비교부(240')의 기준전압 발생을 위한 기준전압발생회로가 복수개인바, 일례로, PA용 기준전압발생회로(R12,R13,R14)와 SR용 기준전압발생회로(R12,R13,R19)를 갖으며, 이들 간을 절환하기 스위칭하기 위한 바이어스설정 절환부(300)가 추가되어진다.
즉, 상기 바이어스설정 절환부(300)가 PA용으로 스위칭되면 (도 7의 실선 참조), PA용 기준전압발생회로(R12,R13,R14)가 상기 비교기(U3-A)의 반전 입력단에 상대적으로 낮은 기준 전압을 인가하게 되며, 반면 상기 바이어스설정 절환부(300)가 SR용으로 스위칭되면 (도 7의 점선 참조), SR용 기준전압발생회로(R12,R13,R19)가 상기 비교기(U3-A)의 반전 입력단에 상대적으로 높은 기준 전압을 인가하게 된다.
결국, 본 제2 실시예의 소비 전력 개선형 앰프 회로에 의하면, 동작 전압이 상이한 PA와 SR 분야 모두에 대해 더욱 확실하게 대응 가능하도록 기준전압값을 다르게 설정하여, 앰프가 사용되는 대부분의 환경에서 소비 전력을 최대한 절약할 수 있는 장점이 있다.
또한, 소비자가 앰프 외부에 장착된 스위치를 PA용으로 사용 시에는 R14 쪽으로, SR용으로 사용 시에는 R19쪽으로 설정하면 더욱 확실하게 바이어스 전압의 설정 변경이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 최적 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
100 : 앰프부 110 : 전력증폭부
120 : 피크전압 감지부
200 : SMPS부 210 : 피크전압 충전부
220 : 증폭부 230 : 리미트부
240 : 비교부 250 : 제어신호 발생부
260 : 입력단 정류부 270 : 인버팅부
280 : 변압부 290 : 출력단 정류부
300 : 바이어스설정 절환부
RL : 릴레이 SP : 스피커

Claims (5)

  1. 전력증폭부(110)에서 증폭된 신호를 스피커(SP)로 출력하되 출력단에서 출력되는 피크전압을 검출하는 피크전압 감지부(120)를 더 포함하는 앰프부(100); 및
    상기 피크전압 감지부(120)에서 검출된 피크전압 값을 최대 피크 값으로 충전유지하여 기준 전압과 비교하여 앰프 출력이 높아지면 바이어스 값을 높여 주고 앰프 출력이 낮아지면 낮춰주는 방식으로 출력값을 조절하여 출력하는 SMPS부(200);
    를 포함하며,
    상기 SMPS부(200)는,
    통상의 AC 상용전원을 전파정류하는 입력단 정류부(260)와,
    상기 입력단 정류부(260)에서 정류된 전원을 인버팅하는 인버팅부(270)와,
    상기 인버팅부(270)에서 인버팅된 교류를 스피커 전원 전압으로 변압하는 변압기로 이루어지는 변압부(280)와,
    상기 변압부(280)에서 변압된 교류를 다시 정류하여 출력하는 출력단 정류부(290)와,
    상기 앰프부의 출력을 감지하여 충전 및 유지하는 피크전압 충전부(210)와,
    상기 피크전압 충전부(210)의 그대로의 출력전압이나 증폭된 출력전압과 기준 전압을 비교하는 비교부(240)와,
    상기 비교부(240)의 출력에 따라서 상기 인버팅부(270)의 인버팅을 제어하는 제어신호 발생부(250)
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 피크전압 충전부(210)의 출력전압을 증폭하는 증폭부(220)를 더 포함하여, 상기 비교부(240)에서는 상기 증폭부(220)에서 증폭된 전압과 기준 전압을 비교하며,
    상기 비교부(240)의 입력측에는 리미트부(230)가 연결되어, 상기 증폭부(220)의 출력이 리미트부의 리미트 소자에 의해 리미팅되어, 불필요한 일정 전압 혹은 앰프보호를 위한 일정 전압 이상으로는 출력되지 않도록 제한하는 것을 특징으로 하는 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로.
