KR20020034677A - 고효율 스위칭 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력신호의 크기에 따라 스위칭 전원전압을 달리함으로써 소출력시에도 높은 효율을 유지하도록 하는 방법에 관한 것이다. 종래의 스위칭 증폭기는 입력신호의 크기에 관계없이 언제나 같은 크기의 전원전압으로 출력전압이 나타나게 되고 따라서 작은 음향출력시에도 전원전압과 같은 크기로 스위칭하여 작은 신호입력시 효율이 낮아지고 발열이 많으며 잡음이 크게 발생되고 비선형 왜곡이 발생하는 반면에 본 발명에서는 입력신호가 작은 경우는 입력신호의 크기에 맞추어 낮은 전원전압으로 스위칭함으로써 효율이 높아지고 발열이 감소하며 잡음과 비선형왜곡이 감소한다.

Description

고효율 스위칭 증폭기{High-Efficiency Switching Amplifier}

본 발명은 스위칭 전력증폭기에 대한 것으로서, 좀더 구체적으로는, 입력신호의 크기에 따라 사용전원전압을 달리하여 증폭기의 효율을 기존방식보다 높인, 개선된 성능의 스위칭 전력증폭기에 대한 것이다.

종래의 아날로그 오디오 증폭기는 증폭에 사용되는 트랜지스터를 활성영역에서 동작하도록 하는 원리이므로 증폭시 트랜지스터 양단에 걸리는 전압과 흐르는 전류의 곱에 해당하는 만큼의 전력이 트랜지스터에서 소모되어 많은 열이 발생하고 따라서 효율이 낮은 단점이 있다. 이렇게 발생하는 많은 열은 방열판을 설치하여 감소시키게 되는데 열이 많이 발생하는 아날로그 증폭기는 방열판의 크기가 커서 증폭기의 크기가 커지고 무게가 무거워지는 단점이 있다. 대출력 아날로그 증폭기는 이것도 모자라서 심지어 팬(fan)을 설치하여 공기를 대류시키는 공냉식을 병행하기도 한다.

아날로그 증폭기의 낮은 효율로 말미암아 증폭기를 동작시키기 위한 전원공급기의 용량 및 크기도 커질 수밖에 없으며 따라서 전원공급기 자체의 발열도 많이 발생하게 된다.

이러한 아날로그 증폭기의 단점을 극복하기 위하여 스위칭 기법을 사용한 증폭기가 출현하였으며 이 증폭기는 출력 트랜지스터를 선형영역에서 동작시키지 않고 입력 디지털 신호에 따라 트랜지스터를 포화영역 혹은 차단영역 둘 중에 하나에 있게 함으로써 출력 트랜지스터에서의 전력손실이 적고 발열량은 감소되어 효율이 높은 증폭기이다. 출력 스위칭 신호는 최종적으로 인덕터와 콘덴서를 사용하여 저역통과 필터링됨으로써 아날로그 신호로 복원된다.

스위칭 증폭기는 전력손실이 적으므로 증폭기를 작게 만들 수 있고 전원공급기도 작게 되며 따라서 가격도 내려갈 수 있다는 장점이 있다. 또한 디지털 입력신호를 직접 처리하여 신호처리함으로써 출력트랜지스터에까지 아날로그로의 변환 없이 보낼 수 있어 아날로그 증폭기에서 필연적으로 발생하던 반도체 열잡음에서 해방되어 잡음을 감소시킬 수 있고, 여러 가지 디지털 신호처리를 증폭과정 이전에 행할 수 있다는 장점이 있다.

스위칭 증폭기는 이러한 장점을 가지고 있지만 다음과 같이 문제점을 가지고 있다. 우선 스위칭된 출력 파형은 입력신호의 크기에 관계없이 언제나 최대 진폭으로 스위칭하게 되고 출력단에서의 전력손실도 입력신호에 관계없이 일정하게 된다. 스위칭 증폭기가 최대출력을 내는 경우는 장점인 고효율을 얻을 수 있지만 입력신호가 작은 경우는 출력되는 전력도 작게 되는데 증폭기 자체의 손실은 일정하므로 효율이 낮아지게 된다.

