KR102441768B1 - 에너지 리사이클 능력을 구비한 구동 회로 - Google Patents

에너지 리사이클 능력을 구비한 구동 회로 Download PDF

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Abstract

구동 회로가 개시된다. 상기 구동 회로는 전압원과 부하 사이에 결합되고, 상기 전압원에서 상기 부하로의 제1 전류를 형성하도록 구성된 충전 회로; 및 상기 전압원과 상기 부하 사이에 결합되고, 상기 부하에서 상기 전압원으로 되돌아가는 제2 전류를 형성하도록 구성된 방전 회로를 포함한다.

Description

에너지 리사이클 능력을 구비한 구동 회로 {DRIVING CIRCUIT WITH ENERGY RECYCLE CAPABILITY}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 12월 10일에 출원된 미국 가출원 제62/946,323호, 2020년 2월 14일에 출원된 미국 가출원 제62/977,027호, 2020년 6월 11일에 출원된 미국 가출원 제63/038,062호, 2020년 7월 19일에 출원된 미국 가출원 제63/053,662호의 혜택을 주장하며, 이들 출원은 인용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 출원은 구동 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 에너지 리사이클이 가능한 구동 회로에 관한 것이다.
최근, 압전 작동형(piezoelectric-actuated) 스피커(피에조 스피커)가 등장하고 있다. 박막 압전 액추에이터의 정전 용량 특성으로 인해 이러한 피에조 스피커는 증폭기에 고용량성 부하를 제공한다. 그러나 클래스 AB, 클래스 D, 클래스 G, 클래스 H 증폭기와 같은 기존의 구동 회로는 부하(매우 가는 와이어로 만들어진 코일)가 대부분 저항성이고 약간 유도성이라고 가정하여 모두 진화했는데, 이러한 증폭기는 피에조 스피커와 같은 고용량성 부하를 구동할 때 비효율적이다.
또한, 부하의 용량성 특성으로 인해, 전류 및 구동 전압은 약 90°위상차가 된다. 결과적으로 피에조 스피커는 충전 단계에서 실제로 많은 전력을 소비하지 않는다. 충전 단계에서 인출된 에너지의 대부분은 부하의 정전용량(capacitance) 내에 저장된다. 그러나 방전 단계에서 스피커 단자의 전압이 감소하는 경우, 종래의 클래스 AB, 클래스 D, 클래스 G 또는 클래스 H 증폭기는 그저 부하의 정전용량으로부터 접지(또는 음의 전력 공급 장치)로 에너지를 배출할 것이므로, 낭비된다.
따라서, 종래 기술의 개선이 필요하다.
따라서, 종래 기술의 단점을 개선하기 위해 에너지 리사이클 능력을 구비한 구동 회로를 제공하는 것이 본 출원의 주요 목적이다.
본 출원의 일 실시예는 구동 회로를 개시한다. 상기 구동 회로는 전압원과 부하 사이에 결합되고, 상기 전압원에서 상기 부하로의 제1 전류를 형성하도록 구성된 충전 회로; 및 상기 전압원과 상기 부하 사이에 결합되고, 상기 부하로부터 상기 전압원으로 되돌아가는 제2 전류를 형성하도록 구성된 방전 회로를 포함한다.
본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적은 다양한 도면에 도시된 바람직한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 읽은 후 당업자에게 의심의 여지 없이 명백할 것이다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 펄스 폭 변조 제어기의 개략도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 8은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 9는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 10은 본 출원의 실시예에 따른 신호 비교 파형을 나타낸다.
도 11은 본 출원의 실시예에 따른 신호 비교 파형을 나타낸다.
도 12는 충전 회로 및 방전 회로의 전하 수송 능력(charge transferring capability) 곡선을 나타낸다.
도 13은 본 출원의 일 실시예에 따른 입력 신호의 파형을 나타낸다.
도 14는 본 출원의 일 실시예에 따른 보조 증폭 회로의 개략도이다.
도 15는 본 출원의 일 실시예에 따른 소스 바이패스(source bypass) 커패시터 및 부하 바이패스(load bypass) 커패시터의 개략도이다.
도 16은 본 출원의 실시예에 따른 충전 회로 및 방전 회로를 나타낸다.
도 17은 본 출원의 일 실시예에 따른 프로세스의 개략도이다.
본 출원에서 "~에 결합된(coupled to)"이라는 용어는 직접 또는 간접 연결을 의미할 수 있다. "구성요소 B에 결합된 구성요소 A"는 구성요소 A가 구성요소 B에 직접 연결되거나 구성요소 A가 일부 구성요소 C를 통해 구성요소 B에 연결된다는 것을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(10)의 개략도이다. 전압원(11)과 부하(13) 사이에 결합된 구동 회로(10)는 입력 신호(IN)에 따라 부하(13)를 구동하기 위한 입력 신호(IN)를 수신한다.
전압원(11)은 에너지 저장 능력을 소유할 수 있다. 예를 들어, 전압원(11)은 배터리(재충전 가능한 배터리일 수도 있고 아닐 수도 있음) 또는 DC(Direct Current) 전원 공급 장치, 예컨대 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전압원(11)(예: DC-DC 스위칭 전원 공급 장치)는 커패시터를 포함하거나 그 속에 정전용량을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 부하(13)는 스피커, 또는 동등하게, 소리 생성 기기 또는 음향 변환기를 포함할 수 있다. 이 경우, 입력 신호(IN)는 오디오 신호일 수 있다. 일 실시예에서, 부하(13) 내의 스피커는 압전 작동형 스피커를 포함할 수 있다. 구체적으로, 구동 회로(10)는 압전 작동형 스피커의 압전 액추에이터에 연결될 수 있다. 부하(13) 내의 압전 액추에이터는 제1/상부 전극과 제2/하부 전극 사이에 끼워진 압전 층을 포함할 수 있다. 또한, 구동 회로(10)는 액추에이터의 전극에 연결될 수 있다. 유의할 것은, 제1/상부 전극과 제2/하부 전극 사이에 상당한 정전용량이 존재한다 것이다.
구동 회로(10)는 충전 단계 동안 전압원(11)에서 부하(13)로의 충전 전류를 형성할뿐만 아니라, 방전 단계 동안 부하(13)에서 전압원(11)으로 되돌아가는 방전 전류를 형성하도록 구성된다. 이와 관련하여, 충전 단계 동안 부하(13) 내의 정전용량에 저장된 에너지는 방전 단계 동안 전압원(11) 내의(또는 함께) 정전용량으로 다시 리사이클될 것이어서, 전체 소비 에너지가 감소된다.
구체적으로, 구동 회로(10)는 충전 회로(12), 방전 회로(14) 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어기(16)를 포함한다. 충전 회로(12) 및 방전 회로(14)는 전압원(11)에 결합된 제1 단자와 부하(13)에 결합된 제2 단자를 갖는다. 충전 회로(12)는 전압원(11)에서 부하(13)로의 제1/충전 전류(Ich)를 형성하도록(또는 제1/충전 전류 경로를 제공하도록) 구성되고; 방전 회로(14)는 부하(13)에서 전압원(11)으로 되돌아가는 제2/방전 전류(Idis)를 형성하도록(또는 제2/방전 전류 경로를 제공하도록) 구성된다.
부하(13) 내의 정전용량과 함께, 충전 회로(12)는 부스트 변환기(boost converter)(일종의 DC-DC 변환기)와 유사하고, 방전 회로(14)는 벅 변환기(buck converter)(다른 종류의 DC-DC 변환기)와 유사하다. 즉, 구동 회로(10)는 부스트 변환기(충전 회로(12))를 이용하여 부하(13) 내의 정전용량에 대해 충전 동작을 수행하고, 벅 변환기(방전 회로(14))를 이용하여 부하(13) 내의 정전용량에 대해 방전 동작을 수행한다고 볼 수 있다.
