KR102551525B1 - 멀티-레벨 클래스 d 오디오 전력 증폭기들 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 N-레벨 드라이브 신호를 라우드스피커(loudspeaker)에 공급하기 위한 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기에 관한 것이다. 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기는 복수의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함하는 스위칭 매트릭스를 더 포함하는데, 여기서 스위칭 매트릭스는 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들의 각각의 DC 입력 전압 노드들에 커플링된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들, 및 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들의 각각의 중간 노드들에 커플링된 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들을 포함한다. 제어 회로는, 제 1 출력 드라이버의 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과에 따라 스위칭 매트릭스를 통해 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들 중 미리결정된 세트의 노드들에 (N-2)개의 DC 입력 전압들 각각을 순차적으로 연결하도록 구성된다. N은 3보다 크거나 또는 3과 동일한 양의 정수이다.

Description

멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기들
본 발명은 N-레벨 드라이브 신호를 라우드스피커(loudspeaker)에 공급하기 위한 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기에 관한 것이다. 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기는 복수의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함하는 스위칭 매트릭스를 더 포함하는데, 여기서 스위칭 매트릭스는 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들의 각각의 DC 입력 전압 노드들에 커플링된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들, 및 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들의 각각의 중간 노드들에 커플링된 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들을 포함한다. 제어 회로는, 제 1 출력 드라이버의 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과에 따라 스위칭 매트릭스를 통해 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들 중 미리결정된 세트의 노드들에 (N-2)개의 DC 입력 전압들 각각을 순차적으로 연결하도록 구성된다. N은 3과 동일하거나 또는 3보다 큰 양의 정수이다.
클래스 D 오디오 증폭기들은, 잘 알려져 있으며, 라우드스피커 부하에 걸쳐 PWM(pulse width modulated) 또는 PDM(pulse density modulated) 신호를 스위칭함으로써 다양한 타입들의 라우드스피커들의 에너지 효율적인 오디오 드라이브를 제공하는 것으로 널리 인식되어 있다. 클래스 D 오디오 증폭기들은 통상적으로 라우드스피커에 걸쳐 한 쌍의 반대 위상 또는 상보적 펄스 폭 변조 오디오 신호들을 인가하기 위해 라우드스피커 부하에 커플링된 H-브릿지 출력 스테이지를 포함한다. LC(inductor-capacitor) 저역통과 필터는 종종 H-브릿지 기반 출력 스테이지와 라우드스피커 부하 사이에 삽입되어 PWM 또는 PDM 출력 신호의 반송파 파형 성분들을 억제한다. 몇몇 타입들의 펄스 폭 변조가 종래 기술의 클래스 D 오디오 증폭기들에서 활용되었다. 소위 AD 변조에서, H-브릿지 출력 스테이지의 각각의 출력 단자 또는 노드에서 펄스 폭 변조 오디오 신호는 반대 위상의 2개의 상이한 전압 레벨들 사이에서 스위칭되거나 또는 토글링된다. 2개의 상이한 레벨들은 통상적으로, 각각 상부 및 하부 전력 공급 레일들, 이를테면, 클래스 D 오디오 증폭기의 포지티브 및 네거티브 DC 공급 레일들에 대응한다. 소위 BD 변조에서, 라우드스피커 부하에 걸친 펄스 폭 변조 신호는 3개의 전압 레벨들 사이에서 교대로 스위칭되는데, 이 중 2개의 전압 레벨들은 앞서-언급된 상부 및 하부 DC 전력 공급 레일들에 대응하는 한편 제 3 전압 레벨은 라우드스피커 부하의 양 사이드들을 DC 전력 공급 레일들 중 하나로 동시에 풀링함으로써 획득된 0 레벨이다. 이러한 변조 체계들 둘 다는, 클래스 D 증폭기가 유휴상태일 때 LC 저역통과 필터의 출력 인덕터에 다소 큰 리플 전류를 생성하며, 이는 상당한 전력 손실들을 야기한다. 이 단점은 통상적으로 LC 저역통과 필터의 비교적 큰 인덕터들의 사용에 의해 어느 정도까지는 허용되고 제어되었다. 그러나, 이러한 대형 인덕터들은 클래스 D 증폭 솔루션 또는 어셈블리의 비용 및 크기의 현저한 증가를 야기한다.
소위 멀티-레벨 PWM 변조는, 클래스 D 오디오 증폭기들의 펄스 폭 변조의 유리한 형태이며, 출원인의 PCT 공개출원 WO 2012/055968에 의해 상세하게 설명된 바와 같이 전통적인 AD 및 BD 변조에 비해 다수의 이점들을 소유한다. 이러한 종류의 멀티-레벨 PWM 변조는 통상적으로, 하나 또는 그 초과의 중간 DC 공급 전압들, 예컨대, 양의 DC 공급 레일과 음의 DC 공급 레일 사이에 놓인 중간-공급 전압 레벨 또는 문제의 클래스 D 오디오 증폭기의 전압들을 생성하기 위한 다양한 타입들의 회로를 수반한다. 하나 또는 그 초과의 중간 DC 공급 전압들은 사운드 재생을 위해 라우드스피커에 인가되는 PWM 드라이브 신호의 제 3 전압 레벨, 및 추가적인 전압 레벨들의 낮은 임피던스 소스이다. 멀티-레벨 클래스 D 오디오 증폭기의 출력 드라이버 또는 전력 스테이지는 적어도 4개의 직렬 연결된 또는 캐스케이딩된 제어가능한 반도체 스위치들, 예컨대, MOSFET들을 포함하며, 여기서 적어도 2개의 중간 회로 노드들은 한 쌍의 제어가능한 반도체 스위치들이 상호접속되어 있는 곳에 위치된다. 하나 또는 그 초과의 중간 DC 공급 전압들은 원하는 멀티-레벨 PWM 출력 신호를 정확하게 생산하기 위해 이들 중간 회로 노드들 중 적어도 일부에 순차적으로 연결 및 연결해제되어야만 한다. 이에 따라, 당업계에서는 멀티-레벨 클래스 D 오디오 증폭기의 출력 드라이버 또는 전력 스테이지의 하나 또는 그 초과의 중간 회로 노드들에 하나 또는 그 초과의 중간 DC 공급 전압들을 순차적으로 연결 및 연결해제하기 위한 효율적인 제어 회로가 필요하다.
본 발명의 제 1 양상은 N-레벨 드라이브 신호를 라우드스피커에 공급하기 위한 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기에 관한 것이다. 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기는:
- 제 1 DC 공급 레일과 제 2 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함하는 제 1 출력 드라이버(여기서, 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 제어 단자들은 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들의 각각의 변조 제어 신호들에 연결가능함),
- 직렬 연결된 2*(N-1)개의 반도체 스위치들 사이에 끼워진(interposed) 2*(N-2)개의 중간 노드들,
- 직렬 연결된 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 중간지점에 배열되고 그리고 라우드스피커의 제 1 입력에 연결가능한 드라이버 출력 노드 또는 단자,
- (N-2)개의 DC 입력 전압들의 수신을 위한 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들,
- 복수의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함하는 스위칭 매트릭스(여기서 스위칭 매트릭스는, (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들의 각각의 DC 입력 전압 노드들에 커플링된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들, 및 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들의 각각의 중간 노드들에 커플링된 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들을 포함함), 및
- 제어 회로를 포함하고,
이 제어 회로는,
제 1 출력 드라이버의 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과에 따라 스위칭 매트릭스를 통해 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들 중 미리결정된 세트의 노드들에 (N-2)개의 DC 입력 전압들 각각을 순차적으로 연결하도록 구성되고;
N은 3과 동일하거나 또는 3보다 큰 양의 정수, 즉, N>=3이다.
현재의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 예시적인 실시예들은 N=3, N=4 및 N=5의 값들을 소유한다. 이에 따라, 제 1 출력 드라이버는, 첨부된 도면들을 참조하여 이하에 상세하게 개시된 바와 같이, N=3, 4, 및 5 각각에 대한 적어도 4, 6 및 8개의 캐스케이딩된 또는 직렬 커플링된 제어가능한 반도체 스위치들을 포함한다. 제 1 출력 드라이버의 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들 각각은 MOSFET 전력 트랜지스터들, 이를테면, PMOS, NMOS 또는 LDMOS 전력 트랜지스터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 1/2은 제 1 출력 드라이버의 상부 레그에 배열될 수 있고, 이들 각각은 PMOS 전력 트랜지스터들의 게이트 단자들에 대한 게이트 드라이브 회로를 간략화하기 위해 하나의 PMOS 전력 트랜지스터를 포함한다. 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 나머지 1/2은 제 1 출력 드라이버의 하부 레그에 배열될 수 있고, 이들 각각은 NMOS 전력 트랜지스터를 포함한다. 그러나, 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들 모두는 대안적인 실시예들에서 NMOS 전력 트랜지스터들일 수 있다.