스위칭 증폭기의 출력단에는 변조된 스위칭 출력을 저역통과시켜 원래의 음향신호로 복원하기 위한 필터회로가 설치되는데 스위칭 진폭이 크면 이 필터회로에도 높은 전압의 스위칭 신호가 걸리게 되고 이 필터에 흐르는 전류에 의해 전력손실이 발생하고 스위칭 전압이 높으면 높을수록 손실은 크게 된다. 심지어 신호가 전혀 없더라도 스위칭은 계속하고 있는 상태이므로 전력손실은 늘 존재한다.

출력단의 필터는 스위칭된 구형파를 필터링하여 음향신호로 복원하는 역할을하는데, 작은 음향신호를 얻기 위하여 큰 전압의 극성이 다른 두 개의 사각파를 서로 상쇄시켜야만 하는데 이 때 두 개의 사각파가 필터를 통과하면서 비선형 특성이 발생하여 출력신호에 원 음향신호에 없던 잡음신호가 발생하게 된다. 또한 필터의 비선형 특성을 완화하기 위하여 필터의 크기가 커지는 문제가 발생한다.

따라서 아날로그 증폭기보다 우수한 고효율 스위칭 증폭기의 장점을 살리면서도 위에 언급한 문제점을 극복할 수 있는 진보된 스위칭 증폭기의 설계 방법이 요구된다.

도 1은 종래의 전브릿지(Full Bridge) 스위칭 증폭기의 블록도

도 2는 종래의 반브릿지(Half Bridge) 스위칭 증폭기의 블록도

도 3은 도 1 혹은 도 2의 실시예에서의 펄스폭변조(PWM) 파형의

생성 원리도

도 4는 도 1 혹은 도 2의 실시예에서의 PWM 파형의 다른 생성 원리도

도 5는 본 발명의 한 실시예의 블록도

도 6은 도 4의 실시예에서의 파형의 예

도 7은 본 발명의 다른 실시예의 블록도

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예의 블록도

도 9는 전원전압에 따른 증폭기 효율의 측정 그래프

종래의 스위칭 증폭기는 도1과 같은 전브릿지(Full Bridge) 구성, 혹은 도2와 같은 반브릿지(Half Bridge)구조로 구성되며 그 동작원리는 입력신호와 삼각파를 비교하여 입력신호의 크기에 비례하는 폭을 가진 펄스파를 만드는 원리이다. 이는 도3의 파형으로 설명할 수 있다. 우선 도1의 전브릿지 회로에 대해 설명하면 입력신호(10)가 들어오면 이를 PWM변환기(1)의 내부에서 만든 삼각파(11)과 비교하고 신호가 삼각파보다 크면 파워스위치구동회로(2)는 스위치 6A와 6D를 닫는데 이렇게 하면 부하(5)에는 전원공급기로부터 양의 전압(+V)가 걸리게 되고, 반대로 입력신호(10)가 삼각파보다 작으면 스위치 6B와 6C를 닫는데 이렇게 하면 부하(5)에는 음의 전압(-V)가 걸리게 되어 도3(b)의 스위칭 PWM파형을 얻게 된다.

도2의 반브릿지 회로의 경우에는 입력신호(10)가 들어오면 이를 PWM변환기(1)의 내부에서 만든 삼각파(11)과 비교하고 신호가 삼각파보다 크면 스위치 9A를 닫아 부하(5)에는 양(positive)의 전원공급기로부터 전압(+V)가 걸리게 되고, 반대로 입력신호(10)가 삼각파보다 작으면 스위치 9B를 닫아 부하(5)에는 음의 전압(-V)가 걸리게 되어 도3(b)의 스위칭 PWM파형을 얻게 되는 원리이다.

한편 도1의 전브릿지 회로의 경우는 입력신호(10)의 위상을 180도 바꾸어 신호(10A)를 만들고 이를 삼각파(11)과 비교하면 도4(c)와 같은 새로운 PWM파형을 얻게 되는데 이 타이밍에 따라 스위치 6A와 6C를 작동시키고, 원래의 입력신호(1)과 삼각파(11)로부터 얻은 도4(b)의 PWM파형의 타이밍에 따라 스위치 6B와 6D를 작동시키면 출력필터(4)의 양단에는 도4(d)에서 보는 바와 같은 +V, 0, -V의 전압을 갖는 PWM신호를 구현할 수도 있다.