일 실시예에서, 충전 단계 동안, 입력 신호(IN)의 상승 부분(upswing portion)에 대응하는 시간 구간(time interval)에서, 부스트 변환기(충전 회로(12))는 충전 동작을 수행하기 위해 전압원(11)에서 부하(13)로 충전 전류(Ich)를 제공하고; 방전 단계 동안, 입력 신호(IN)의 하강 부분(downswing portion)에 대응하는 시간 구간에서, 방전 회로(14)는 방전 동작을 수행하기 위해 부하(13)로부터의 방전 전류(Idis)를 전압원(11)으로 되돌아가게 한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 충전 회로(12)는 스위치(S1), 다이오드(D1) 및 인덕터(L1)을 포함하고; 방전 회로(14)는 스위치(S2), 다이오드(D2) 및 인덕터(L2)를 포함한다. 스위치(S1)는 제1 PWM 신호(SU)에 의해 제어되고, 스위치(S2)는 제2 PWM 신호(SD)에 의해 제어되며, 여기서 PWM 신호(SU, SD)는 PWM 제어기(16)에 의해 생성된다. PWM 제어기(16)는 입력 신호(IN)를 수신하기 위한 제1 입력 단자 및 피드백 신호(FB1)를 수신하도록 부하(13)에 결합된 및 제2 입력 단자를 갖는다. 구동 회로(10)가 입력 신호(IN)에 따라 부하(13)를 구동하도록, PWM 제어기(16)는 입력 신호(IN) 및 피드백 신호(FB1)에 따라 PWM 신호(SU, SD)를 생성한다. 다이오드(D1, D2)는 정류 구성요소로서 작동하는데, 이에 대해서는 나중에 자세히 설명한다.
구동 회로(10) 내의 구성요소들 간의 연결은 다음과 같이 상세하게 설명된다. 충전 회로(12) 내에서, 다이오드(D1)의 애노드는 인덕터(L1)를 통해 전압원(11)에 결합되고 다이오드(D1)의 캐소드는 부하(13)에 결합된다. 스위치(S1)의 제1 단자는 다이오드(D1)의 애노드에 결합된다. 즉, 인덕터(L1)의 제1 단자는 전압원(11)에 결합되고, 인덕터(L1)의 제2 단자는 다이오드(D1)의 애노드 및 스위치(S1)의 제1 단자에 결합된다. 일 실시예에서, 스위치(S1)의 제2 단자는 도 1에 나타낸 바와 같이, 접지 단자에 결합될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 방전 회로(14) 내에서, 스위치(S2)의 제1 단자는 인덕터(L2)를 통해 전압원(11)에 결합되고 제2 스위치(S2)의 제2 단자는 부하(13)에 결합된다. 다이오드(D2)의 캐소드는 스위치(S2)의 제1 단자에 결합된다. 즉, 인덕터(L2)의 제1 단자는 전압원(11)에 결합되고, 인덕터(L2)의 제2 단자는 다이오드(D2)의 캐소드 및 스위치(S2)의 제1 단자에 결합된다. 일 실시예에서, 다이오드(D2)의 애노드는 도 1에 나타낸 바와 같이, 접지 단자에 결합될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 다이오드(D1, D2)는 적절한(게이트) 제어 신호를 구비한 스위치/MOSFET를 포함하는 동기식 정류기(Synchronous Rectifier, SR)로 대체될 수 있는데, 이에 대해서는 나중에 상세히 설명한다.
일 실시예에서, 전압원(11) 및 부하(13)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 접지 단자에 결합될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전압원(11)은 공급/소스 전압(VS)을 제공하고, 부하(13)는 부하 전압(VL)을 갖는다. 구동 회로(10)는 공급/소스 전압(VS)이 부하 전압(VL) 이하, 즉 VS≤VL인 상황에서 동작할 수 있다.
회로 토폴로지가 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치(예: 부스트 변환 및/또는 역 변환)와 유사함에도 불구하고, 스위치(S1/S2)의 제어 메커니즘은 종래의 클래스 D 증폭기에서 사용되는 것과 유사하며; 여기서 스위치(S1/S2)는 입력 신호(IN) 및 피드백 신호(FB1)에 따라 생성된 PWM 신호와 PWM 제어기에 의해 제어된다. PWM 제어기에 대해서는 나중에 자세히 설명한다.
종래기술의 구동 회로와는 달리, 방전 전류(Idis)는 방전 회로(14)에 의해, 접지 단자 또는 다른 전압원(예: 음의 전압원)으로 향하는 대신에, 전압원(11)을 향해 전환된다. 이는 부하(13) 내의 정전용량에 저장된 에너지/전하가 리사이클되어 전압원(11)에 저장된다고 볼 수 있다. 따라서, 구동 회로의 전력 소비가 상당히 감소된다.
또한, 인덕터가 비용을 증가시키고 더 많은 물리적 공간을 차지하는 것을 고려해 볼 때, 인덕터(L1)와 인덕터(L2)를 병합할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(20)의 개략도이다. 구동 회로(20)는 구동 회로(10)와 유사하므로, 동일한 구성요소는 동일한 표기가 부여된다. 구동 회로(10)와 달리 인덕터(L1, L2)는 인덕터(L12)로 대체된다. 구동 회로(20)가 포함하는 충전 회로(22)와 방전 회로(24)는 동일한 인덕터(L12)를 공유한다. 도 2가 보여주는 바와 같이, 인덕터(L12)의 제1 단자는 전압원(11)에 결합되고, 인덕터(L12)의 제2 단자는 다이오드(D1)의 애노드, 스위치(S1)의 제1 단자, 다이오드(D2)의 캐소드 및 스위치(S2)의 제1 단자에 결합된다.
구동 회로(20)는 (구동 회로(10)에 비해) 하나의 인덕터를 절약하기 때문에, 구동 회로(20)는 구동 회로(10)보다 더 콤팩트할 수 있고, 구동 회로(20)에 사용되는 인덕터(L21)는 더 큰 코어를 가질 수 있도록 해주고 더 높은 포화 전류(ISAT)를 가져올 수 있도록 해주어, 구동 능력을 향상시킨다.
또한, 본 출원의 구동 회로는 VS≥VL일 때 동작할 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(30)의 개략도인 도 3을 참조한다. 구동 회로(30)는 VS≥VL의 조건에서 동작할 수 있다. 구동 회로(30)는 충전 회로(32) 및 방전 회로(34)를 포함한다. 구동 회로(10)와 달리, 충전 회로(32)는 벅 변환기와 유사하고, 방전 회로(34)는 부스트 변환기와 유사하다. 다시 말해, 구동 회로(30)는 벅 변환기(충전 회로(32))를 이용하여, Ich로 나타낸 바와 같이, 부하(13) 내의 정전용량에 전하를 더하고 부스트 변환기(방전 회로(34))를 이용하여, Idis로 나타낸 바와 같이, 부하(13) 내의 정전용량으로부터 전하를 제거한다.