스위칭 매트릭스가 제어가능한 반도체 스위치들에 기반하기 때문에, 스위칭 매트릭스는 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들 중 미리결정된 세트의 노드들의 각각의 노드와 (N-2)개의 DC 입력 전압들 각각 사이에 비교적 낮은-저항 또는 임피던스를 갖는 양-방향 전기 전도성 경로들을 제공할 수 있다. 양방향 전기 전도성 경로는 전도 상태 또는 온(on) 상태들의 하나 또는 그 초과의 직렬 커플링된 제어가능한 반도체 스위치들을 포함할 수 있다. 그러므로, 제 1 출력 드라이버의 특정 중간 노드가 (N-2)개의 DC 입력 전압들의 특정 입력 전압에 연결될 때, 비교적 작은 직렬 저항 또는 임피던스가 특정 DC 입력 전압에 부가될 수 있다. 비교적 작은 직렬 저항 또는 임피던스는 드라이버 출력 노드를 통해 라우드스피커에서 출력 전압 레벨의 정확한 설정을 허용한다. 게다가, (N-2)개의 DC 입력 전압들의 특정 입력 전압으로부터의 제 1 출력 드라이버의 특정 중간 노드의 연결해제는 매우 효과적인 방식으로 달성되는데, 이는 스위칭 매트릭스의 제어가능한 반도체 스위치들이 그들의 비-전도 상태들 또는 오프(off) 상태들에서 통상적으로 높은 임피던스에 있기 때문이다. 현재의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 일부 실시예들에서, 스위칭 매트릭스는 스위치 입력과 스위치 출력 사이에서 단일의 제어가능한 반도체 스위치를 사용하는 반면, 다른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하에 상세하게 개시된 바와 같이 스위치 입력과 스위치 출력 사이에서 몇몇 제어가능한 반도체 스위치들을 갖는 더욱 복잡한 네트워크를 사용한다. 당업자는, 스위칭 매트릭스의 복수의 제어가능한 반도체 스위치들 각각이 MOSFET 트랜지스터, 예컨대, 비-전도 상태의 높은 임피던스를 그리고 전도 상태의 낮은, 크게 대칭인 임피던스를 소유하는 NMOS 또는 PMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 스위칭 매트릭스의 복수의 제어가능한 반도체 스위치들 중 하나 또는 그 초과는 LDMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 일 실시예는, 양의 DC 공급 레일에 대한 DC 전압 및 적어도 (N-2)개의 DC 입력 전압들을 생성하기 위한 통합 전원(integral power supply)을 포함하지만, 다른 실시예들은 외부 전원 회로에 의해 생성된 전원 전압들을 활용할 수 있다. 전자의 실시예들에 따르면, 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기는 스위칭 매트릭스의 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들에서 적어도 (N-2)개의 DC 입력 전압들을 생성하기 위해 구성된 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터를 포함한다. 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터는, 예컨대, 제 1 출력 드라이버에 커플링된 제 1 DC 공급 레일의 전압 레벨을 스케일링 팩터들(n=3 내지 N인 경우에 (n-2)/[N-1])로 스케일링함으로써, 실질적으로 동일한 전압 스페이싱을 갖는 (N-2)개의 DC 입력 전압들을 생성하도록 구성될 수 있다. 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터는 출원인의 공동-계류중인 유럽 특허 출원 제14187490.9호에 개시된 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터 회로들 중 하나를 포함할 수 있다. 그러므로, 후자의 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터 회로들은, 본 발명의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 양의 DC 공급 레일 및 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들 각각으로의 연결을 위해 복수의 실질적으로 동일하게 이격된 DC 출력 전압들을 생성하도록 편리하게 구성될 수 있다. 다중 출력 DC-DC 컨버터는, 범위 1-30V, 이를테면, 2 내지 20V 또는 더욱 바람직하게는 1 내지 10V의 최대 DC 전압을 생성하도록 구성될 수 있다. 최대 DC 전압이 본 발명의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 양의 DC 공급 레일에 인가될 수 있다. 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터 회로는, 예컨대, 10 V 및 5 V 또는 10 V, 6.67 V, 3.33 V 등의 DC 출력 전압들을 생성하도록 구성될 수 있는데, 여기서 10V는 소수의 개별 컴포넌트들을 사용하여 높은 에너지 변환 효율을 갖는, 특정 인가 요건들 및 N의 값에 따라 최대 DC 전압에 해당한다.
멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 제어 회로는 제 1 출력 드라이버의 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 제어 단자들에 대한 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들을 생성하도록 구성된 멀티-위상 펄스-폭 변조기를 포함할 수 있다. 멀티-위상 펄스-폭 변조기는 펄스-폭 변조 제어 신호(pulse-width modulated control signal)의 적어도 (N-1)개의 개별 위상들을 생성하도록 구성될 수 있다. 펄스-폭 변조 제어 신호의 적어도 (N-1)개의 개별 위상들은 제 1 출력 드라이버의 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 각각의 제어 단자들에 대한 적절한 변조 제어 신호들을 유도하는데 사용될 수 있다. 멀티-위상 펄스-폭 변조기는, 예컨대, 펄스-폭 변조 제어 신호의 2개, 3개, 또는 4개의 개별 위상들을 생성하도록 구성될 수 있고, 여기서 2개의 개별 위상들은 실질적으로 180도만큼 상대적으로 위상 시프팅될 수 있고, 3개의 개별 위상들은 실질적으로 120도만큼 상대적으로 위상 시프팅될 수 있으며, 4개의 개별 위상들은 실질적으로 90도 등만큼 상대적으로 시프팅될 수 있고, 훨씬 더 많은 수의 개별 위상들에 대해서도 이런 방식이다. 제어 회로는 스위칭 매트릭스의 복수의 제어가능한 반도체 스위치들의 각각의 제어 단자들에 대한 펄스-폭 변조 제어 신호들을 생성하도록 추가로 구성될 수 있다. 스위칭 매트릭스의 반도체 스위치들에 대한 펄스-폭 변조 제어 신호들은, 첨부된 도면들을 참조하여 아래에 상세하게 개시되는 바와 같이, 제 1 출력 드라이버의 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 변조 제어 신호들로부터 비교적 간단한 방식으로 유도될 수 있다.
제어 회로의 멀티-위상 펄스-폭 변조기는 2개 또는 그 초과의 비교기들을 포함할 수 있는데, 이 비교기들 각각은 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기에 대한 오디오 신호에 커플링된 제 1 입력 및 비교기 출력들에서의 펄스-폭 변조 제어 신호들의 적어도 2개의 개별 위상들의 생산을 위해 삼각파 또는 톱니파 생성기에 커플링된 제 2 입력을 갖는다. 제어 회로는 펄스-폭 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과의 위상 반전된 복제 신호를 생성하기 위해 다양한 타입들의 인버터들 및 디지털 로직을 포함할 수 있다. 이러한 파형 생성기들에 의해 생성된 삼각 또는 톱니 신호들의 주파수는 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 변조 또는 반송파 주파수를 설정한다. 삼각 또는 톱니 신호들의 주파수는, 예컨대, 100kHz 내지 1MHz에 놓일 수 있다.
멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기는, 라우드스피커의 제 1 및 제 2 입력들에 걸쳐, 예컨대, 라우드스피커의 음성 코일에 걸쳐, 차동 드라이브 신호를 공급하기 위해 H-브릿지 또는 차동/BTL 출력 드라이버 토폴로지를 포함할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기는 제 1 출력 드라이버와 실질적으로 동일할 수 있는 제 2 출력 드라이버 및 제 2 스위칭 매트릭스를 포함한다. 이에 따라, H-브릿지 또는 차동/BTL 출력 드라이버를 갖는 멀티-레벨 클래스 D 오디오 증폭기는 추가로:
제 2 출력 드라이버를 포함하는데, 상기 제 2 출력 드라이버는:
제 1 DC 공급 레일과 제 2 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함하고(여기서, 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 제어 단자들은 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들의 각각의 제어 신호들에 연결가능함),
제 2 출력 드라이버의 직렬 연결된 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들 사이에 끼워진 2*(N-1)개의 중간 노드들,
직렬 연결된 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 중간지점에 배열되고 그리고 라우드스피커의 제 2 입력에 연결가능한 제 2 드라이버 출력 노드 또는 단자;
복수의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함하는 제 2 스위칭 매트릭스(여기서, 스위칭 매트릭스는, (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들의 각각의 DC 입력 전압 노드들에 커플링된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들 및 제 2 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들의 각각의 중간 노드들에 커플링된 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들을 포함하고; 제 2 출력 드라이버의 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 각각은 제 1 출력 드라이버의 대응 변조 제어 신호에 대해 위상 반전됨)를 포함한다.
멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 예시적인 실시예(N=3)는:
- 제 1 DC 공급 레일과 제 2 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 적어도 제 1 제어가능한 반도체 스위치, 제 2 제어가능한 반도체 스위치, 제 3 제어가능한 반도체 스위치 및 제 4 제어가능한 반도체 스위치를 포함하는 제 1 출력 드라이버를 포함할 수 있다. 제 1 제어가능한 반도체 스위치, 제 2 제어가능한 반도체 스위치, 제 3 제어가능한 반도체 스위치 및 제 4 제어가능한 반도체 스위치의 각각의 제어 단자들은, 적어도 4개의 변조 제어 신호들의 각각의 제어 신호들에 연결가능하거나 또는 그 각각의 제어 신호들에 연결되고; 제 1 출력 드라이버는 제 1 직렬 연결된 제어가능한 반도체 스위치와 제 2 직렬 연결된 제어가능한 반도체 스위치 사이에 배열된 제 1 중간 노드 및 제 3 직렬 연결된 제어가능한 반도체 스위치와 제 4 직렬 연결된 제어가능한 반도체 스위치 사이에 배열된 제 2 중간 노드를 포함한다. 스위칭 매트릭스는: 제 1 DC 입력 전압 노드에 커플링된 스위치 입력 및 제 1 출력 드라이버의 제 1 중간 노드에 커플링된 스위치 출력을 포함하는 제 5 제어가능한 반도체 스위치, 및 제 1 DC 입력 전압 노드에 커플링된 스위치 입력 및 제 1 출력 드라이버의 제 2 중간 노드에 커플링된 스위치 출력을 포함하는 제 6 제어가능한 반도체 스위치를 포함하고; 제어 회로는 제 5 제어가능한 반도체 스위치의 변조 제어 신호에 따라 제 1 중간 노드에 제 1 DC 입력 전압을 순차적으로 연결하고 제 6 제어가능한 반도체 스위치의 변조 제어 신호에 따라 제 2 중간 노드에 제 1 DC 입력 전압을 순차적으로 연결하도록 구성되고; 제 5 제어가능한 반도체 스위치 및 제 6 제어가능한 반도체 스위치의 변조 제어 신호들은 실질적으로 위상 반전된다.
