KR20040004607A

KR20040004607A - 전기를 음향으로 변환하는 장치

Info

Publication number: KR20040004607A
Application number: KR10-2003-7014139A
Authority: KR
Inventors: 닐센카르스텐
Original assignee: 방 앤드 올루프센 아이스파워 에이/에스
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2004-01-13
Also published as: CN1509583A; CA2445463A1; JP2005508105A; WO2002093973A1; SE0101720D0; US20040161122A1; EP1391137A1; AU2002302881B2

Abstract

본 발명은 소스 (25) 로부터의 오디오 신호를 오디오파로 변환하는 장치에 관한 것으로, 상기 오디오 신호를 변조하는 변조기 (17), 변조기로부터 공급되는 변조 오디오 신호를 증폭하는 증폭 스위칭 스테이지 (15) 및 변환기 (19) 를 구비한다. 변환기는 스위칭 스테이지에 직접적으로 접속되어, 스위칭 스테이지로부터의 펄스열을 오디오파로 변환한다. 또한, 변조기, 스위칭 스테이지 및 변환 수단은, 메인 전원 (12) 에 직접적으로 접속가능한 하나의 동작 유닛으로 기계적으로 그리고 전기적으로 통합된다. 이러한 전기적 통합에 의해, 개별적인 필터링은 불필요한 대신, 변환기의 내재적 특성이 펄스열의 필터링을 실현하는데 이용된다.

Description

전기를 음향으로 변환하는 장치 {APPARATUS FOR ELECTRIC TO ACOUSTIC CONVERSION}

기술 분야

본 발명은 변조기, 증폭 스위칭 스테이지 (amplifying switching stage) 및 전기-음향 변환 수단을 구비하는, 전기를 음향으로 변환하는 장치에 관한 것이다. 바람직하기로는, 본 발명은 오디오 재생시의 향상된 파워 변환에도 이용될 수 있다.

기술적 배경

종래의 오디오 파워 변환 시스템은 DC 전압을 발생하는 전원, 전원이 공급되는 증폭기 및 증폭기로부터의 증폭된 오디오 신호가 공급되는 스피커 또는 변환기 (transducer) 의 3 가지 기본 소자 (basic elements) 에 기초한다. 도 1 에 이러한 종래 기술의 시스템을 나타낸다. 종래 기술에, 선형의 고효율 스위칭 파워 증폭기 및 전원 해결책 모두가 공지되어 있다.

일반적으로, 오디오 증폭 체인의 소자들은 명백하게 상이한 3 개의 소자들로 간주되며 그렇게 설계된다. 소자들은 통상적으로 케이블 및 커넥터로 접속되어 메인 (mains) 으로부터의 에너지를 음향 출력으로 변환하는 완전 시스템 (completesystem) 을 구현한다.

일례로서, 일반적으로 파워 증폭기는 오디오 증폭기 제조자에 의한 다양한 타입의 스피커를 구동하도록 설계된다. 스피커는, 경쟁력이 있으며 유용한 증폭기가 되기 위해 증폭기가 핸들링해야 할 다양한 저항성 및 리액티브성 임피던스 특성을 갖는다. 이러한 설계 기준은 증폭기의 설계를 상당히 복잡하게 한다. 또한, 일반적으로 확성기 드라이버 (loudspeaker driver) 는 다양한 타입의 증폭기에 의해 구동되도록 설계된다. 이러한 호환성 (flexibility) 으로 인해, 구현은 실제로 필요한 것보다 더 복잡해진다.

기계적으로, 일반적인 오디오 파워 변환 시스템은 케이블과 커넥터에 의해 접속되는 3 개의 상이한 기계 소자로 구현된다. 각각의 기계 소자는 시스템에서의 열 발생을 핸들링하기 위한 고유한 기계 구조를 갖는다. 종래 기술의 증폭기 설계에서 일반화되어 있는 클래스 A 및 AB 증폭기의 냉각 필요성으로 인해 컴포넌트들은 서로, 특히 변환기로부터 아이솔레이션시킬 필요가 있다. 따라서, 이러한 설계에는 고효율의 클래스 D 증폭기가 바람직하다.

미국특허 제 6243472 호에는, 증폭기와 변환기의 물리적 통합 (완전히 통합된 증폭형 확성기) 이 개시되어 있다.