구동 회로(30) 내의 구성요소들 간의 연결은 다음과 같이 상세히 설명된다. 충전 회로(32) 내에서, 스위치(S1)의 제1 단자는 전압원(11)에 결합되고 스위치(S1)의 제2 단자는 인덕터(L1)를 통해 부하(13)에 결합된다. 다이오드(D1)의 캐소드는 스위치(S1)의 제2 단자에 결합된다. 인덕터(L1)의 제1 단자는 다이오드(D1)의 캐소드에 연결되고 인덕터(L1)의 제2 단자는 부하(13)에 결합된다. 일 실시예에서, 다이오드(D1)의 애노드는 도 3에 나타낸 바와 같이 접지 단자에 결합될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 방전 회로(34) 내에서, 다이오드(D2)의 캐소드는 전압원(11)에 결합되고, 다이오드(D2)의 애노드는 인덕터(L2)를 통해 부하(13)에 결합된다. 스위치(S2)의 제1 단자는 다이오드(D2)의 애노드에 결합된다. 인덕터(L2)의 제1 단자는 다이오드(D2)의 캐소드 및 스위치(S2)의 제1 단자에 결합된다. 인덕터(L2)의 제2 단자는 부하(13)에 결합된다. 일 실시예에서, 스위치(S2)의 제2 단자는 도 3에 나타낸 바와 같이 접지 단자에 결합될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
구동 회로(10)로부터 구동 회로(20)로의 변화와 유사하게, 구동 회로(30)의 인덕터(L1, L2)도 인덕터(L21)로서 병합될 수 있다. 도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(40)의 개략도이다. 도 4가 보여주는 바와 같이, 인덕터(L12)의 제1 단자가 다이오드(D1)의 캐소드, 스위치(S1)의 제2 단자, 다이오드(D2)의 애노드 및 스위치(S2)의 제1 단자에 결합된다. 인덕터(L12)의 제2 단자는 부하(13)에 결합된다.
유의할 것은, 부스트 변환기 및/또는 벅 변환기는 충전 회로 및/또는 방전 회로에 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다는 것이다. 다른 유형의 DC-DC 변환기(들)도 충전 회로 및/또는 방전 회로로서 사용될 수 있으며, 이는 또한 본 출원의 범위 내에 있다.
이하에서는 PWM 제어기를 자세히 설명한다. 도 5는 본 출원의 실시예에 따른 PWM 제어기(56)의 개략도이다. PWM 제어기(56)는 PWM 제어기(16)를 실현하는 데 사용될 수 있다. 종래의 클래스 D 증폭기의 제어 메커니즘과 비교하여, PWM 제어기(56)는 하나가 아닌 두 개의 PWM 신호를 생성한다. 이것은 비교 신호 발생기(560), 에러 증폭 회로(566) 및 두 개의 비교기(562, 564)에 의해 달성된다.
에러 증폭기(566)는 입력 신호(IN) 및 피드백 신호(FB1)로부터 에러 신호(Ver)를 생성한다. 일 실시예에서, 에러 증폭기(566)의 양의 입력 단자는 입력 신호(IN)를 수신하고 에러 증폭기(566)의 음의 입력 단자는 피드백 신호(FB1)를 수신하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 에러 증폭기(566)의 포화 영역에 들어가지 않으면서, 에러 신호(Verr)은 에러/차이(IN-FB1)의 증폭된 버전을 나타낸다.
일 실시예에서, 에러 증폭기(566)는 연산 증폭기 또는 차동 트랜지스터 쌍을 포함하는 차동 증폭기일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
비교 신호 발생기(560)는 제1 비교 신호(UU) 및 제2 비교 신호(DD)를 발생하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제1 비교 신호(UU) 및 제2 비교 신호(DD)는 삼각(또는 톱니) 파형을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 비교 신호(UU)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 단순히 제2 비교 신호(DD)의 오프셋 버전이다. 즉, 제1 비교 신호(UU)는 UU=DD+Δ로 표현될 수 있으며, 여기서 Δ는 오프셋을 나타낸다.
비교기(562)는 에러 신호(Verr)를 제1 비교 신호(UU)와 비교하여, 제1 PWM 신호(SU)를 발생시키고; 비교기(564)는 에러 신호(Verr)를 제2 비교 신호(DD)와 비교하여 제2 PWM 신호(SD)를 발생시킨다. 일 실시예에서, 제1 비교기(562)의 양의 입력 단자는 에러 신호(Verr)를 수신하고, 제1 비교기(562)의 음의 입력 단자는 제1 비교 신호(UU)를 수신하며; 제2 비교기(564)의 음의 입력 단자는 에러 신호(Verr)를 수신하고, 제2 비교기(564)의 양의 입력 단자는 제2 비교 신호(DD)를 수신한다.
제1 비교 신호(UU)가 단순히 제2 비교 신호(DD)의 오프셋 버전인 것에 더하여, 일 실시예에서, 제1 비교 신호(UU)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 비교 신호(DD)의 오프셋 및 스케일링된 버전일 수 있고/있거나 그 반대일 수 있다. 다시 말해, 비교 신호 UU/DD는 UU=a·DD+Δ'로 표현될 수 있으며, 여기서 Δ'는 오프셋을 나타내고, a는 1보다 크거나(즉, a> 1) 1 미만(즉, a <1)일 수 있는, 소정의 스케일링 인자를 나타낸다. 오프셋 Δ/Δ' 및 스케일링 인자 a의 값은 실제 상황에 따라 설계될 수 있으며, 이는 또한 본 출원의 범위 내에 있다.
일 실시예에서, 오프셋 Δ는 제1 비교 신호(UU)의 최저 (전압) 레벨(LLU)이 제2 비교 신호(DD)의 최고 (전압) 레벨(LHD)보다 작도록 설계될 수 있으며, 이는 도 10a에 나타낸 바와 같이, 최저 레벨(LLU)과 최고 레벨(LHD) 사이에 중첩 영역(a0)이 존재함을 의미한다. 이 경우, 에러 신호(Verr)이 중첩 영역 사이에 있는 경우, 즉 LLU<Verr<LHD일 때, 비교기(562)는 낮은 듀티 인자를 갖는 PWM 신호(SU)를 생성할 것이고, 비교기(564)는 낮은 듀티 인자를 갖는 PWM 신호(SD)를 생성할 것이다. 또한, 낮은 듀티 인자를 갖는 PWM 신호(SU)의 펄스(들)(PU) 및 시간적으로 인터리빙된다(interleaved). 인터리빙된 PWM 신호(SU, SD)는 인덕터(L1, L2)를 통해 흐르는 작은 전류를 생성할 것이다. (인터리빙된 펄스(PU, PD)로 인한) 작은 전류는 종래의 클래스 AB 증폭기의 대기 전류(quiescent current)와 유사하게 기능하며, 부하(13)에서의 에러 또는 왜곡(예: THD, 총 고조파 왜곡)을 줄이는 데 도움이 될 것이다.
유의할 것은, 구동 회로(10∼40)에서, 주어진 듀티 사이클의 PWM 신호의 각 사이클 동안 수송된 전자 전하(Q)의 양은 전압원(11)와 부하(13) 사이의 전압 차(ΔV)에 의존할 것이라는 점이며, 여기서 전압 차(ΔV)는 ΔV=|VS-VL|로 표현될 수 있고, VS 및 VL은 도 1∼ 도 4에 표시된 것이다. 실제로 (주어진 듀티 사이클의 PWM 신호 사이클 당) 수송된 전하(Q)는 전압 차(ΔV)에 대해 비선형 관계를 갖는다. 또한, 충전 회로 및 방전 회로에 대응하는 Q 대 ΔV의 관계는 서로 다른/반대의 변동 경향을 갖는다.
예를 들어, 도 12는 전압 차(ΔV)에 대한 수송된 전하(Q)의 관계를 나타낸다. 곡선(121)은 도 1의 충전 회로(12) 또는 도 2의 충전 회로(22)의 전압 차(ΔV)에 대한 수송된 전하(Q)의 관계를 나타내고, 곡선(122)은 도 1의 방전 회로(14) 또는 또는 도 2의 방전 회로(24)의 것을 나타낸다. ΔV가 0에 가까워지거나 임계 값 (th1)보다 작을 때, 충전 회로에 대응하는 곡선(121)의 기울기는 방전 회로에 대한 곡선(122)의 기울기보다 크다. 즉, ΔV가 도 12에 도시된 영역 I에 있을 때, 충전 회로는 방전 회로보다 더 민감할 수 있다(또는 더 많은 전하 수송 능력을 가질 수 있다). 한편, 전압 차(ΔV)가 임계 값(th2)보다 크면, 방전 회로에 대응하는 곡선(121)의 기울기가 충전 회로에 대응하는 곡선(122)의 기울기보다 크다. 즉, ΔV가 충분히 크거나 도 12에 도시된 영역 II에 있을 때, 방전 회로는 충전 회로보다 더 민감할 수 있다(또는 더 많은 전하 수송 능력을 가질 수 있다). 여기서 감도 및 전하 수송 능력은 전압 차(ΔV) 당 수송된 전하(Q)의 양에 의해 평가될 수 있거나, 어떤 특정 ΔV에서 "Q 대 ΔV 곡선"(예: 곡선 121 또는 122)의 접선 기울기로 표시될 수 있다.