당업자는, 제 1 출력 드라이버의 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들 및 스위칭 매트릭스의 복수의 제어가능한 반도체 스위치들, 및 선택적으로 제어 회로 및 제 2 출력 드라이버가, 예컨대, 실리콘 반도체 기판상에 모놀리식으로 통합될 수 있음을 이해할 것이다. 이는, 본 발명의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 저비용 및 콤팩트한 실시예를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예들은, 첨부된 도면들에 따라 더욱 상세하게 이하에 설명된다.
도 1은, 본 발명에 따른, 라우드스피커에 N-레벨 드라이브 신호들을 공급하기 위한 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기들의 간략화된 블록도이다.
도 2는, 본 발명에 따른, 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기들의 제 1 출력 드라이버 및 스위칭 매트릭스의 간략화된 회로도를 도시한다.
도 3은, 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 3-레벨 단일-종단형(single-ended) 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 4는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른, H-브릿지, 또는 차동, 출력을 갖는 3-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 4a는, H-브릿지 출력 스테이지에 기반하는 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기들에 사용하기 위한 예시적인 4 위상 PWM 변조기 및 PWM 변조 제어 신호들을 도시한다.
도 5는, 본 발명의 제 3 실시예에 따른, 단일-종단형 출력을 갖는 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 6은, 본 발명의 제 4 실시예에 따른, H-브릿지, 또는 차동, 출력을 갖는 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 7은 단일-종단형 또는 H-브릿지 출력 드라이브들을 갖는 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기들에 사용하기 위한 대안적인 스위치 매트릭스를 도시한다.
도 8은, 본 발명의 제 5 실시예에 따른, 단일-종단형 출력을 갖는 5-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 간략화된 개략 회로도를 도시한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 라우드스피커(50)에 N-레벨 드라이브 신호들을 공급하기 위한 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기들(100)의 상부-레벨 블록도를 도시한다. 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기는, 라우드스피커의 음성 코일에 오디오 드라이브 전류 및 전압을 공급하기 위해 라우드스피커의 제 1 및 제 2 단자들에 제 1 및 제 2 상보형 N-레벨 드라이브 신호들(Vsw_a 및 Vsw_b)을 제공하는 H-브릿지, 또는 차동 출력을 포함한다. 본 발명의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기의 다른 실시예들은, 이하에 추가로 상세하게 논의되는 바와 같이, 라우드스피커의 하나의 단자에 N-레벨 드라이브 신호를 제공하는 동시에 중간-공급 DC 기준 전압을 다른 라우드스피커 단자에 제공하는 단일-종단형 출력을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기들이 3, 4, 5 및 심지어는 그보다 더 높은 레벨들의 드라이브 신호를 라우드스피커에 공급하도록 구성될 수 있게, N은 3보다 크거나 또는 3과 동일한 양의 정수이다.
앞서 언급된 바와 같이, 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력(100)은 제 1 출력 드라이버, 그리고 선택적으로는 제 2 출력 드라이버(라우드스피커(50)에 커플링된 제 1 출력 및 제 2 출력(Vsw_a 및 Vsw_b)을 가짐)를 포함할 수 있는 전력 스테이지 또는 출력 회로(40)를 포함한다. 라우드스피커(50)에 걸친 드라이브 전압은 N-레벨을 포함하며, 여기서 N은 양의 정수>=3이다. 제 1 출력 드라이버는 (표시된 대로) 양의 DC 공급 레일(Pvdd) 및 음의 DC 공급 레일(예컨대, 오디오 전력 증폭기(100)의 접지 전위) 사이에 직렬로 커플링된 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함할 수 있다. 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들의 제어 단자들(미도시)은 이하에 더욱 상세하게 논의된 바와 같이 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 중 각각의 변조 제어 신호에 연결된다. 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력(100)은, 각각의 게이트 단자들에서 그들 각각의 제어 전압들에 의해 제어되는 복수의 제어가능한 반도체 스위치들(미도시), 이를테면, MOSFET 트랜지스터들을 포함하는 스위칭 매트릭스(30)를 포함한다. 스위칭 매트릭스(30)는, 본원에서 라인 (N-2)/(N-1)*Pvdd 및 라인 1/(N-1)*Pvdd 등으로 예시된 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들의 각각의 DC 입력 전압 노드들에 커플링된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들을 포함할 수 있다. 결과적으로, 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터(20)는 스위칭 매트릭스(30)의 (N-2)개의 스위치 입력들 중 각각의 입력들에 커플링하기 위한 (N-2)개의 실질적으로 균등하게 이격된 DC 입력 전압들을 생성하도록 구성된다. 이러한 전압 스케일링은, 상부 또는 제 1 DC 공급 전압(Pvdd)을 n=3 내지 N에 대한 스케일링 팩터들: (n-2)/[N-1]로 나누거나 또는 스케일링하여 수행된다. 이하에 더욱 상세하게 논의된 바와 같이, N은, 예컨대, 본 발명의 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(100)의 다수의 매력적인 실시예들을 형성하기 위해 3, 4, 5 또는 6일 수 있다. 스위칭 매트릭스(30)는 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들 중 각각의 중간 노드들에 커플링된 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들(Out1, Out2, Out3, Outp 등)을 포함한다. 스위칭 매트릭스(30)는, 스위칭 매트릭스(30)의 (N-2)개의 스위치 입력들, 그리고 이에 따라 대응하는 (N-2)개의 DC 입력 전압들이 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들을 통해 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들에 커플링되는 방법 및 시기를 결정하는 스위칭 매트릭스 제어 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 스위칭 매트릭스 제어 회로는, 제 1 출력 드라이버의 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과에 따라 스위칭 매트릭스(30)를 통해 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들 중 미리결정된 세트의 노드들에 (N-2)개의 DC 입력 전압들 각각을 순차적으로 연결하도록 구성된다. 각각의 DC 입력 전압이 연결되는 제 1 출력 드라이버의 중간 노드들의 미리결정된 세트는, 해당 DC 입력 전압의 전압 레벨에 의존하여 그리고 도 2의 노드 스위칭 요약을 참조로 이하에 추가로 상세하게 설명되는 것과 같은 N에 의존하여 변한다.
전원(10)은, 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터(20)의 입력(22)에 적절한 DC 공급 전압을 공급함으로써 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력(100)에 동작 전력 및 전압을 공급할 수 있다. 전원(10)은, 재충전가능한 배터리들 및/또는 전원 회로, 예컨대, AC/DC 스위치 모드 전원에 연결된 메인즈(mains)를 포함할 수 있다. 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터(20)는 출원인의 공동-계류중인 유럽 특허 출원 제14187490.9호에 개시된 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터 회로들 중 하나를 포함할 수 있다. 후자의 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터 회로들은, 적은 수의 별도의 컴포넌트들을 사용하여 높은 에너지 변환 효율을 가지고, 복수의 실질적으로 균등하게 이격된 DC 출력 전압들, 예컨대, 10V, 5V 및 0V 또는 10V, 6.67V, 3.33V 등을 생성하도록 편리하게 구성될 수 있다.