클래스 D 증폭기의 가장 제한적인 부분은 출력 필터이다. 이러한 필터로 인해, 확성기의 저하된 핸들링, 180 도 위상 지연 (phase lag) 및 그에 의한 전체 시스템의 전위 불안정 (potentially unstability) 으로 인한 복잡하고 값비싼 제어 시스템, 시스템의 포워드 경로와 피드백 경로 모두에서의 대역폭 제한, 일그러짐과상호 변조 (distortion and intermodulation) 를 발생시키는 필터의 비선형성, 큰 사이즈와 무거운 필터 컴포넌트로 인해 증가된 부피와 무게 및, 전위 파괴 (potential breakdown) 로 부하가 제거될 경우, 그에 따른 결과로서, Zobel 네트워크를 구비하는 효율화기 (efficiency comprising Zobel network) 를 이용하게 하는, 높은 Q 팩터로 인한 피킹 (peaking) 을 초래하는 증가된 출력 임피던스가 발생한다. 모든 팩터들이 비효율적이며, 고비용이고, 부피가 크고 무거우며, 비선형인 불안정한 시스템을 초래한다.

종래 기술의 시스템은, 높은 레벨의 EMI (Electro Magnetic Interference) 를 초래할 출력 터미널과 스피커 케이블에서 PWM 고주파 스펙트럼 성분의 댐핑 (damping) 을 획득하기 위해 저역통과 출력 필터를 포함한다.

저전력 시스템만이 필터링없이도 스피커 케이블로부터 허용가능한 EMI 특성을 획득할 수 있다. 미국특허 제 6262632 호에, 클래스 D 증폭 미만의 이러한 필터가 개시되어 있다. 그러나, 이 해결책은 복잡한 신호 프로세싱을 필요로 하며, 증폭기와 변환기의 물리적 통합에 대해 언급하지 않는다.

저역통과 출력 필터는 고주파 스위칭 전류에 의해 발생하는 변환기에서의 파워 손실을 감소시키기 위해서도 도입된다. 이로 인해, 파괴 (breakdown) 에 따른 결과로서 변환기의 과열이 발생할 수 있다.

종래의 일렉트로-다이내믹 변환기 (electro-dynamic transducer) 에서의 오디오-코일은 스위칭 주파수에서의 전류의 침투 깊이보다 훨씬 큰 직경을 가진 도체에 의해 제조된다. 이로 인해, 낮은 DC 저항과 높은 AC 저항이 발생하는데, 이는 스위칭 주파수에서의 높은 손실을 의미한다.

또한, 변환기의 자성 구조는 자성 구조에서의 심각한 고주파 손실을 초래하는 고주파 전류에 대해 최적화되어 있지 않다.

일반적인 오디오 증폭기는 전자적인 관점에서도 그리고 기계적인 관점에서도 최적화되어 있지 않다. 근본적으로, 소자들을 전자적으로 전용하는 것에 의해 그리고 전기적 및 기계적 구현에 대해 새롭게 생각해 보는 것에 의해, 소정 애플리케이션에서 얻을 수 있는 것이 많다.

발명의 목적

따라서, 본 발명의 제 1 목적은 종래의 파워 증폭과 관련된 근본적인 문제점을 극복하여 효율적으로 전기를 음향 파워로 변환하는 시스템 및 상이한 소자들의 전기적 전용에 의한 변환기 기술을 제공하는 것이다.

제 2 목적은 시스템에 우수한 총효율, 향상된 선형성의 관점에서 우수한 오디오 성능 특성, 상당히 향상된 다이내믹 범위 및 아주 낮은 EMI 와 결합된 오디오 성능 레벨을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은 완전한 오디오 파워 변환 체인의 기계적 구현을 상당히 간략화하여 개발 비용을 감소시키고, 얻어진 시스템의 강건성을 향상시키는 지능형 기계적 해결책을 제공하는 것이다.

발명의 요약

이들 및 다른 목적들은, 서설의 방식으로 언급한 범주의 PMT (Pulse Modulated Transducer) 로서 설명한 장치에 의해 실현되는데, 전기-음향 변환 수단은 스위칭 스테이지에 직접적으로 접속되어, 스위칭 스테이지로부터의 펄스열을 변환기의 진동판 (diaphragm) 상에서 오디오파로 변환하도록 구성되고, 변조기, 스위칭 스테이지 및 변환 수단은 기계적으로 그리고 전기적으로, 메인 전원 (mains power supply) 또는 정류된 메인 (rectified mains) 에 직접 접속가능하도록, 하나의 동작 유닛으로 통합된다.