충전 회로와 방전 회로 사이의 감도 또는 전하 수송 능력의 불균형을 보상하기 위해, PWM 신호(SU)의 펄스(PU)의 펄스 폭과 PWM 신호(SD)의 펄스(PD)의 펄스 폭 사이의 불일치(disparity)는 위에서 언급한 불균형을 중화하기 위해 통합될 수 있다. 펄스 폭의 불일치는 기울기 차이에 따라 조정될 수 있는데, 예컨대, 곡선(121)과 곡선(122) 사이의 기울기 차이가 클수록 특정 ΔV에서 펄스 폭의 불일치가 증가한다.
상기한 것은 비교 신호 UU와 DD를 적절하게 설계함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, (방전)충전 회로의 감도가 높을 때, 삼각 파형의 선단의 퍼짐을 좁아져, PWM 신호의 펄스 폭을 줄이고 각각의 (방전)충전 사이클 내의 각각의 (방전)충전 시간을 단축시킬 수 있다. 한편, (방전)충전 회로의 감도가 낮을 때, 삼각 파형의 선단의 퍼짐이 넓어져, PWM 신호의 펄스 폭을 넓히고 각각의 (방전)충전 사이클 내의 각각의 (방전)충전 시간을 길게 할 수 있다.
다시 말해, 동일한 크기의 에러 신호(Verr)에 대해, PWM 제어기(16/56)는 Verr<0일 때 펄스(PU)를 갖는 PWM 신호(SU)를 생성하고, Verr>0일 때 펄스(PD)를 갖는 PWM 신호(SD)를 생성할 수 있으며, 여기서 PU는 펄스 폭(PWU)을 갖고, 펄스(PD)는 펄스 폭(PWD)을 가지며, (도 12의 영역 I에서와 같이) ΔV에 대응하는 충전 회로의 전하 수송 능력이 방전 회로의 그것보다 강한 경우, 펄스 폭(PWU)은 펄스 폭(PWD)보다 좁을 수 있다. 즉, PWU<PWD이다. 반대로, 동일한 크기의 에러 신호(Verr)에 대해, (도 12의 영역 II에서와 같이) ΔV에 대응하는 충전 회로의 전하 수송 능력이 방전 회로의 그것보다 약한 경우, 펄스 폭(PWU)은 펄스 폭(PWD)보다 넓을 수 있다. 즉, PWU>PWD 이다.
예를 들어, Verr_max와 Verr_min 사이의 선형 영역 내에서, UU가 UU=a·DD+Δ'로 표현될 수 있고 a>1인, 도 11a에 나타낸 비교 신호(UU, DD)의 파형은, 충전 회로의 감도가 방전 회로의 감도보다 높은 경우에 (PWM 제어기(56)에) 적용될 수 있다. 즉, 도 11a의 비교 신호(UU, DD)의 파형은 ΔV가 도 12에 도시된 영역 I에 있을 때 적용될 수 있다. 한편, UU가 UU=a·DD+Δ"로 표현될 수 있고 a<1인, 도 11b의 비교 신호(UU, DD)의 파형은 충전 회로의 감도가 방전 회로의 감도보다 낮은 경우에 적용될 수 있다. 즉, 도 11b의 비교 신호(UU, DD)의 파형은 ΔV가 도 12에 도시된 영역 II에 있을 때 적용될 수 있다.
ΔV가 도 12의 III 영역에 있을 때, 충전 회로와 방전 회로의 감도가 어느 정도 동일한 경우(기울기 차이가 미리 정의된 임계 값 미만임을 의미함), 도 10에 나타낸 동일한 진폭을 갖는 비교 신호(UU, DD)의 파형이 적용될 수 있다. 다시 말해, 전압원(11)과 부하(13) 사이의 전압 차(ΔV)에 따라 스케일링 인자(a)가 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 공급 전압(VS)이 일반적으로 일정하다면, 스케일링 인자(a)는 부하 전압(VL)에 따라 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 비교 신호 발생기(560)는 부하 전압(VL)을 수신하고 스케일링 인자(a)를 결정하기 위해 부하(13)에 결합될 수 있다.
유의할 것은, 제1 비교 신호(UU)와 제2 비교 신호(DD)의 파형은 삼각형으로 한정되지 않는다는 것이다. 제1 비교 신호(UU) 및 제2 비교 신호(DD)의 파형은 실제 설계 기준에 따라 절단된 삼각형(예: 위/아래가 평평한 것), 사다리꼴 또는 다른 종류의 파형일 수 있으며, 이 또한 본 출원의 범위 내에 있다.
구동회로(10∼40)의 동작은 도 17에 도시된 바와 같이, 프로세스 B0으로 요약될 수 있다. 프로세스 B0은 다음 단계를 포함한다.
단계 B02: 전압원에서 부하로의 충전 전류를 형성한다.
단계 B04: 부하에서 전압원으로 되돌아가는 방전 전류를 형성한다.
단계 B02는 충전 회로에 의해 수행되고 단계 B04는 방전 회로에 의해 수행된다. 단계 B02 및 단계 B04에 대한 자세한 내용은 위에서 언급한 단락을 참조할 수 있으며, 간결성을 위해 여기에서 설명하지 않는다.
또한, 본 출원의 구동 회로에 BTL(Bridge-Tied-Load) 형(BTL-like) 효과가 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 6은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(60)의 개략도이다. 구동 회로(60)는 구동 회로(10)와 유사하므로, 동일한 구성요소는 동일하게 표기된다. 구동 회로(10)와 달리, 구동 회로(60)는 극성 토글 모듈(62)을 더 포함한다. 극성 토글 모듈(62)은 입력 신호(IN)를 수신하고 PWM 제어기(16)에 입력 신호(IN')를 생성한다.
전압(VAC , 0V)에 대해 입력 신호(IN)의 극성이 결정될 것이다. 입력 신호(IN)는, 입력 신호(IN)가 전압(VAC , 0V)보다 클 때 "양"으로 결정되고, 입력 신호(IN)가 전압(VAC, 0V)보다 작을 때 "음"으로 결정된다. 입력 신호(IN)의 극성을 결정하는 기초가 되는 전압(VAC , 0V)은 실제 상황에 따라 선택될 수 있다. 일 측면에서, 전압(VAC , 0V)는 AC(Alternating Current) 신호의 접지 전압으로 간주될 수 있다. 일 실시예에서, 전압(VAC , 0V)은 입력 신호(IN)의 일종의 평균일 수 있다. 입력 신호(IN)가 2의 보수 형식으로 디지털인 실시예에서, 전압(VAC, 0V)은 단순히 "0"에 대응할 것이다.