도 2는 예시적인 스위치 매트릭스(230)에 커플링된 전력 스테이지(40)의 앞서 논의된 제 1 출력 드라이버(240)의 간략화된 회로도를 도시한다. 제 1 출력 드라이버(240)는 양의 DC 공급 레일(Pvdd)과 접지 전위 또는 접지 노드(241) 사이에 직렬로 또는 캐스케이드로 커플링된 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들(Q[2*(N-1)-1] 내지 Q[2*(N-1)-2])을 포함한다. 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들(Q[2*(N-1)-1] 내지 Q[2*(N-1)-2])의 게이트 입력들 또는 단자들은, 예시적인 3-레벨 펄스-폭 변조된 클래스 D 오디오 전력(300)을 참조로 이하에 더욱 상세하게 설명된 바와 같이 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들의 각각의 신호들에 연결된다. 당업자는, 2*(N-1)개의 제어가능한 반도체 스위치들(Q[2*(N-1)-1] 내지 Q[2*(N-1)-2])의 각각의 스위치는 전력 트랜지스터, 이를테면, IGBT 또는 FET 전력 트랜지스터, 예컨대, MOSFET 전력 트랜지스터, 이를테면, PMOS, NMOS 또는 DMOS 전력 트랜지스터를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 제 1 출력 드라이버(240)의 일 실시예에서, 제어가능한 반도체 스위치들(Q[2*(N-1)-1] 내지 Q[2*(N-1)-2]) 각각은 소정의 크기의 트랜지스터에 대한 낮은 온-저항으로 인해 NMOS 트랜지스터를 포함한다. 양의 DC 공급 레일(Pvdd)은 1V 내지 30V의 레벨을 소유할 수 있다. 제 1 출력 드라이버(240)는 직렬 연결된 2*(N-1)개의 반도체 스위치들 또는 전력 트랜지스터들([2*(N-1)-1] 내지 Q[2*(N-1)-2]) 사이에 끼워진 2*(N-2)개의 중간 노드들(Vp[N-1]-Vn[N-1])을 포함한다. 제 1 출력 드라이버(240)는, 직렬 연결된 2*(N-1)개의 반도체 스위치들의 중간지점, 예컨대, 최내측 전력 트랜지스터(Q1 및 Q0)의 상호연결된 드레인 노드들에 배열된 드라이버 출력 노드 또는 단자(Vsw)를 추가로 포함한다. 드라이버 출력 단자(Vsw)는 라우드스피커의 음성 코일에 오디오 드라이브 전류 및 전압을 공급하기 위해 사전에 논의된 N-레벨 출력 신호를 라우드스피커에 전달한다. 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력은, N-레벨 출력 신호의 캐리어 신호 성분들을 제거하거나 또는 억제하고 이에 의해 잠재적으로 유해한 초음파 신호들의 과도한 레벨들로부터 라우드스피커를 보호하기 위해 라우드스피커의 입력 단자와 드라이버 출력 단자(Vsw) 사이에 연결된 저역통과 필터를 포함할 수 있다. 제 1 출력 드라이버(240)의 2*(N-2) 중간 노드들(Vp[N-1]-Vn[N-1])은, 각각의 중간 노드의 DC 전압이 스위칭 매트릭스(230)의 특정 입력에서 이용가능한 특정 DC 입력 전압으로 일시적으로 설정될 수 있도록, 스위칭 매트릭스(230)의 2*(N-2)개의 스위치 출력들 중 각각의 출력들에 연결된다. 앞서 논의된 바와 같이, 스위칭 매트릭스(230)는 (N-2)개의 균등하게 이격된 DC-입력 전압들(Vdc1, Vdc2, Vdc3, Vdc4, Vdc(N-2))의 각각의 전압들에 연결된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들을 포함한다. 앞서 논의된 바와 같이, 스위칭 매트릭스 제어 회로(미도시)는, 제 1 출력 드라이버의 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과에 따라 스위칭 매트릭스(230)를 통해 제 1 출력 드라이버(240)의 2*(N-2)개의 중간 노드들(Vp[N-1]-Vn[N-1]) 중 미리결정된 세트의 노드들에 (N-2)개의 DC 입력 전압들 각각을 순차적으로 연결하도록 구성된다. 표(260)는 N의 각각의 값 그리고 DC 입력 전압들인 중간 노드들(Vn1, Vn2, Vn3, Vn4, Vn[N-1]) 각각을 나타내는데, 해당 중간 노드는 제 1 출력 드라이버(240)의 동작 동안 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과에 의해 일시적으로 연결된다. 하부 레그의 최내측 전력 트랜지스터(Q0)의 드레인 노드(Vn1)는, 예컨대, 3-레벨 변조에 대해 Vdc1에 일시적으로 커플링되며, 제 2 DC 입력 전압이 예시된 바와 같이 접지 전위라고 가정하면, Vdc1은 바람직하게 제 1 DC 입력 전압(Pvdd)의 1/2에서 DC 전압 레벨을 갖는 중간-공급 DC 전압이다. N의 값이 증가함에 따라, 최내측 전력 트랜지스터(Q0)의 드레인 노드(Vn1)가 일시적으로 연결되는 상이한 DC 입력 전압들의 수가 선형적으로 증가하여, 드레인 노드(Vn1)는, N=6인 경우에, Vdc1, Vdc2, Vdc3 및 Vdc4에 일시적으로 그리고 선택적으로 연결된다. 제 1 출력 드라이버(240)의 상부 레그의 중간 노드들(Vp1, Vp2, Vp3, Vp4, Vp[N-1]) 각각은 하부 레그의 대응 노드(Vn1, Vn2, Vn3, Vn4, Vn[N-1])에 반대 위상으로 구동되고/반전된다.
도 3은, 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 3-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(300)의 간략화된 블록도를 도시한다. 3-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(300)는 선택적인 듀얼 출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(320)를 포함한다. 듀얼 출력 DC-DC 전력 컨버터(320)는, 양의 DC 공급 레일(Pvdd)에서, 출력 드라이버(340)에 대한 제 1 DC 출력 전압을 생성하도록 구성된다. 듀얼-출력 DC-DC 전력 컨버터(320)는, 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(300)의 스위칭 매트릭스(330)의 단일 DC 입력 전압 노드(312)에 인가되는 제 2 DC 출력 전압(½ Pvdd)을 생성하도록 추가로 구성된다. 제 2 DC 출력 전압(½ Pvdd)의 레벨은 양의 DC 공급 레일(Pvdd)의 레벨의 대략 ½일 수 있다. 제 1 평활화 커패시터(C4)는 양의 DC 공급 레일(Pvdd)에 바람직하게 커플링되고, 제 2 평활화 커패시터(C3)는 ½ Pvdd에 바람직하게 커플링된다. 출력 드라이버(340)는, 양의 DC 공급 레일(Pvdd)과, 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(300)의 본 발명의 실시예에서 접지 전위인 음의 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 4개의 제어가능한 반도체 스위치들, 또는 축약된(abbreviated) SCS들(Qa0, Qa1, Qa2 및 Qa3)을 포함한다. 출력 드라이버(340)의 제 1 레그는, 접지 전위에 연결된 제 1 단부, 예컨대, 소스 단자를 갖고 그리고 출력 드라이버(340)의 제 1 중간 노드(301)에 연결된 제 2 단부, 예컨대, 드레인 단자를 갖는 제 1 제어가능한 SCS(Qa0), 및 제 1 중간 노드(301)에 연결된 제 1 단부를 갖고 그리고 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에 연결된 제 2 단부를 갖는 제 2 제어가능한 SCS(Qa1)을 포함한다. 출력 드라이버의 드라이버 출력 노드(Vsw_a)는 사운드 재생을 위해 라우드스피커(350)의 단자 또는 입력에 연결가능하다. 도 3에 도시된 클래스 D 오디오 전력 증폭기(300)의 사용 동안, 다른 라우드스피커 단자는 중간-공급 레벨(½ Pvdd)에 연결된다. 이에 따라, 라우드스피커(350)에 걸친 전압은 Vsw_a - ½ Pvdd이다. 출력 드라이버(340)의 제 2 레그는, 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에 연결된 제 1 단부를 갖고 그리고 제 2 중간 노드(302)에 연결된 제 2 단부를 갖는 제 3 제어가능한 SCS(Qa2), 및 제 2 중간 노드(302)에 연결된 제 1 단부를 갖고 그리고 양의 DC 공급 전압 레일(Pvdd)에 연결된 제 2 단부를 갖는 제 4 제어가능한 SCS(Qa3)를 포함한다. 당업자는, 출력 드라이버(340)의 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 제어가능한 반도체 스위치들 각각은 MOSFET 전력 트랜지스터들, 이를테면, PMOS, NMOS 또는 LDMOS 전력 트랜지스터를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
스위칭 매트릭스(330)는, 단일 DC 입력 전압 노드(312)에 커플링된 단일 스위치 입력 및 제 5 SCS(Qa4), 및 제 6 SCS(Qa5)의 형태의 2개의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함한다. 제 5 SCS(Qa4)의 제 1 단부, 예컨대, 드레인 단자는, 출력 드라이버(340)의 제 1 중간 노드(301)에 연결되고, Qa4의 제 2 단부는 중간-공급 레벨 ½ Pvdd의 수신을 위해 노드(312)에서 스위치 입력에 연결된다. 제 6 SCS(Qa5)는, 스위치 입력에 연결된 제 1 단부 및 출력 드라이버(340)의 제 2 중간 노드(302)에 연결된 제 2 단부를 갖는다. 6개의 제어가능한 SCS들(Qa0-Qa5) 각각은, 적합한 제어 신호에 따라 전도/온 상태와 비-전도/오프 상태 사이에서 문제의 SCS를 스위칭하기 위한 제어 단자, 예컨대, 게이트 단자를 갖는다. 동작시에, 듀얼 출력 DC-DC 전력 컨버터(320)는 출력 드라이버(340) 및 스위칭 매트릭스(330)에 전력을 공급하기 위한 제 1 및 제 2 DC 출력 전압들(Pvdd 및 ½ Pvdd)을 생성하고, 이에 따라 균등하게 이격된 DC 전압들을 이후의 회로들에 공급한다. 듀얼 출력 DC-DC 전력 컨버터(320)는, 임의의 적합한 전력 소스, 예컨대, 전력 입력(310)에서의 재충전가능한 배터리 셀 또는 배터리 팩(Vbat)으로부터 전력이 공급될 수 있다. 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에서 증폭된 오디오 신호를 생성하기 위해, 6개의 제어가능한 SCSs(Qa0-Qa5)의 SCS 제어 단자들은, 예를 들어, 파형 플롯(360)에 도시된 바와 같이 각각의 변조 제어 신호들에 의해 구동된다. 변조 제어 신호들은, 특히, 멀티-위상 PWM 변조기를 포함하는 제어 회로(370)에 의해 생성된다. 입력 오디오 신호(Vmod)는 2개의 비교기들(311, 312)의 각각의 비-반전 입력들에 가해진다. 2개의 비교기들(311, 312)의 각각의 반전 입력들은 상보형 삼각 파형 신호들, 즉, 반대 극성의 파형들을 수신한다. 출력 드라이버(340)의 SCS들(Qa0-Qa3) 및 스위칭 매트릭스(330)의 SCS들(Qa4-Qa5)의 각각의 제어 단자들에 제공된 변조 제어 신호들(Qa0-Qa5)의 결과적인 파형들은 모두 파형 플롯(360)에 도시된다. 게다가, 파형 플롯(360)은, 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에서의 결과적인 전압, 라우드스피커(350)에 걸리는 결과적인 전압(Vsw_a - ½ Pvdd), 제 2 중간 노드(302)에서 결과적인 전압(Vpa) 및 제 1 중간 노드(301)에서 결과적인 전압(Vna)(모두 제어 회로(370)의 동작을 반영함)을 도시한다.