PMT 설계는 2 개의 상이한 카테고리로 아이솔레이션될 수 있다. AC 및 DC PMT 는 각각 AC 공급 전압 또는 DC 공급 전압을 갖는 것에 특징이 있다. 단일 스테이지 및 2-스테이지라 명명된 2 개의 추가적 서브-카테고리를 갖는 AC 카테고리는 PMT 구조내에 구비된 파워 스테이지의 수에 특징이 있다. AC 및 DC PMT 에서의 PWM 발생기의 가능한 모든 구현은 하나 또는 복수개의 하프-브리지 (half-bridges) 를 구비할 수 있다.

이러한 해결책에 따르면, 종래의 개별적 전원은 PMT 의 구현에 의해 실질적으로 제거되는 PMT 의 몇가지 카테고리에 속하게 된다. 기계적 통합은 증폭된 신호의 케이블과 커넥터를 통한 전달을 제거함으로써, 감소된 EMI 를 갖는 향상된 오디오 변환이 획득된다.

중간 내지 높은 파워 애플리케이션에서의 기계적 통합을 위해 필요한 것은, 저온의 소형 파워 프로세싱 섹션 (cool and compact power processing section) 을 실현하기 위한 스위칭 동작을 필요로 하는 고효율의 변환 스테이지이다.

PWM 또는 PDM 같은 스위칭 기술이 종래의 증폭기에 적용된다면, 스피커 케이블에서 전달될 수 있는 오디오 신호를 발생시키기 위해 필터링이 필요하다. 수용불가능한 레벨의 EMI 가 얻어지기 때문에, 확성기 케이블을 통해 스위칭 펄스열을 공급하는 것은 불가능할 것이다. 종래 기술은 케이블 전송에 촛점이 맞춰져 있으므로, 아주 낮은 파워의 애플리케이션 및 저역통과 출력 필터 설계를 제외하면, 증폭기에서 필터링을 제거할 방법이 없었다.

본 발명에 따르면, 파워는 스위칭 스테이지로부터 변환기로 직접 공급되는 고전압 펄스열로서 전달된다. 이러한 전기적 통합에 의해, 개별적인 필터링은 불필요한 대신, 변환기의 고유한 특성 (inherent qualities) 이 펄스열의 필터링을 실현하고 보다 높은 효율을 획득하는데 이용된다. 일렉트로-다이내믹 변환기는 보통의 스위칭 주파수에서 어느 정도 유도적 (inductive) 이며, 이 변환기는 전력 스테이지로 최적화되어 고주파 손실을 최소화할 수 있다.

전자장치 (electronics) 와 변환기의 기계적 통합에 의해, 상술한 잠재적 EMI 문제의 해결이 보다 구체화된다. 아이디어는, 고효율의 파워 섹션을 전자적으로 그리고 기계적으로 시스템에 통합된 모듈로서 변환기내에 구현하는 것이다. 이러한 기계적 구현은 방사가 발생하는 영역을 감소시킴과 동시에, 파워 섹션과 제어 루프 양자상에서, EMI 를 강력하게 감소시킨다.

PMT 는 증폭기와 전원의 패키징 및 냉각에 필요한 재료를 절감한다. 또한, 상술한 바와 같이, 소자들의 케이블링과 접속이 제거된다. 따라서, 오디오 파워 변환 체인의 기계적 안정성 및 강건성이 크게 향상될 수 있다.

증폭기 섹션과 변환기의 통합적인 전용 (total dedication) 은 에러 발생이 훨씬 적은 컴포넌트를 갖도록 성능을 향상시킨다.

전용 시스템에 완전 보상 기술이 구현될 수 있다 (MFB, 균등화에 기초한 마이크로폰). 이는, 예를 들어, PMT 코어 전자 섹션에서의 보상에 기초하여 DSP 를 구현하는 것에서 명백히 알 수 있다.

보호 시스템은 PMT 내의 파워 변환의 로컬 구현에 의해 간략화될 수 있다.

PMT 아이디어는 오디오 재생 체인의 3 개의 기본적인 파워 변환 소자들간에 궁극적으로 적용되는 아이디어이다. 파워 변환 시스템은 새로운 시스템 - 펄스 변조 변환기 - 이 AC 메인으로부터 직접 구동되거나 다른 방법으로 DC 입력 전압에 의해 구동될 수 있도록 변환기에 전기적으로 그리고 기계적으로 완전히 통합된다. 다른 유리한 특징은, 정류된 메인 전압으로 동작한다면, 증폭기가 절대 클리핑하지 않는다는 것이다.