도 6 및 도 13을 참조하며, 여기서 도 13은 윗부분에 입력 신호(IN)의 파형을 나타내고, 아랫부분에 입력 신호(IN')의 파형을 나타낸다. 입력 신호(IN)가 양일 때, 도 13의 IN 파형에 도시된 T+ 시간 구간 중 하나 동안, 도 13에서 IN+로 표시되고, 입력 신호 파형 IN은 파형 IN'에서 복제되고, PWM 제어기(16)가 신호 IN+에 따라 PWM 신호(SU/SD)를 생성하도록 극성 토글 모듈(62)에 공급된다. 이 경우, 부하(13)의 제1 단자(도 6에서 T1L로 표시됨)는 제1 노드(N1)에 연결되고 부하(13)(도 6에서 T2L로 표시됨)의 제2 단자는 제2 노드(N2)에 연결된다. 입력 신호(IN)가 음일 때, 도 13의 IN 파형에 도시된 T-+ 시간 구간 동안, 도 13의 파형에서 IN-로 표시되고, 제1 단자(T1L)가 제2 노드(N2)에 연결되고 제2 단자(T2L)가 제1 노드(N1)에 연결되어 있는 동안 PWM 제어기(16)가 신호 -IN-에 따라 PWM 신호(SU/SD)를 생성하도록, 극성 토글 모듈(62)은 입력 신호 파형 IN의 반전된 버전을 생성한다.
도 6에 나타낸 실시예에서, 노드(N1, N2)는 (방전)충전 회로의 두 단자를 지칭하는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 입력 신호(IN)의 부호가 변경(또는 전압 VAC, 0V를 교차)될때 마다 부하(13)에 인가된 전압의 극성(또는 단순히 부하(13)의 극성)이 반전/스왑되는(reversed/swapped) 한, 본 출원의 요건은 충족되며, 이는 본 출원의 범위 내에 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 극성 토글 모듈(62)은 제1 토글 스위치(621), 제2 토글 스위치(622), 제3 토글 스위치(623) 및 인버터(624)를 포함한다. 토글 스위치(621)는 단자(T1L)와 노드(N1)와 노드(N2)를 연결한다. 토글 스위치(622)는 단자 (T2L)와 노드(N1)와 노드(N2)를 연결한다. 제3 토글 스위치(623)는 인버터(624)에 결합된다. 인버터(624)는 입력 신호(IN)의 반전된 버전을 생성하도록 구성된다. 입력 신호(IN)가 디지털 형식인 경우, 스위치(623) 및 인버터(624)의 기능은 수학적인 "절대" 연산자로 대체될 수 있다.
극성 토글 모듈(62)의 동작은 다음과 같이 반복된다. 입력 신호(IN)이 양(또는 시간 구간 T+ 동안)일 때, 토글 스위치(623)는 입력 신호(IN)(즉, 양의 부분 IN+)을 PWM 제어기(16)의 제1 입력 단자에 출력하고, 토글 스위치(621)는 부하(13)의 제1 단자(T1L)와 제1 노드(N1) 사이의 연결을 수행하고, 제2 토글 스위치(622)는 부하(13)의 제2 단자(T2L)와 제2 노드(N2) 사이의 연결을 수행한다. 입력 신호(IN)이 음(또는 시간 구간 T- 동안)일 때, 토글 스위치(623)는 입력 신호(IN)의 반전 버전(즉, -IN-로 표시되는, 음의 부분 IN-의 반전된 버전)을 PWM 제어기(16)의 제1 입력 단자에 출력하고, 토글 스위치(621)는 부하(13)의 제1 단자(T1L)와 제2 노드(N2) 사이의 연결을 수행하고, 제2 토글 스위치(622)는 부하(13)의 제2 단자(T2L)와 제1 노드(N1) 사이의 연결을 수행한다.
PWM 제어기(16)의 제1 입력 단자에서 수신된 신호는 IN'로 표시된다. 입력 신호(IN')는 도 13에 도시된 바와 같이, 시간 구간 T+ 동안 양의 부분 IN+ 및 시간 구간 T- 동안 반전된 음의 부분 -IN-을 포함한다.
일 실시예에서, 토글 스위치(621∼623) 각각은 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치에 의해 실현될 수 있다. 일 실시예에서, 적절한 라우팅에 의해, 세 개의 토글 스위치(621-623) 모두가 하나의 3PDT(Three Pole Double Throw) 스위치로 결합될 수 있다.
또한, 극성 토글 모듈(62)은 부호 검출기(도 6에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 부호 검출기는 토글 스위치(621-623)를 제어하기 위해, 입력 신호(IN)의 극성을 결정하고 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 토글 스위치(621-623)는 제어 신호에 의해 제어될 수 있고, 제어 신호는 부호 검출기의 출력 신호와 동기화될 수 있다. 본 출원에서 동기화되는 두 신호는 두 신호의 상승/하강 에지가 시간적으로 정렬되었음을 나타낸다. 다른 실시예에서, 토글 스위치(621∼623)는 각각 제어 신호(ctr1∼ctr3)에 의해 제어될 수 있고, 제어 신호(ctr1∼ctr3)는 모두 부호 검출기의 출력 신호와 동기화된다.
일 실시예에서, 부호 검출기는 입력 신호(IN)를 수신하는 제1 입력 단자, 전압(VAC, 0V)를 수신하는 제2 입력 단자 및 출력 신호를 출력하는 출력 단자를 구비한 비교기에 의해 실현될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 노드(N2)는 공급 전압(VS)을 수신할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 노드(N2)는 공급 전압(VS)을 수신하도록 전압원(11)에 연결될 수 있다.
또한, 구동 회로(60)는 차동 피드백 회로(64)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 피드백 회로(64)는 입력단에 분압기(voltage divider)를 갖는 차동 증폭기를 포함할 수 있고, 이는 B1= r·VL인 피드백 신호(FB1)을 생성하며, 여기서 VL은 단자(T1L, T2L)의 전압 차를 나타낸다. 일 실시예에서, 피드백 회로(64)는 저항 또는 커패시터에 의해 구현될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 분압기인 피드백 회로는 부하(13)와 PWM 제어기(16) 사이의 구동 회로(10∼40)에도 적용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
BTL형 구동 회로(60)의 이점은 충전/방전 회로의 특정 항복 전압을 고려해 볼 때, 부하(13)에 인가되는 전체 전압 스윙을 확대(또는 두 배)하는 것이다. 다시 말해, 충전 회로(12)와 방전 회로(14)가 구동 회로(10, 60) 모두에 대해 동일한 항복 전압(VB로 표시)을 갖는 공정에 의해 제조된다고 가정하면, 도 6의 구동 회로(60)에서 부하(13))에 대한 피크 대 피크 전압은 2·VB , 즉, 도 1의 구동 회로(10)의 두 배를 달성할 수 있다. 구동 전압 범위를 두 배로 늘리는 것 외에, 충전/방전 회로의 효율성도 향상된다.
유사하게, 극성 토글 모듈(62)을 사용하는 BTL형 토폴로지는 구동 회로(20, 30, 40)에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 본 앱의 일 실시예에 따른 구동 회로(70)의 개략도이다. 구동 회로(70)는 구동 회로(20)와 유사하다. 구동 회로(20)와 달리 극성 토글 모듈(62)이 적용된다.
다른 관점에서, PWM 신호(SU, SD)가 동시에 로우 상태에 있을 수 있으며, 이로 인해 스위치(S1, S2)가 모두 스위칭 사이클 동안 턴오프된다. 도 10b를 예로서 참조하면, 제1 비교 신호(UU)의 최저(전압) 레벨(LLU)가 제2 비교 신호(DD)의 최고(전압) 레벨(LHD)보다 높도록 오프셋(Δ)이 설계되면, 도 10b에 도시된 바와 같이, 이는 제2 비교 신호(DD)의 최고(전압) 레벨(LHD)과 제1 비교 신호(UU)의 최저(전압) 레벨(LLU) 사이에 중첩되지 않은 갭(a2)이 존재한다는 것을 의미한다. 에러 신호(Verr)가 중첩되지 않은 갭(a2)의 범위 내에 있는 경우, 즉 LLU> Verr>LHD, PWM 신호 SU와 SD는 모두 로우 상태일 것이고, 스위치 S1과 S2는 모두 스위칭 사이클 동안 꺼질 것이다. 종래의 클래스 B 증폭기와 유사하게, 스위치 S1과 S2를 동시에 턴오프하는 것은 단자(T1L)에서 약간의 에러를 유발하고 일부 총 고조파 왜곡(THD)을 생성할 수 있다.