그러므로, Qa4-Qa5에 대한 변조 제어 신호들은 반대 극성 그리고 실질적으로 0도 위상 시프트를 갖는 한편, SCS들(Qa3-Qa4)에 대한 변조 제어 신호들은 동일한 극성 그리고 실질적으로 0도 위상 시프트를 갖는다. Qa1-Qa2에 대한 변조 제어 신호들은 반대 극성 및 180도 위상 시프트를 갖는다.
따라서, 스위칭 매트릭스(330)의 스위치 입력(312)에 인가되는 제 2 DC 출력 전압(½ Pvdd)은 제 1 중간 노드(301) 및 제 2 중간 노드(302)에 순차적으로 연결된다. 제 2 DC 출력 전압(½ Pvdd)은, Qa4가 전도하고 Qa5가 비-전도할 때, Qa4의 온-저항을 통해 제 1 중간 노드(301)에 연결된다. 마찬가지로, 제 2 DC 출력 전압(½ Pvdd)은, Qa5가 전도하고 Qa4가 비-전도할 때, Qa5의 온-저항을 통해 제 2 중간 노드(302)에 연결된다. Qq4-Qa5의 변조 제어 신호들의 반대 극성은, 이들 SCS들 중 오직 하나가 임의의 주어진 시간에 전도함을 보장한다. 도 3의 파형 플롯(360)에 표시된 바와 같이, 제어 회로(370)는, 출력 드라이버(340)가 순차적으로 각각 321, 322 및 323으로서의 적어도 3개의 상이한 상태 또는 구성이 되도록 바람직하게 구성된다.
제 1 상태(321)에서, Qa0, Qa2 및 Qa5는 비-전도하는 반면 Qa1, Qa3 및 Qa4는 전도하며 - 여기서 각각의 파형들은 연관된 제어가능한 반도체 스위치의 제어 단자에서의 논의되는 변조 제어 신호의 로직 레벨을 나타낸다. 제 2 상태(322)에서, Qa1, Qa3 및 Qa4는 비-전도하는 반면, Qa0, Qa2 및 Qa5는 전도한다. 제 3 상태 또는 구성(323)에서, Qa1, Qa3 및 Qa4는 비-전도하는 반면, Qa0, Qa2 및 Qa5는 전도한다. 제어 회로(370)는 바람직하게, 적어도 출력 드라이버(340)의 동작의 기간 동안, 제 1 상태(321) -> 제 2 상태(322) -> 제 3 상태(323) -> 제 2 상태(322) -> 제 1 상태(321)와 같이, 이러한 3개의 상태들(321, 322, 323) 사이에서 출력 드라이버를 순차적으로 스위칭하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 H-브릿지, 또는 차동/BTL, 출력 드라이버 토폴로지를 갖는 3-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(400)의 간략화된 블록도를 도시한다. 3-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(400)는 선택적인 듀얼 출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(420)를 포함한다. 듀얼 출력 DC-DC 전력 컨버터(420)는, 본 발명의 제 1 실시예와 관련하여 위에 설명된 듀얼 출력 DC-DC 전력 컨버터(320)와 실질적으로 동일할 수 있다. 마찬가지로, 듀얼 출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(420)의 전력 소스(410)는 사전에 논의된 전력 소스(310)와 동일할 수 있다. 출력 드라이버(440)는, 앞서 논의된 출력 드라이버(340) 및 스위칭 매트릭스(330)와는 대조적으로 연관된 스위칭 매트릭스들을 갖는, 소위 H-브릿지 또는 BTL 토폴로지로 구성된 2개의 별도의 드라이버 회로들을 포함한다. 출력 드라이버(440)의 제 1 드라이버 섹션은, 양의 DC 공급 레일(Pvdd)과, 본 발명의 실시예에서 접지 전위인 음의 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 4개의 제어가능한 반도체 스위치들(Qa0, Qa1, Qa2 및 Qa3)을 포함한다. 스위칭 매트릭스는 제어가능한 SCS들(Qa4 및 Qa5)을 포함한다. 당업자는, 본 발명의 클래스 D 오디오 전력 증폭기(400)의 제 1 드라이버 섹션 및 연관 스위칭 매트릭스의 컴포넌트들 및 동작의 특징들이 앞서 논의된 본 발명의 제 1 실시예의 출력 드라이버(340) 및 스위칭 매트릭스(330)의 컴포넌트들 및 동작들의 특징들과 동일할 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 출력 드라이버(440)의 SCS들(Qa0-Qa3) 및 스위칭 매트릭스의 SCS들(Qa4-Qa5)의 각각의 제어 단자들에 제공된 변조 제어 신호들(Qa0-Qa5)의 파형들은 파형 플롯(360) 상에 도시된 대응 파형들과 동일할 수 있다. 변조 제어 신호들은, 후술하는 바와 같이 H-브릿지 출력 드라이버(440)에 대한 특정 부가적인 로직 회로이기는 하지만, 제 1 실시예의 제어 회로(370)와 유사한 제어 회로(미도시)에 의해 생성될 수 있다. 출력 드라이버(440)는, 제 1 출력 드라이버(340)와는 대조적으로, 양의 DC 공급 레일(Pvdd)과 음의 DC 공급 레일(접지) 사이에 직렬로 커플링된 4개의 제어가능한 반도체 스위치들(Qa6, Qa7, Qa8 및 Qa9)을 포함하는 제 2 드라이버 섹션을 포함한다. 제 2 스위칭 매트릭스는 제어가능한 SCS들(Qa10 및 Qa11)을 포함한다. 제 1 및 제 2 스위칭 매트릭스들은, 물론, 3-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(400)의 단일의 더 큰 스위칭 매트릭스로서 관찰될 수 있다. 바람직하게, 출력 드라이버(440)의 제 1 및 제 2 드라이버 섹션들은 실질적으로 동일하다. 제 1 드라이버 섹션은 제 1 및 제 2 중간 노드들(401, 402)을 포함하고, 제 2 드라이버 섹션은 제 3 및 제 4 중간 노드들(403, 404)을 포함한다.
출력 드라이버(440)는 제 1 드라이버 섹션의 Qa1과 Qa2 사이의 상호연결 노드(421)에 제 1 드라이버 출력 노드(Vsw_a) 및 제 2 드라이버 섹션의 Qa7과 Qa8 사이의 상호연결 노드(422)에 제 2 드라이버 출력 노드(Vsw_b)를 포함한다. 제 1 및 제 2 드라이버 출력 노드들(Vsw_a, Vsw_b)은 제 1 및 제 2 드라이버 출력 노드들(Vsw_a, Vsw_b)에 걸리는 차동의 그리고 변조된 드라이브 전압의 오디오 신호 성분에 따라 사운드 재생을 위해 라우드스피커(450)의 한 쌍의 라우드스피커 단자들에 연결가능하다.
멀티-위상 PWM 변조기는, 파형 플롯(360) 상에 도시된 대응하는 변조 제어 신호들(Qa0-Qa5)과 비교하여 위상 반전된, 제 2 드라이버 섹션에 대한 변조된 제어들을 생성 또는 유도하도록 구성된다. 결과적으로, Qa6의 게이트 단자에 인가된 변조 제어 신호는 변조 제어 신호(Qa0)와 비교하여 위상 반전되거나 또는 반대극성이며, Qa7의 게이트 단자에 인가된 변조 제어 신호는 파형 플롯(360) 상의 변조 제어 신호(Qa1)와 비교하여 위상 반전되는 식이다. 따라서, 제 1 및 제 2 드라이버 출력 노드들(Vsw_a, Vsw_b)에서의 출력 전압들은, 위상 반전된 상태이고, 앞서 논의된 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(300)에 의해 생성된 드라이브 전압과 비교하여 라우드스피커(450)에 걸리는 드라이브 전압의 2배를 제공한다.
도 4와 관련하여 개략적으로 예시된 또 다른 실시예에서, 4 위상 PWM 변조기를 포함하는 제어 회로(470)는, 제 1 및 제 2 드라이버 섹션들에 대한 변조된 제어들의 위상 반전된 특징에 의해 제공되는 3개의 상이한 전압 레벨들이 아닌 5개의 상이한 전압 레벨들을 포함하는, 제 1 및 제 2 드라이버 출력 노드들(Vsw_a, Vsw_b)에 걸리는 PWM 드라이브 신호를 제공하기 위해 파형 플롯(360) 상에 도시된 Qa0-Qa5에 대한 대응하는 변조 제어 신호들과 비교하여 실질적으로 90도로 위상 시프트되고 위상 반전된, 제 2 드라이버 섹션의 Qa6-Qa11에 대한 PWM 변조된 제어들을 생성 또는 유도하도록 구성된다.
이하의 표 1은, SCS들(Qa1-Qa11)에 대한 변조된 제어들의 상대 위상들 및 극성들을 열거한다. 이하의 표 1 및 표 2에서, “극성” 컬럼의 (+)는 비-반전된 변조 제어 신호를 지칭하고, “극성” 컬럼의 (-)는 (+)에 비해 반전된 변조 제어 신호를 지칭한다. 그러므로, 예컨대, Qa0 및 Qa3에 대한 변조 제어 신호들은 반전되거나 또는 상보적이며, 예컨대, Qa1 및 Qa2에 대한 변조 제어 신호들은 반전되거나 또는 상보적이다.
H-브릿지 출력 드라이버 및 스위칭 매트릭스들의 SCS들(Qa0-Qa11)의 각각의 제어 단자들에 제공된 PWM 변조 제어 신호들(Qa0-Qa11)의 결과적인 파형들은 모두 파형 플롯(460)에 도시된다. 게다가, 파형 플롯(460)은 드라이버 출력에 걸리는 결과적인 드라이브 전압을 도시한다.