  2. 전력증폭부(110)에서 증폭된 신호를 스피커(SP)로 출력하되 출력단에서 출력되는 피크전압을 검출하는 피크전압 감지부(120)를 더 포함하는 앰프부(100); 및
    상기 피크전압 감지부(120)에서 검출된 피크전압 값을 최대 피크 값으로 충전유지하여 기준 전압과 비교하여 앰프 출력이 높아지면 바이어스 값을 높여 주고 앰프 출력이 낮아지면 낮춰주는 방식으로 출력값을 조절하여 출력하는 SMPS부(200);
    를 포함하며,
    상기 SMPS부(200)는,
    통상의 AC 상용전원을 전파정류하는 입력단 정류부(260)와,
    상기 입력단 정류부(260)에서 정류된 전원을 인버팅하는 인버팅부(270)와,
    상기 인버팅부(270)에서 인버팅된 교류를 스피커 전원 전압으로 변압하는 변압기로 이루어지는 변압부(280)와,
    상기 변압부(280)에서 변압된 교류를 다시 정류하여 출력하는 출력단 정류부(290)와,
    상기 앰프부의 출력을 감지하여 충전 및 유지하는 피크전압 충전부(210)와,
    상기 피크전압 충전부(210)의 그대로의 출력전압이나 증폭된 출력전압과 기준 전압을 비교하는 비교부(240)와,
    상기 비교부(240)의 출력에 따라서 상기 인버팅부(270)의 인버팅을 제어하는 제어신호 발생부(250)
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 앰프부(100)는, 상기 전력증폭부(110)의 출력단(OUT_DETECT1)에 상기 피크전압 감지부(120)가 접속되되, 상기 피크전압 감지부(120)에서는 전압감지용 분압저항(R17,R18)의 연결단에서 반파정류용 다이오드(D8)를 통해 앰프부의 출력단(LEVEL_DET12)으로 접속되어서, 상기 전압감지용 분압저항(R17,R18)에서 감지된 앰프출력단의 피크전압이 반파정류되어 상기 SMPS부(200)로 입력되며,
    상기 피크전압 충전부(210)는, 상기 앰프부의 출력단(LEVEL_DET12)과 접속된 입력단을 갖는 반파정류된 피크전압이 연결용 제2 저항(R2)을 통해 제1 증폭기(U1-B)의 비반전 입력단에 접속되며, 상기 제1 증폭기(U1-B)의 출력단은 제2 다이오드(D2) 및 제4 저항(R4)을 통해 반전입력단으로 피드백 연결됨과 동시에, 제1 콘덴서(C1)에 접속되어 이루어져서, 상기 앰프부(100)의 출력단에서 감지된 피크전압의 반파정류된 DC 전압을 상기 제1 증폭기(U1-B)에서 피드백시켜 최대 피크 값을 제1 콘덴서(C1)에 충전 후 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피크전압 충전부(210)는, 상기 앰프부의 출력단(LEVEL_DET12)과 접속된 입력단을 갖는 반파정류된 피크전압이 연결용 제2 저항(R2)을 통해 제1 증폭기(U1-B)의 비반전 입력단에 접속되며, 상기 제1 증폭기(U1-B)의 출력단은 제2 다이오드(D2) 및 제4 저항(R4)을 통해 반전입력단으로 피드백 연결됨과 동시에, 제1 콘덴서(C1)에 접속되어 이루어져서, 상기 앰프부(100)의 출력단에서 감지된 피크전압의 반파정류된 DC 전압을 상기 제1 증폭기(U1-B)에서 피드백시켜 최대 피크 값을 제1 콘덴서(C1)에 충전 후 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 피크전압 충전부(210)의 출력전압을 증폭하는 증폭부(220)를 더 포함하여, 상기 비교부(240)에서는 상기 증폭부(220)에서 증폭된 전압과 기준 전압을 비교하며,
    상기 비교부(240)의 입력측에는 리미트부(230)가 연결되어, 상기 증폭부(220)의 출력이 리미트부의 리미트 소자에 의해 리미팅되어, 불필요한 일정 전압 혹은 앰프보호를 위한 일정 전압 이상으로는 출력되지 않도록 제한하는 것을 특징으로 하는 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 SMPS부(200)는, 상기 비교부(240)의 기준전압 발생을 복수개의 기준전압을 발생시키도록 하기 위한 바이어스설정 절환부(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 신호를 감지하여 능동적으로 SMPS 바이어스 전압을 조절하는 소비 전력 개선형 앰프 회로.
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