유의할 것은, 일 실시예에서, 도 10 및 도 11에서 파선으로 나타낸, Verr의 선형 범위(Ver_max와 Verr_min 사이) 밖의 비교 신호(UU, DD)의 부분은 실질적인 목적으로 사용되지 않으며, 생성될 필요가 없다는 것이다.
단자(T1L, THD)에서의 에러를 완화하기 위해, 보조 증폭기를 사용하여 단자(T2L)을 구동할 수 있다. 도 8은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(80)의 개략도이다. 구동 회로(80)는 구동 회로(20)와 유사하다. 구동 회로(20)와 달리, 구동 회로(80)는 보조 증폭 회로(82)를 더 포함한다. 도 14에 상세하게 나타낸, 보조 증폭 회로(82)의 제1 입력 단자("1"로 표시됨)는 입력 신호(IN)를 수신한다. 보조 증폭 회로(82)의 제2 입력 단자( "2"로 표시됨)는 부하(13)의 제1 단자(T1L)에 결합된다. 보조 증폭 회로(82)의 출력 단자는 부하(13)의 제2 단자(T2L)에 결합된다.
구동 회로(80)에서 충전 회로(22) 및 방전 회로(24)는 출력 전압(Vout)을 생성할 것이고, 보조 증폭 회로(82)는 보상 전압(Vcp)을 생성할 것으로 간주될 수 있다. 출력 전압(Vout)은 부하(13)의 제1 단자(T1L)에 인가되고, 보상 전압(Vcp)은 부하(13)의 제2 단자(T2L)에 인가된다.
유의할 것은, 구동 회로(80)에서 PWM 제어기와 함께 충전 회로 및 방전 회로는 넓은 동적 범위, 고효율이지만 저해상도의 증폭 회로로 볼 수 있는 반면, 보조 증폭 회로(82)는 낮은 동적 범위, 저효율이지만 고해상도의 증폭 회로로 볼 수 있다는 것이다. 다시 말해, 보상 전압(Vcp)의 분해능은 출력 전압(Vout)의 분해능보다 높고/섬세하고, 보상 전압(Vcp)의 피크 대 피크 전압 스윙 범위는 출력 전압(Vout)의 피크 대 피크 범위보다 작으며, 결과적인 증폭 회로(충전 회로 및 방전 회로를 포함)의 효율은 보조 증폭 회로(82)보다 높다. 결과적인 증폭 회로와 보조 증폭 회로(82)가 도 8에 도시된 바와 같이 결합되는 경우, 구동 회로(80)는 PWM 제어 충전 회로(22) 및 방전 회로(24)의 넓은 동적 범위 및 고효율의 이점을 누리면서 보조 증폭 회로(82)의 고해상도를 달성할 것이다.
유의할 것은, 도 8에서 충전 회로(22) 및 방전 회로(24)를 채용하는 것은 예시를 위한 것이며, 보조 증폭 회로(82)를 포함하는 구동 회로는 또한 본 출원의 범위 내에 있는 충전 회로(12/32/42) 및 방전 회로(14/34/44)를 채용될 수 있다는 것이다.
유사하게, 보조 증폭 회로(82)는 본 출원의 다른 구동 회로에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(90)의 개략도이다. 구동 회로(90)는 구동 회로(70, 80)와 유사하다. 구동 회로(70)와 달리, 보조 증폭 회로(82)가 적용된다. 구동 회로(80)와 달리, 구동 회로(90)의 보조 증폭 회로(82)의 제1 입력 단자("1"로 표시됨)는 입력 신호(INV')를 수신하고, 구동 회로(90)의 보조 증폭 회로(82)의 제2 입력 단자("2"로 표시됨)는 제1 노드(N1)에 결합되며, 보조 증폭 회로(82)의 출력 단자는 제2 노드(N2)에 결합된다.
도 14는 보조 증폭 회로(82)의 일 실시예를 나타낸다. 도 14에 도시한 바와 같이, 보조 증폭 회로(82)는 증폭기(820)(연산 증폭기일 수 있음) 및 임피던스 구성요소(Z1∼Z4)를 포함한다. 임피던스 구성요소(Z1∼Z4)는 저항 또는 커패시터일 수 있다. 증폭기(820)가 노드(VL)에서의 에러와 동일한 출력을 생성하도록 값 Z1∼Z4이 선택될 수 있다. 예를 들어, Z3/Z4=Z2/Z1=r이며, 여기서 r은 VL에서의 에러, ε=V_L-r·IN이 0일 때 VL/IN 간의 이상적인 비율이다. 출력 증폭기(820)가 ε와 완벽하게 매칭되면, 부하(13) 양단의 전압은
Figure 112020118373346-pat00001
과 같으며 이는 완벽한 결과이다. 따라서, 회로(80)의 해상도는 증폭기(820)의 해상도에 의해 결정되는 반면, 증폭기(820)의 출력 전압 스윙 범위(동적 범위)는 ε의 범위와 동일하다.
특히, 전술한 실시예는 들은 본 출원의 개념을 설명하기 위해 활용된다. 당업자는 이에 따라 수정 및 변경을 할 수 있으며 여기에 한정되지 않는다. 예를 들어, 바이어스/오프셋 전압은 더 나은 동작(바이어스) 점을 얻기 위해 구동 회로, 전압원 및 부하의 노드/단자에 적절하게 추가될 수 있다. 예를 들어, 바이어스 전압이 부하(13) 내의 액추에이터의 전극 중 하나에 인가되어(부하(13)가 압전 작동형 스피커를 포함하는 경우), 액추에이터를 더 나은 선형성의 작동 영역으로 이동시킬 수 있다. 더 나은 동적 범위, 전압 비교 기준 등을 얻기 위해, 바이어스 전압이 노드/단자에 적용될 수 있으며, 이 또한 본 출원의 범위 내에 있다.
또한, 스위치(S1, S2)는 적절한 유형의 트랜지스터로 구현될 수 있다. 다이오드(D1, D2)는 단일 PN 접합을 구비한 단순한 다이오드, 적절한 배선 구성을 구비한 트랜지스터 또는 적절한 게이트 구동 신호로 제어되는 동기식 스위치/MOSFET로 대체될 수 있다.
다이오드(D1, D2)는 한 방향으로 흐르는(반대 방향으로는 아님) 전류를 제한하는 역할을 하며, 일 종의 정류 구성요소로 간주될 수 있다. 유의할 것은, 다이오드를 정류 구성요소로 사용하는 것에 한정되지 않는다는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 동기 신호에 의해 제어되는 정류 스위치를 포함하는 동기식 정류기(SR)도 정류 구성요소로 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 16은 충전 회로(12', 32') 및 방전 회로(14', 34')를 나타낸다. 충전 회로(12', 32') 및 방전 회로(14', 34')는 본 출원의 구동 회로에 적용될 수 있다. 충전 회로(12', 32')는 다이오드(D1)를 동기 신호(SU')(도 16에 도시된 바와 같이)에 의해 제어되는 정류 스위치(S1)'로 대체함으로써 얻어진다. 정류 스위치(S1')및 동기 신호(SU')는 동기식 정류기를 형성한다. 동기식 정류기는 해당 기술분야에 알려져있다. 정류 스위치(S1')는 흐르는 전류가 원하는 방향일 때 턴온되고, 전류 방향이 바뀌기 전에 턴오프되어야 한다. 유사하게, 방전 회로(14', 34')는 다이오드(D2)를 동기 신호(SD')에 의해 제어되는 정류 스위치(S2')로 대체함으로써 얻어진다. 다이오드(D1/D2)와 유사하게 제어 신호(SU/SD')를 적절하게 설계함으로써 정류 스위치(S1'/S2')도 특정 방향으로 전류를 흐르게 하고 반대 방향으로 흐르는 전류를 거부할 수 있다.