Figure 112017073143628-pct00001
Figure 112017073143628-pct00002
표 1
제어 회로(470)는, 적어도 출력 드라이버(440)의 동작의 기간 동안, 제 1 구성(521) -> 제 2 구성(522) -> 제 3 구성(523) -> 제 4 구성(524) -> 제 1 구성(521)과 같이, 파형 플롯(460) 상에 표시된 4개의 구성들 또는 상태들(521,522,523,524) 사이에서 출력 드라이버를 순차적으로 스위칭하도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 4-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(500)의 간략화된 블록도를 도시한다. 그러므로, N=4이다. 4-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(500)는 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(520)를 포함할 수 있다. 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(520)는, 클래스 D 오디오 전력 증폭기(500)의 단일-종단형 출력 드라이버(540)의 양의 DC 공급 레일(Pvdd)에 대한 제 1 DC 출력 전압을 생성하기 위해 구성된다. 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(520)는, 클래스 D 오디오 전력 증폭기(500)의 스위칭 매트릭스(530)의 제 1 스위치 입력(523)에 인가되는 제 2 DC 출력 전압(2/3 Pvdd)을 생성하기 위해 추가로 구성된다. 제 2 DC 출력 전압(2/ 3 Pvdd)의 전압 레벨 또는 크기는 양의 DC 공급 레일(Pvdd)의 레벨의 대략 2/3일 수 있다. 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(520)는, 스위칭 매트릭스의 제 2 스위치 입력(521)에 인가되는 제 3 DC 출력 전압(1/3 Pvdd)을 추가로 생성한다. 제 3 DC 출력 전압(1/3 Pvdd)의 전압 레벨 또는 크기는 양의 DC 공급 레일(Pvdd)의 레벨의 대략 1/3일 수 있다. 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터(520)는 출원인의 동시-계류중인 유럽 특허 출원 제14187490.9호에 개시된 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터 회로들 중 하나를 포함할 수 있다.
단일-종단형 출력 드라이버(540)는,양의 DC 공급 레일(Pvdd)과, 클래스 D 오디오 전력 증폭기(500)의 본 발명의 실시예에서 접지 전위인 음의 DC 공급 레일 사이에 직렬로/캐스케이드로 커플링된 또는 연결된 6개의 제어가능한 SCS들(Qa0, Qa1, Qa2, Qa3, Qa4, Qa5 및 Qa6)을 포함한다. 단일-종단형 출력 드라이버(540)는 중간 노드들(501, 502, 503, 504)을 포함한다. 출력 드라이버(540)의 제 1 레그는, NMOS 또는 LDMOS 트랜지스터를 각각 포함할 수 있는 Qa0, Qa1 및 Qa2를 포함한다. Qa2의 드레인 단자는 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에 연결된다. 출력 드라이버(540)의 제 2 레그는, PMOS 또는 LDMOS 트랜지스터를 각각 포함할 수 있는 Qa3, Qa4 및 Qa5를 포함한다. Qa3의 드레인 단자는 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에 연결된다. 드라이버 출력 노드(Vsw_a)는 사운드 재생을 위해 라우드스피커(550)의 단자 또는 입력에 연결가능하다. 클래스 D 오디오 전력 증폭기(500)의 사용 동안, 다른 라우드스피커 단자가 제 2 DC 출력 전압 1/3 Pvdd에 연결될 수 있다. 이에 따라, 라우드스피커(550)에 걸리는 드라이브 전압은 Vsw_a - 1/3 Pvdd이다. 출력 드라이버(540)의 제 2 레그는 Qa4, Qa5 및 Qa6을 포함하고, 여기서 Qa3는 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에 연결된 제 1 단부 또는 드레인 단자를 갖는다. Qa3의 제 2 단부는 제 3 중간 노드(503)에서 Qa4에 연결된다. Qa5는, 양의 DC 공급 레일(Pvdd)에 연결된 소스 단자, 및 제 4 중간 노드(504)에서 Qa4의 소스에 연결된 드레인 단자를 갖는다. 당업자는, 출력 드라이버(540)의 제 1 내지 제 6 제어가능한 반도체 스위치들 각각이 MOSFET 전력 트랜지스터, 이를테면, PMOS, NMOS 또는 LDMOS 전력 트랜지스터를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
스위칭 매트릭스(530)는 부스트 DC-DC 컨버터(520)의 제 2 및 제 3 DC 출력 전압들의 각각의 전압들에 커플링된 사전에 논의된 제 1 및 제 2 스위치 입력들(523, 521)을 포함한다. 게다가, 스위칭 매트릭스(530)는 출력 드라이버(540)의 각각의 중간 노드들(501, 502, 503, 504)에 연결된 적어도 4개의 스위치 출력들(511, 512, 513, 514)을 포함한다. 스위칭 매트릭스(530)는 Qa6, Qa7, Qa8, Qa9, Qa10 및 Qa11의 형태로 본 발명의 실시예에서 6개의 제어가능한 반도체 스위치들을 포함한다. 12개의 제어가능한 SCS들(Qa0-Qa11) 각각은, 적합한 변조 제어 신호, 예컨대, 앞서 논의된 바와 같이 PWM 변조 제어 신호에 따라 전도/온 상태와 비-전도/오프 상태 사이에서 문제의 SCS를 스위칭하기 위한 제어 단자, 예컨대, 게이트 단자를 갖는다. 동작시에, 다중-출력 DC-DC 전력 컨버터(520)는 출력 드라이버(540) 및 스위칭 매트릭스(530)에 전력을 공급하기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 DC 출력 전압들(Pvdd, 2/3 Pvdd 및 1/3 Pvdd)을 생성하고, 이에 따라 일 세트의 균등하게 이격된 DC 전압들을 이후의 회로들에 공급한다. 듀얼 출력 DC-DC 전력 컨버터(520)는, 임의의 적합한 전력 소스, 예컨대, 재충전가능한 배터리 셀 또는 배터리 팩(Vbat)(510)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에서 증폭된 오디오 신호를 생성하기 위해, 6개의 제어가능한 SCS들(Qa0-Qa5)의 SCS 제어 단자들은, 본 발명의 제 2 실시예 및 대응 파형 플롯(360)과 관련하여 이전에 논의된 바와 같이, 각각의 변조 제어 신호들에 의해 구동된다. 동작 동안, 스위칭 매트릭스(530)는, 스위칭 매트릭스(530)의 SCS들(Qa6, Qa7, Qa8, Qa9, Qa10 및 Qa11)의 제어 단자들에 적절한 신호 레벨들을 적용시킴으로써, 제 2 및 제 3 DC 출력 전압들(2/3 Pvdd 및 1/3 Pvdd)에 제 2 중간 노드(502)를 순차적으로 연결하고 그리고 제 2 및 제 3 DC 출력 전압들(2/3 Pvdd 및 1/3 Pvdd)에 제 3 중간 노드(503)를 순차적으로 연결한다. 당업자는, 예컨대, Qa6 및 Qa10를 그들의 전도 상태들로 스위칭하고 동시에, 예컨대, Qa7, Qa8, Qa9 및 Qa11를 그들의 비-전도 상태들로 스위칭함으로써, 제 2 중간 노드(502)가 제 2 DC 출력 전압 2/3 Pvdd에 연결될 수 있음을 이해할 것이다. 이에 더해, 예컨대, Qa6 및 Qa9를 그들의 전도 상태들로 스위칭하고 동시에, 예컨대, , Qa9, Qa7 및 Qa11를 그들의 비-전도 상태들로 스위칭함으로써, 제 2 중간 노드(502)가 제 3 DC 출력 전압 1/3 Pvdd에 연결될 수 있다. 당업자는, 제 3 중간 노드(503)가 스위칭 매트릭스(530)의 SCS들(Qa6, Qa7, Qa8, Qa9, Qa10 및 Qa11)의 적절한 상태들 또는 구성들을 선택함으로써 제 2 DC 출력 전압 2/3 Pvdd 및 제 3 DC 출력 전압 1/3 Pvdd에 순차적으로 연결될 수 있음을 이해할 것이다. 게다가, 도 2의 표(260)에 의해 고안된 4-레벨 출력 드라이버들(N=4)에 대한 일반적인 상태 스위칭 규칙들에 따르면, 당업자는 제 1 중간 노드(501)가 오직 제 3 DC 출력 전압 1/3 Pvdd에만 선택적으로 연결될 수 있고, 그리고 동일한 특징이 제 4 중간 노드(504)에 대해 적용됨을 이해할 것이다.
본 발명의 4-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(500)의 SCS들(Qa0-Qa11)에 대한 변조 제어 신호들은 제어 회로들(370, 470)에 대해 이전에 논의된 설계 원리들에 따라 적합하게 구성된 멀티-위상 PWM 변조기(미도시)에 의해 생성될 수 있다. 이하의 표 2는, 멀티-위상 PWM 변조기에 의해 생성되고, 그리고 스위칭 매트릭스(530)의 SCS들(Qa6-Qa11)의 제어 단자들 및 단일-종단형 출력 드라이버 또는 스테이지(540)의 SCS들(Qa1-Qa5)의 제어 단자들에 적용된 변조 제어 신호들의 상대 위상들 및 극성들을 열거한다.