이렇게 해서 얻어진 PWM 파형은 출력필터(4)를 거쳐 삼각파(11)의 반송 주파수 성분이 제거되고 부하(5)에는 입력신호가 증폭된 아날로그 파형의 형태로 나타나게 된다.

이러한 종래의 PWM 파형은 입력신호의 크기에 관계없이 +V와 -V 사이를 스위칭하게 되고 입력신호가 양(+)인 경우는 양의 펄스폭이 음의 펄스폭보다 넓고 입력신호가 음(-)인 경우는 양의 펄스폭이 음의 펄스폭보다 좁게 된다. 따라서 신호가 없거나 작을 경우에도 전원전압과 같은 스위칭 전압과 이에 비레하는 스위칭 전류가 흐르게 되므로 스위치(6)과 스위치(9)에서의 스위칭 손실이 발생하고 출력필터(4)에서도 큰 필터 손실이 발생하게 된다. 스위칭 증폭기는 양(+)의 사각파와 음(-)의 사각파의 에너지 차이로 부하(5)에는 출력신호가 나타나게 되는 것인데 이 두 사각파의 형태에 차이가 발생하면 이것은 부하(5)에는 잡음으로 나타나게 되며큰 전압으로 스위칭할수록 두 사각파에는 큰 리플이 발생하게 되고 이것은 잡음으로 들리게 되며 특히 입력신호가 작을 경우 잡음은 상대적으로 크게 들리게 되어 신호대 잡음비가 낮아진다. 또한 전원전압이 클수록 출력필터(4)에도 큰 전류가 흐르게 되고 이는 필터의 비선형성을 증가시키게 되고 필터의 포화를 막기 위하여 필터 크기도 커지게 되는 문제가 있다. 이러한 여러 현상은 전원공급기(3, 7, 8)의 전원전압이 클수록 크게 나타나게 된다.

본 발명은 이러한 여러 문제를 해결할 수 있게 하는 것으로 도5의 실시예 블록도를 이용하여 설명한다. 도5는 기존의 스위치의 전원전압(+VH, -VH)외에 이보다 낮은 전원전압(+VL, -VL)을 추가로 가진 블록도이다. 도5는 전원전압이 양(+)과 음(-)인 반브릿지(Half Bridge) 회로이다.

다단파워스위치구동회로(13)에는 두 개의 삼각파 발생기가 있어 이로부터 두 개의 삼각파(11, 18)를 만들고 입력신호(10)가 들어오면 상기 입력신호(10)을 우선 진폭검출기(17)에서 일정 문턱값(Threshold) 이상인가를 검사한다. 만일 상기 입력신호(10)가 일정 문턱값 이상이면 기존의 상기 삼각파(11)을 사용하여 스위치 16B 혹은 16D를 작동시키고 일정 문턱값 이하이면 상기 삼각파(18)과 비교하여 스위치 16A 혹은 16C를 작동시킨다.

도6에는 입력신호(10)과 삼각파(18)을 비교하고 스위치 16A와 16C를 작동시켜 얻은 PWM파형을 도6(b)에, 입력신호(10)과 삼각파(11)을 비교하고 스위치 16B와 16D를 작동시켜 얻은 PWM파형을 도6(c)에 보였다. 도6(b)는 스위칭 전압이 +VL, -VL로 낮지만 펄스의 폭의 변조량이 크게 되어 에너지를 많이 가지게 되며 반송주파수를 출력필터를 통하여 제거하고 나면 도6(c)의 파형을 필터링한 신호와 같은 크기의 출력신호를 얻게 된다.

이렇게 입력신호(10)이 작을 때에는 낮은 스위칭 전압을 사용하고 펄스폭의 변조량을 크게 하는 편이, 높은 스위칭 전압을 사용하고 펄스폭의 변조량이 작은 경우보다 스위칭 전압이 낮아 종래의 방법에 비하여 여러 가지 장점이 있게 된다.