다시 말해, 동기 신호에 의해 제어되는 정류 스위치를 포함하는(도 16에 도시된 바와 같이) 다이오드 및 SR은 정류 구성요소의 두 가지 다른 실현/실시예로 취급될 수 있다. SR을 사용하는 것도 본 출원의 범위 내에 있다. 또한, 일부 실시예에서, 다이오드 및 SR은 모두 하나의 단일 (방전)충전 회로 내에 사용될 수 있으며, 이 또한 본 출원의 범위 내에 있다.
일 실시예에서, 본 출원의 구동 회로의 효율 및 안정성을 향상시키기 위해, 부하(13)의 제1 단자(T1L) 및 접지 단자에 연결된 부하 바이패스 커패시터(CL)가 포함될 수 있다. 또한, VS의 전압 변동을 줄이기 위해, 전압원(11) 및 접지 단자에 연결된 소스 바이패스 커패시터(CS)가 포함될 수 있다. 예시적으로, 소스 바이패스 커패시터(CS) 및 부하 바이패스 커패시터(CL)는 도 15에 도시되어 있으며, 이는 본 출원의 범위 내에 있다.
유의할 것은, 본 출원의 구동 회로는 용량성 스피커 부하에 적합하지만, 이에 한정되는 것은 아니라는 것이다. 본 출원의 구동 회로는 스피커 이외에 다른 종류의 용량성 부하를 구동하기 위해 적용될 수 있다.
요약하면, 본 출원은 DC-DC 변환기 회로를 이용하여 용량성 부하를 충전하기 위한 충전 회로로 기능하도록 하고; 다른 DC-DC 변환기 회로를 이용하여 용량성 부하에 저장된 에너지를 리사이클하기 위한 방전 회로로 기능하도록 하며; PWM 제어기를 이용하여 충전 회로와 방전 회로의 전하 수송 능력의 불균형을 보상하고; 토글 모듈을 이용하여 BTL형 토폴로지를 실현하며; 고해상도의 보조 증폭 회로를 이용하여 THD를 완화한다.
당업자는 본 발명의 교시를 유지하면서 기기 및 방법의 수많은 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 이상의 개시는 첨부된 청구 범위의 범위(metes and bounds)에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (29)

  1. 구동 회로로서,
    입력 오디오 신호와 피드백 신호에 따라 제1 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성된 PWM 제어기 - 상기 피드백 신호는 용량성 스피커 부하의 부하 전압에 비례함 - ;
    전압원과 상기 용량성 스피커 부하 사이에 결합되고, 상기 제1 PWM 신호에 따라 상기 전압원에서 상기 용량성 스피커 부하로의 제1 전류를 형성하도록 구성된 충전 회로; 및
    상기 전압원과 상기 용량성 스피커 부하 사이에 결합되고, 상기 제2 PWM 신호에 따라 상기 용량성 스피커 부하에서 상기 전압원으로 되돌아가는 제2 전류를 형성하도록 구성된 방전 회로
    를 포함하고,
    상기 제2 전류는, 상기 전압원으로 돌아가는 상기 용량성 스피커 부하에 저장된 에너지를 리사이클하도록 구성되고,
    PWM 신호의 펄스 폭은 상기 입력 오디오 신호 및 상기 피드백 신호 사이의 차이에 따라서 결정되고, 상기 PWM 신호는 상기 제1 PWM 신호 또는 상기 제2 PWM 신호이고,
    상기 제1 전류는 상기 입력 오디오 신호의 상승 부분(upswing portion)에 대응하는 제1 구간 동안 형성되고, 상기 제2 전류는 상기 입력 오디오 신호의 하강 부분(downswing portion)에 대응하는 제2 구간 동안 형성되는,
    구동회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 회로는 제1 스위치 및 제1 정류 구성요소를 포함하고;
    상기 방전 회로는 제2 스위치 및 제2 정류 구성요소를 포함하는, 구동 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 정류 구성요소의 제1 단자는 상기 전압원에 결합되고, 상기 제1 정류 구성요소의 제2 단자는 상기 용량성 스피커 부하에 결합되며;
    상기 제1 스위치의 제1 단자는 상기 제1 정류 구성요소의 제1 단자에 결합되고;
    상기 제2 스위치의 제1 단자는 상기 전압원에 결합되고, 상기 제2 스위치의 제2 단자는 상기 용량성 스피커 부하에 결합되며;
    상기 제2 정류 구성요소의 제1 단자는 상기 제2 스위치의 제1 단자에 결합되는, 구동 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전 회로는 제1 인덕터를 포함하고, 상기 제1 인덕터의 제1 단자는 상기 전압원에 결합되고, 상기 제1 인덕터의 제2 단자는 상기 제1 정류 구성요소의 제1 단자 및 상기 제1 스위치의 제1 단자에 결합되며;
    상기 방전 회로는 제2 인덕터를 포함하고, 상기 제2 인덕터의 제1 단자는 상기 전압원에 결합되고, 상기 제2 인덕터의 제2 단자는 상기 제2 정류 구성요소의 제1 단자 및 상기 제2 스위치의 제1 단자에 결합되는, 구동 회로.
  5. 제3항에 있어서,
    인덕터를 더 포함하고, 상기 인덕터의 제1 단자는 상기 전압원에 결합되고, 상기 인덕터의 제2 단자는 상기 제1 정류 구성요소의 제1 단자, 상기 제1 스위치의 제1 단자, 상기 제2 정류 구성요소의 제1 단자 및 상기 제2 스위치의 제1 단자에 결합되는, 구동 회로.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 제1 단자는 상기 전압원에 결합되고, 상기 제1 스위치의 제2 단자는 상기 용량성 스피커 부하에 결합되며;
    상기 제1 정류 구성요소의 제1 단자는 상기 제1 스위치의 제2 단자에 결합되고;
    상기 제2 정류 구성요소의 제1 단자는 상기 전압원에 결합되고, 상기 제2 정류 구성요소의 제2 단자는 상기 용량성 스피커 부하에 결합되며;
    상기 제2 스위치의 제1 단자는 상기 제2 정류 구성요소의 제2 단자에 결합되는, 구동 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전 회로는 제1 인덕터를 포함하고, 상기 제1 인덕터의 제1 단자는 상기 제1 정류 구성요소의 제1 단자 및 상기 제1 스위치의 제2 단자에 결합되고, 상기 제1 인덕터의 제2 단자는 상기 용량성 스피커 부하에 결합되며;
    상기 방전 회로는 제2 인덕터를 포함하고, 상기 제2 인덕터의 제1 단자는 상기 제2 정류 구성요소의 제2 단자 및 상기 제2 스위치의 제1 단자에 결합되고, 상기 제2 인덕터의 제2 단자는 상기 용량성 스피커 부하에 결합되는, 구동 회로.