Figure 112017073143628-pct00003
표 2
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 H-브릿지, 또는 차동/BTL, 출력 드라이버 토폴로지를 갖는 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(600)의 간략화된 블록도를 도시한다. 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(600)는 선택적인 트리플 출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(620)를 포함한다. 트리플 출력 DC-DC 전력 컨버터(620)는, 본 발명의 제 3 실시예와 관련하여 위에 설명된 트리플 출력 DC-DC 전력 컨버터(520)와 실질적으로 동일할 수 있다. 마찬가지로, 전력 소스(610)는 이전에 논의된 전력 소스들(310, 510)과 동일할 수 있다. 출력 드라이버(440)는, 연관된 스위칭 매트릭스들(630a, 630b)을 갖는 소위 H-브릿지 또는 BTL 토폴로지로 구성된 2개의 별도의 드라이버 회로들(640a, 640b)을 포함한다. 제 1 드라이버 섹션(640a)은, 본 발명의 실시예에서 접지 전위인 음의 DC 공급 레일과 양의 DC 공급 레일(Pvdd) 사이에 직렬로 연결된 6개의 제어가능한 반도체 스위치들(Qa0 - Qa5)을 포함한다. 스위칭 매트릭스(630a)는 본 발명의 제 3 실시예의 이전에 논의된 스위칭 매트릭스(530)와 동일할 수 있다. 당업자는, 본 발명의 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(600)의 제 1 드라이버 섹션(640a) 및 연관 스위칭 매트릭스(630a)의 컴포넌트들 및 동작의 특징들은 앞서 논의된 본 발명의 제 3 실시예의 출력 드라이버(540) 및 스위칭 매트릭스(530)의 컴포넌트들 및 동작들의 특징들과 동일할 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 출력 드라이버(540)의 SCS들(Qa0-Qa5) 및 스위칭 매트릭스의 SCS들(Qa6-Qa11)의 각각의 제어 단자들에 제공된 변조 제어 신호들(Qa0-Qa5)의 파형들은 표 2에 열거된 대응 파형들과 동일할 수 있다. 변조 제어 신호들은 적합한 멀티-위상 PWM 변조기(미도시)에 의해 생성될 수 있다. 출력 드라이버는, 양의 DC 공급 레일(Pvdd)과 음의 DC 공급 레일(접지) 사이에 직렬로 커플링된 6개의 제어가능한 반도체 스위치들(Qa12 - Qa17)을 포함하는 제 2 드라이버 섹션(640b)을 포함한다. 제 2 스위칭 매트릭스(630b)는, 제 2 및 제 3 DC 출력 전압들(2/3 Pvdd 및 1/3 Pvdd)이 제 2 드라이버 섹션(640b)의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 중간 노드들(605, 606, 607, 608)에 커플링되는 시퀀스를 제어한다. 마찬가지로, 제 1 스위칭 매트릭스(630a)는, 제 2 및 제 3 DC 출력 전압들(2/3 Pvdd 및 1/3 Pvdd)이 제 1 드라이버 섹션(640a)의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 중간 노드들(601, 602, 603, 604)에 커플링되는 시퀀스를 제어한다. 제 1 및 제 2 스위칭 매트릭스들(630a, 630b)은, 물론, 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(600)의 단일의 더 큰 스위칭 매트릭스로서 보여질 수 있다. 바람직하게, 출력 드라이버의 제 1 및 제 2 드라이버 섹션들(640a, 640b)은 실질적으로 동일하다.
출력 드라이버는 제 1 드라이버 섹션(640a)의 Qa2와 Qa3 사이의 상호연결 노드에 제 1 드라이버 출력 노드(Vsw_a) 및 제 2 드라이버 섹션(640b)의 Qa14와 Qa15 사이의 상호연결 노드에 제 2 드라이버 출력 노드(Vsw_b)를 포함한다. 제 1 및 제 2 드라이버 출력 노드들(Vsw_a, Vsw_b)은 제 1 및 제 2 드라이버 출력 노드들(Vsw_a, Vsw_b)에 걸쳐 차동의 그리고 변조된 드라이브 전압의 오디오 신호 성분에 따라 사운드 재생을 위해 라우드스피커(650)의 한 쌍의 라우드스피커 단자들에 연결가능하다.
멀티-위상 PWM 변조기(미도시)는, 전술한 표 1에 열거된 대응하는 변조 제어 신호들(Qa0-Qa11)과 비교하여 위상 반전되고 그리고 실질적으로 60도만큼 위상 시프트된, 제 2 드라이버 섹션(640b) 및 제 2 스위칭 매트릭스(630b)에 대한 변조 제어 신호들을 생성 또는 파생시키도록 구성된다. 이에 따라, 멀티-위상 PWM 변조기에 의해 생성된 변조 제어 신호들의 상대 위상들 및 극성들은 표 1 및 표 2와 동일한 심볼 규칙을 사용하여 후술하는 바와 같다.
Figure 112017073143628-pct00004
여기서, 제 1 스위칭 매트릭스(630a)는 SCS들(Qa6 - Qa11)을 포함하고, 제 2 스위칭 매트릭스(630b)는 SCS들(Qa18 - Qa23)을 포함한다.
도 7은 앞서 논의된 4-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(600)의 출력 드라이버의 제 1 드라이버 섹션(640a) 또는 제 2 드라이버 섹션(640b)으로의 자신의 커플링 및 대안적인 토폴로지를 갖는 스위칭 매트릭스(730)를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따라 5-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 간략화된 블록도를 도시한다. 그러므로, N=5이다. 5-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)는 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(820)를 포함할 수 있다. 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(820)는, 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 단일-종단형 출력 드라이버(840)의 양의 DC 공급 레일(Pvdd)에 대한 제 1 DC 출력 전압을 생성하도록 구성된다. 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(820)는, 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 스위칭 매트릭스(830)의 제 1 스위치 입력(825)에 인가되는 제 2 DC 출력 전압(3/4 Pvdd)을 생성하도록 추가로 구성된다. 제 2 DC 출력 전압(3/4 Pvdd)의 전압 레벨 또는 크기는 양의 DC 공급 레일(Pvdd)의 레벨의 대략 3/4일 수 있다. 다중-출력 부스트 DC-DC 전력 컨버터(520)는, 스위칭 매트릭스(830)의 제 2 스위치 입력(823)에 인가되는 제 3 DC 출력 전압(½ Pvdd)을 추가로 생성하고, 스위칭 매트릭스(830)의 제 3 스위치 입력(821)에 인가되는 제 4 DC 출력 전압(1/4 Pvdd)을 생성한다. 제 3 DC 출력 전압(½ Pvdd)의 전압 레벨 또는 크기는 양의 DC 공급 레일(Pvdd)의 레벨의 대략적으로 ½일 수 있고, 제 4 DC 출력 전압(1/4 Pvdd)은 양의 DC 공급 레일(Pvdd)의 레벨의 대략 1/4일 수 있다. 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터(820)는 출원인의 공동-계류중인 유럽 특허 출원 제14187490.9호에 개시된 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터 회로들 중 하나를 포함할 수 있다. 스위칭 매트릭스(830)는 SCS들(Qa10 - Qa19)을 포함한다. 단일-종단형 출력 드라이버(840)는, 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 본 발명의 실시예에서 접지 전위인 음의 DC 공급 레일과 양의 DC 공급 레일(Pvdd) 사이에 직렬로/캐스케이드로 커플링된 또는 연결된 적어도 8개의 제어가능한 SCS들(Qa0, Qa1, Qa2, Qa3, Qa4, Qa5, Qa6, Qa7 및 Qa8)을 포함한다. 게다가, 단일-종단형 출력 드라이버(840)는 중간 노드들(801, 802, 803, 804, 805 및 806)을 포함한다. Qa0 - Qa4 각각은 NMOS 또는 LDMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. Qa3의 드레인 단자는 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에 연결된다. Qa5 - Qa8 각각은 PMOS 또는 LDMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. Qa4의 드레인 단자는 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에 연결된다. 드라이버 출력 노드(Vsw_a)는 사운드 재생을 위해 라우드스피커(850)의 단자 또는 입력에 연결가능하다. 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 사용 동안, 다른 라우드스피커 단자가 제 3 DC 출력 전압 ½ Pvdd에 연결될 수 있다. 이에 따라, 라우드스피커(850)에 걸친 드라이브 전압은 Vsw_a - ½ Pvdd이다. 당업자는, 출력 드라이버(840)의 제 1 내지 제 8 제어가능한 반도체 스위치들 각각이 MOSFET 전력 트랜지스터들, 이를테면, PMOS, NMOS 또는 LDMOS 전력 트랜지스터를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
스위칭 매트릭스(830)는 6개의 중간 노드들(801-807)의 각각의 노드들에 연결된 적어도 6개의 스위치 출력들을 포함한다. 19개의 제어가능한 SCS들(Qa0-Qa19) 각각은, 적합한 변조 제어 신호, 예컨대, 앞서 논의된 바와 같이 PWM 변조 제어 신호에 따라 전도/온 상태와 비-전도/오프 상태 사이에서 문제의 SCS를 스위칭하기 위한 제어 단자, 예컨대, 게이트 단자를 갖는다. 트리플 출력 DC-DC 전력 컨버터(820)는, 임의의 적합한 전력/에너지 소스, 예컨대, 재충전가능한 배터리 셀 또는 배터리 팩(810)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 드라이버 출력 노드(Vsw_a)에서 증폭된 오디오 신호를 생성하기 위해, 8개의 제어가능한 SCS들(Qa0-Qa7)의 제어 단자들은, 본 발명의 제 3 실시예 및 대응 파형 플롯(360)과 관련하여 이전에 논의된 바와 같이, 각각의 변조 제어 신호들에 의해 구동된다. 동작 동안, 스위칭 매트릭스(830)는, 도 2의 표(260)에 의해 고안된 5-레벨 출력 드라이버들(N=5)에 대한 일반적인 상태 스위칭 규칙들을 따라, 중간 노드들(801-807)를 제 2, 제 3, 및 제 4 DC 출력 전압들 중 하나 또는 그 초과에 순차적으로 연결한다.