도7은 본 발명을 보다 일반화한 실시예로서 전원전압을 복수의 N개를 사용하고 입력신호가 들어오면 입력신호의 크기를 N-1개의 문턱값과 비교하여 입력신호의 크기별로 적절한 삼각파를 사용하여 PWM 파형을 출력하여 해당 스위치를 작동함으로써 효율을 높일 수 있게 한 실시예이다. 이렇게 하면 효율이 더욱 증가할 뿐만 아니라 신호가 아주 작을 때에는 전원전압도 아주 작은 전압을 사용하여 스위칭하게 되므로 PWM 파형에 리플전압의 크기가 작게되어 도1 혹은 도2와 같은 종래의 방법과 비교할 때 신호대 잡음비가 월등히 개선된다.

본 발명을 양(+)과 음(-)의 전원전압(21, 22)을 사용하지 않고 양 혹은 음의 전원전압(14)만으로 구성할 수 있는 실시예를 도8에 보였다. 이 경우는 도1의 경우와 같이 한 쌍의 스위치가 동시에 열고 닫혀 부하에 전류를 흘리도록 한다.

도9는 본 발명의 유용성을 입증하기 위하여 측정한 실험 데이터로서, 전원전압을 각각 10V, 20V, 30V 사용하고 출력을 높여가면서 증폭기의 효율을 측정한 것이다. 출력이 높아지면서 효율도 상승하는 일반적인 양상을 알 수 있으며, 동일한 출력일 때를 비교하면 전원전압이 낮을수록 효율이 높은 것을 볼 수 있다. 즉 도6(b)와 도6(c)가 같은 출력이면 전원전압이 낮은 도6(b)가 효율이 높다는 것을입증하고 있다.

본 발명은 종래의 스위칭 증폭기에 비하여 작은 신호입력시 스위칭 전원전압이 낮아 출력 스위치 회로에서 발생하는 전력손실이 적다. 출력 스위치로 주로 사용되는 MOSFET의 경우 스위칭전력손실은 FET가 ON되었을 때의 저항인 Rdson에 흐르는 전류값에 비례하는데 스위칭전압이 작아지므로 스위칭전력손실이 작아진다.

또한 본 발명은 스위칭 전압이 낮아지므로 출력필터(4)에 흐르는 전류의 크기가 작아져 출력필터에서의 전력손실이 작아진다.

또한 본 발명은 상기 출력필터(4)에 흐르는 전류가 작아지므로 필터 코일의 포화가 방지되고 따라서 비선형왜곡이 감소한다.

또한 본 발명은 스위치 회로와 출력필터에서의 전력손실이 적어지므로 회로에서의 발열량이 적어지고 회로의 효율이 증가한다.

또한 본 발명은 스위칭 펄스의 양(+)전압과 음(-)전압 파형의 평균값으로 얻게 되는 출력신호는 스위칭전압이 작을수록 스위칭 펄스의 리플전압이 작아지고 따라서 출력 부하(5)에서의 잡음이 감소한다.

또한 본 발명은 스위칭 전압이 감소하여 스위칭시 발생하는 전자파 장애가 적어진다.

Claims (4)

1. 스위칭 증폭기에 있어서,

   입력신호의 크기를 검출하는 진폭검출기와,

   입력신호의 크기를 일정 문턱값(들)과 비교하여 입력신호의 전압영역에 따라 생성되는 PWM 파형의 변조량을 달리하는 PWM 발생장치와,

   입력신호의 크기에 따라 출력하는 PWM출력전압을 달리할 수 있게 하는 복수개의 전원전압공급장치와,

   PWM 스위칭 출력전압을 저역통과 필터링하여 아날로그 파형으로 재현하는 출력필터회로로 갖는 스위칭 증폭기
2. 제 1항에 있어서,

   전원전압이 양(+), 음(-)의 전압으로 쌍을 이루도록 구성된 스위칭 증폭기.
3. 제 1항에 있어서,

   전원전압이 양(+) 혹은 음(-)의 단극성 전압원인 스위칭 증폭기.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   입력신호를 역위상으로 하고 삼각파와 비교하여 얻은 PWM파와, 입력신호를 정위상으로 하고 삼각파와 비교하여 얻은 PWM파의 차를 출력 PWM 신호로 하는 것을특징으로 하는 스위칭 증폭기