  8. 제6항에 있어서,
    인덕터를 더 포함하고, 상기 인덕터의 제1 단자는 상기 제1 정류 구성요소의 제1 단자, 상기 제1 스위치의 제2 단자, 상기 제2 정류 구성요소의 제2 단자 및 상기 제2 스위치의 제1 단자에 결합되고, 상기 인덕터의 제2 단자는 상기 용량성 스피커 부하에 결합되는, 구동 회로.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 정류 구성요소는 제1 다이오드를 포함하는, 구동 회로.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 정류 구성요소는 동기 신호에 의해 제어되는 정류 스위치를 포함하는, 구동 회로.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제2 정류 구성요소는 제2 다이오드를 포함하는, 구동 회로.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 제2 정류 구성요소는 동기 신호에 의해 제어되는 정류 스위치를 포함하는, 구동 회로.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 제1 PWM 신호에 의해 제어되고, 상기 제2 스위치는 상기 제2 PWM 신호에 의해 제어되며,
    상기 PWM 제어기는,
    상기 입력 오디오 신호를 수신하는 제1 입력 단자; 및
    상기 피드백 신호를 수신하도록 상기 용량성 스피커 부하에 결합된 제2 입력 단자를 포함하는, 구동 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 PWM 제어기는,
    제1 비교 신호 및 제2 비교 신호를 생성하도록 구성된 비교 신호 발생기;
    상기 입력 오디오 신호 및 상기 피드백 신호에 따라 에러 신호를 생성하도록 구성된 에러 증폭기;
    상기 제1 비교 신호와 상기 에러 신호를 비교함으로써 상기 제1 PWM 신호를 생성하도록 구성된 제1 비교기; 및
    상기 제2 비교 신호와 상기 에러 신호를 비교함으로써 상기 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성된 제2 비교기를 포함하는, 구동 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 비교기의 양의 입력 단자는 상기 에러 신호를 수신하고;
    상기 제1 비교기의 음의 입력 단자는 상기 제1 비교 신호를 수신하며;
    상기 제2 비교기의 음의 입력 단자는 상기 에러 신호를 수신하고;
    상기 제2 비교기의 양의 입력 단자는 상기 제2 비교 신호를 수신하는, 구동 회로.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 비교 신호는 상기 제2 비교 신호의 오프셋 버전(offset version) 또는 스케일링된 오프셋 버전(scaled-and-offset version)인, 구동 회로.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스케일링된 오프셋 버전은 스케일링 인자(scaling factor)에 대응하고, 상기 스케일링 인자는 부하 전압에 따라 결정되며, 상기 비교 신호 발생기는 상기 부하 전압을 수신하도록 상기 용량성 스피커 부하에 결합되는 구동 회로.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 PWM 신호는 제1 펄스를 포함하고, 상기 제1 펄스는 제1 펄스 폭을 가지며;
    상기 제2 PWM 신호는 제2 펄스를 포함하고, 상기 제2 펄스는 제2 펄스 폭을 가지며;
    상기 충전 회로는 공급 전압과 상기 부하 전압 사이의 전압 차에 대응하는 제1 감도를 가지고;
    상기 방전 회로는 상기 전압 차에 대응하는 제2 감도를 가지며;
    상기 제1 감도가 상기 제2 감도보다 높을 때, 상기 제1 펄스 폭은 상기 제2 펄스 폭보다 좁은, 구동 회로.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 PWM 신호는 제1 펄스를 포함하고, 상기 제1 펄스는 제1 펄스 폭을 가지며;
    상기 제2 PWM 신호는 제2 펄스를 포함하고, 상기 제2 펄스는 제2 펄스 폭을 가지며;
    상기 충전 회로는 공급 전압과 상기 부하 전압 사이의 전압 차에 대응하는 제1 감도를 가지고;
    상기 방전 회로는 상기 전압 차에 대응하는 제2 감도를 가지며;
    상기 제1 감도가 상기 제2 감도보다 낮을 때, 상기 제1 펄스 폭은 상기 제2 펄스 폭보다 넓은, 구동 회로.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제1 비교 신호와 상기 제2 비교 신호는 삼각 파형 또는 사다리꼴 파형을 갖는, 구동 회로.
  21. 제13항에 있어서,
    극성 토글 모듈을 더 포함하고;
    상기 극성 토글 모듈의 제2 입력 신호가 양일 때, 상기 PWM 제어기가 상기 제2 입력 신호의 양의 부분에 따라 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호를 생성하도록 상기 극성 토글 모듈이 제어되고, 상기 용량성 스피커 부하의 제1 단자가 제1 노드에 연결되고, 상기 용량성 스피커 부하의 제2 단자는 제2 노드에 연결되며;
    상기 제2 입력 신호가 음일 때, 상기 PWM 제어기가 상기 제2 입력 신호의 음의 부분에 따라 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호를 생성하도록 상기 극성 토글 모듈이 제어되고, 상기 용량성 스피커 부하의 제1 단자가 상기 제2 노드에 연결되고, 상기 용량성 스피커 부하의 제2 단자는 상기 제1 노드에 연결되는, 구동 회로.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 극성 토글 모듈은,
    상기 용량성 스피커 부하의 제1 단자, 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드에 연결된 제1 토글 스위치; 및
    상기 용량성 스피커 부하의 제2 단자, 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드에 연결된 제2 토글 스위치를 포함하고;
    상기 제2 입력 신호가 양일 때, 상기 제1 토글 스위치는 상기 용량성 스피커 부하의 제1 단자와 상기 제1 노드 사이의 연결을 수행하고, 상기 제2 토글 스위치는 상기 용량성 스피커 부하의 제2 단자와 상기 제2 노드 사이의 연결을 수행하며;
    상기 제2 입력 신호가 음일 때, 상기 제1 토글 스위치는 상기 용량성 스피커 부하의 제1 단자와 상기 제2 노드 사이의 연결을 수행하고, 상기 제2 토글 스위치는 상기 용량성 스피커 부하의 제2 단자와 상기 제1 노드 사이의 연결을 수행하는, 구동 회로.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 극성 토글 모듈은,
    상기 PWM 제어기의 제1 입력 단자에 결합된 제3 토글 스위치를 포함하고;
    상기 제2 입력 신호가 양일 때, 상기 제3 토글 스위치는 상기 제2 입력 신호를 상기 PWM 제어기의 제1 입력 단자에 출력하고;
    상기 제2 입력 신호가 음일 때, 상기 제3 토글 스위치는 상기 제2 입력 신호의 반전된 버전을 상기 PWM 제어기의 제1 입력 단자에 출력하는, 구동 회로.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 토글 스위치, 상기 제2 토글 스위치 및 상기 제3 토글 스위치는 각각 제1 제어 신호, 제2 제어 신호 및 제3 제어 신호에 의해 제어되고;
    상기 제1 제어 신호, 상기 제2 제어 신호 및 상기 제3 제어 신호는 동기화되는, 구동 회로.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 극성 토글 모듈은,
    상기 제3 토클 스위치에 결합되고, 상기 제2 입력 신호의 반전된 버전을 생성하도록 구성된 인버터를 더 포함하는, 구동 회로.
  26. 제1항에 있어서,
    보조 증폭 회로를 더 포함하고,
    상기 보조 증폭 회로는,
    입력 신호를 수신하는 제1 입력 단자; 및
    상기 용량성 스피커 부하의 제1 단자에 결합된 제2 입력 단자; 및
    상기 용량성 스피커 부하의 제2 단자에 결합된 출력 단자를 포함하는, 구동 회로.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 보조 증폭 회로의 제2 입력 단자는 제1 노드에 결합되고;
    상기 보조 증폭 회로의 출력 단자는 제2 노드에 결합되며;
    상기 구동 회로는 상기 제1 노드, 상기 제2 노드 및 상기 용량성 스피커 부하의 제1 단자에 결합된 제1 토글 스위치를 포함하고;
    상기 구동 회로는 상기 제1 노드, 상기 제2 노드 및 상기 용량성 스피커 부하의 제2 단자에 결합된 제2 토글 스위치를 포함하는, 구동 회로.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 충전 회로는 직류-직류(direct-current-to-direct-current, DC-DC) 변환기를 포함하는, 구동 회로.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 방전 회로는 직류-직류(DC-DC) 변환기를 포함하는, 구동 회로.
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