본 발명의 5-레벨 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 SCS들(Qa0-Qa19)에 대한 변조 제어 신호들은 제어 회로들(370, 470)에 대해 이전에 논의된 설계 원리들에 따라 적합하게 구성된 멀티-위상 PWM 변조기(미도시)에 의해 생성될 수 있다. 멀티-위상 PWM 변조기에 의해 생성되고, 그리고 스위칭 매트릭스(830)의 SCS들(Qa8-Qa19)의 제어 단자들 및 단일-종단형 출력 드라이버 또는 스테이지(840)의 SCS들(Qa1-Qa7)의 제어 단자들에 적용된 변조 제어 신호들의 상대 위상들 및 극성들은 표 1 및 표 2와 동일한 심볼 규칙을 사용하여 후술하는 바와 같을 수 있다.
Figure 112017073143628-pct00005
게다가, 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 5-레벨 H-브릿지 변형은, 제 1 드라이버 섹션(840)과 동일한 제 2 드라이버 섹션 및 스위칭 매트릭스(830)와 동일한 제 2 스위칭 매트릭스를 포함할 수 있다. 후자의 경우, 제 2 드라이버 섹션은 제어가능한 SCS들(Qa20-Qa27)을 포함할 수 있고, 제 2 스위칭 매트릭스는 제어가능한 SCS들(Qa28-Qa39)을 포함한다. 멀티-위상 PWM 변조기에 의해 생성되고 그리고 SCS들(Qa20-Qa39)의 제어 단자들에 적용된 변조 제어 신호들의 상대 위상 시프트들 및 극성들은, 앞서 열거된 단일-종단형 클래스 D 오디오 전력 증폭기(800)의 대응하는 변조 제어 신호들(Qa0-Qa19)과 비교하여 반전되고 실질적으로 45도 시프팅된다. 이에 따라, 멀티-위상 PWM 변조기에 의해 생성된 변조 제어 신호들의 상대 위상들 및 극성들은 후술하는 바와 같다.
Figure 112017073143628-pct00006

Claims (11)

  1. 라우드스피커(loudspeaker)에 N-레벨 드라이브 신호를 공급하기 위한 멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기(300, 400, 500, 600, 800)로서,
    - 제 1 DC 공급 레일과 제 2 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 제 1 반도체 스위치들을 포함하는 제 1 출력 드라이버 ― 상기 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 제 1 반도체 스위치들의 제어 단자들은 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들의 각각의 변조 제어 신호들에 연결가능함 ―;
    - 직렬 연결된 2*(N-1)개의 제어가능한 제 1 반도체 스위치들을 연결시키는 2*(N-2)개의 중간 노드들;
    - 상기 직렬 연결된 2*(N-1)개의 제어가능한 제 1 반도체 스위치들의 중간지점에 배열되고 그리고 상기 라우드스피커의 제 1 입력에 연결가능한 드라이버 출력 노드 또는 단자;
    - (N-2)개의 DC 입력 전압들의 수신을 위한 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들;
    - 복수의 제어가능한 제 2 반도체 스위치들을 포함하는 스위칭 매트릭스 ― 상기 스위칭 매트릭스는, 상기 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들의 각각의 DC 입력 전압 노드들에 커플링된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들, 및 상기 제 1 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들의 각각의 중간 노드들에 커플링된 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들을 포함함 ―, 및
    - 스위칭 매트릭스 제어 회로
    를 포함하고,
    상기 스위칭 매트릭스 제어 회로는,
    상기 제 1 출력 드라이버의 2*(N-1)개의 펄스-폭 변조 제어 신호들 중 하나 또는 그 초과에 따라 상기 스위칭 매트릭스를 통해 상기 제 1 출력 드라이버의 상기 2*(N-2)개의 중간 노드들 중 미리결정된 세트의 노드들에 상기 (N-2)개의 DC 입력 전압들 각각을 순차적으로 연결 및 연결해제하도록 구성되며,
    상기 복수의 제어가능한 제1 및 제2 반도체 스위치들 각각은 전력 트랜지스터이고,
    N은 3과 동일하거나 또는 3보다 큰 양의 정수인,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 매트릭스의 상기 (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들에서 적어도 (N-2)개의 DC 입력 전압들을 생성하기 위해 구성된 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터를 더 포함하는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다중 출력 DC-DC 전력 컨버터는, 제 1 출력 드라이버에 커플링된 제 1 DC 공급 레일(Pvdd)의 레벨을 스케일링 팩터들(n=3 내지 N인 경우에 (n-2)/[N-1])로 스케일링함으로써, 실질적으로 동일한 전압 스페이싱을 갖는 상기 (N-2)개의 DC 입력 전압들을 생성하도록 구성되는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 매트릭스 제어 회로는 상기 제 1 출력 드라이버의 상기 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 제 1 반도체 스위치들의 상기 제어 단자들에 대한 각각의 펄스-폭 변조 제어 신호들을 생성하기 위한 적어도 (N-1)개의 개별 위상들을 생성하도록 구성된 멀티-위상 펄스-폭 변조기를 포함하는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스위칭 매트릭스 제어 회로는 상기 스위칭 매트릭스의 상기 복수의 제어가능한 제 2 반도체 스위치들의 각각의 제어 단자들에 대한 펄스-폭 변조 제어 신호들을 생성하도록 추가로 구성되는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 출력 드라이버를 더 포함하는데,
    상기 제 2 출력 드라이버는:
    상기 제 1 DC 공급 레일과 상기 제 2 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 제 3 반도체 스위치들 ― 상기 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 제 3 반도체 스위치들의 제어 단자들은 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들의 각각의 제어 신호들에 연결가능함 ―;
    상기 제 2 출력 드라이버의 직렬 연결된 2*(N-1)개의 반도체 스위치들을 연결시키는 2*(N-2)개의 중간 노드들;
    상기 직렬 연결된 2*(N-1)개의 제어가능한 제 3 반도체 스위치들의 중간지점에 배열되고 그리고 상기 라우드스피커의 제 2 입력에 연결가능한 제 2 드라이버 출력 노드 또는 단자; 및
    복수의 제어가능한 제 4 반도체 스위치들을 포함하는 제 2 스위칭 매트릭스
    를 포함하고,
    상기 제 2 스위칭 매트릭스는, (N-2)개의 DC 입력 전압 노드들의 각각의 DC 입력 전압 노드들에 커플링된 적어도 (N-2)개의 스위치 입력들 및 상기 제 2 출력 드라이버의 2*(N-2)개의 중간 노드들의 각각의 중간 노드들에 커플링된 적어도 2*(N-2)개의 스위치 출력들을 포함하고; 상기 제 2 출력 드라이버의 적어도 2*(N-1)개의 변조 제어 신호들 각각은 상기 제 1 출력 드라이버의 대응 변조 제어 신호와 비교하여 위상 반전되는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    N=3이고:
    - 상기 제 1 출력 드라이버는, 상기 제 1 DC 공급 레일과 상기 제 2 DC 공급 레일 사이에 직렬로 커플링된 적어도 제 1 제어가능한 반도체 스위치, 제 2 제어가능한 반도체 스위치, 제 3 제어가능한 반도체 스위치 및 제 4 제어가능한 반도체 스위치를 포함하고,
    상기 제 1 제어가능한 반도체 스위치, 상기 제 2 제어가능한 반도체 스위치, 상기 제 3 제어가능한 반도체 스위치 및 제 4 제어가능한 반도체 스위치의 각각의 제어 단자들은 상기 적어도 4개의 변조 제어 신호들의 각각의 변조 제어 신호들에 연결가능하고,
    상기 제 1 출력 드라이버는, 상기 제 1 직렬 연결된 반도체 스위치와 상기 제 2 직렬 연결된 반도체 스위치를 연결시키는 제 1 중간 노드 및 상기 제 3 직렬 연결된 반도체 스위치와 상기 제 4 직렬 연결된 반도체 스위치를 연결시키는 제 2 중간 노드를 포함하고,
    상기 스위칭 매트릭스는:
    제 1 DC 입력 전압 노드에 커플링된 스위치 입력 및 상기 제 1 출력 드라이버의 제 1 중간 노드에 커플링된 스위치 출력을 포함하는 제 5 제어가능한 반도체 스위치, 및 상기 제 1 DC 입력 전압 노드에 커플링된 스위치 입력 및 상기 제 1 출력 드라이버의 제 2 중간 노드에 커플링된 스위치 출력을 포함하는 제 6 제어가능한 반도체 스위치를 포함하고,
    상기 스위칭 매트릭스 제어 회로는:
    상기 제 5 제어가능한 반도체 스위치의 변조 제어 신호에 따라 상기 제 1 중간 노드에 상기 제 1 DC 입력 전압을 순차적으로 연결하고 그리고 상기 제 6 제어가능한 반도체 스위치의 변조 제어 신호에 따라 상기 제 2 중간 노드에 상기 제 1 DC 입력 전압을 순차적으로 연결하도록 구성되고,
    상기 제 5 제어가능한 반도체 스위치 및 상기 제 6 제어가능한 반도체 스위치의 변조 제어 신호들은 실질적으로 위상 반전되는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 드라이버의 상기 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 제 1 반도체 스위치들 각각은 MOSFET 전력 트랜지스터, 이를테면, PMOS, NMOS 또는 LDMOS 전력 트랜지스터를 포함하는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 매트릭스의 상기 복수의 제어가능한 제 2 반도체 스위치들 각각은 MOSFET 트랜지스터, 이를테면, PMOS, NMOS 또는 LDMOS 트랜지스터를 포함하는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 드라이버의 상기 적어도 2*(N-1)개의 제어가능한 제 1 반도체 스위치들 및 상기 스위칭 매트릭스의 상기 복수의 제어가능한 제 2 반도체 스위치들은, 실리콘 반도체 기판상에 모놀리식으로 통합되는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
  11. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 다중 출력 DC-DC 컨버터는 범위 1-30V의 최대 DC 전압을 생성하도록 구성되는,
    멀티-레벨 클래스 D 오디오 전력 증폭기.
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