아날로그 또는 디지털 타입일 수 있는 소스 입력은 PMT 유닛에 직접적으로 접속된다. 이러한 개념은 오디오 파워 변환의 패러다임이며 업계에 새로운 것이다.

클래스 D 또는 PWM 스위칭 기술을 이용함으로써, 종래 기술의 컴포넌트에 통합이 시도된다면 발생할 수 있는, 열과 관련된 문제점들을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태는 반송파 수단에 의해 또는, 예를 들어, WO 98/19391 에 따른 제어형 발진 변조기 (COM ; Controlled Osillation Modulator) 에 의해 생성되는 3-레벨 (클래스 BD 형) PWM 파를 이용하는 것이다.또 다른 바람직한 실시형태는, 여기에서 참조하는 출원인의 스웨덴 특허출원 제 0104401-5 호에 설명된 바와 같이, 동기화된 제어형 발진 변조기 (SCOM ; Synchronized Controlled Osillation Modulator) 로 3-레벨 PWM 신호를 변조하는 것이다. Audio Amplifier Techniques With Energy Efficient Power Conversion, Ph.D Thesis, DTU 1998 에 설명된 바와 같이, NBDD 또는 NBDS 타입은 변환기를 직접적으로 구동할 경우에 아주 바람직할 고주파 특성을 갖는다. 두가지 방법 모두, 반송파 컴포넌트와 관련된 손실이 제로 변조 (zero modulation) 에서 제로가 됨을 의미하는 아이들 (idle) 에서 제로 HF 컴포넌트를 갖는다. 또한, 상기 3-레벨 변조는 피크 진폭이 변조 지수 (M ; M < 1) 에 비례하는 리플 전류를 발생시킨다. 따라서, 리플 전류는 M=1 에서 풀 피크 진폭 (full peak amplitude) 을 획득할 뿐이다. 또한, 차분 출력 신호가 아이들에서 제로이기 때문에, 바람직한 SCOM 변조기는 변환기에서의 제로 아이들 손실을 의미한다. 따라서, 상기 3-레벨 변조는 PMT 시스템에 바람직하다.

출력 필터의 제거 또한 보다 용이한 제어 구현을 가능하게 한다. 변환기 오디오-코일만이 오디오 체인의 포워드 경로에 대한 위상에 영향을 주기 때문에, 시스템을 안정하게 유지하기 위한 충분한 위상 마진이 존재한다. 따라서, 여기에서 참조하는 "Pulse Modulation power amplifier with enhanced cascade control method" 라는 명칭의 본 출원인의 미국특허 제 6297692 호에서 행해지는 바와 같이, 피드백 경로의 위상 선행 및 지연 보상 (phase lead and lag compensation) 이 더 이상 필요하지 않다.

바람직하게도, PWM 발생기의 출력 PWM 신호에 대한 전압 분할 및 저역통과 필터링으로서 피드백 경로를 구현할 수 있다.

바람직하게도, 스위칭 전자장치는 다이 배선 본딩 기술 (die wire bonding techniques) 을 이용해 기판상에 구현되는데, 상기 기판은 변환기 자체를 냉각에 이용한다. 특히, 상당한 열용량을 갖는 것은 변환기 자성 구조이다. 이러한 구성은 파워 프로세싱 소자의 저온 동작 및 PMT 의 결과적인 부피를 최소화하는 최소 부피를 보장한다.

도면의 간단한 설명

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 보다 상세히 설명한다.

도 1 은 전원, 파워 증폭기 및 일렉트로-다이내믹 변환기의 상이한 3 개 소자를 갖는 종래 기술의 파워 변환 시스템을 나타낸다.

도 2 는 서로에 대한 어떠한 전용없이, 전원, 클래스 D 증폭기 및 변환기의 물리적 통합을 구비한 종래 기술의 시스템을 나타낸다. 다른 클래스 D 증폭기와 같이 출력 필터를 더 구비한다.

도 3 은 최적화되지 않은 변환기가 스피커 케이블을 통해 PWM 발생기에 의해 직접적으로 구동되는 종래 기술의 시스템을 개략적으로 나타낸다.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 펄스 변조형 변환기의 개략도를 나타낸다.

도 5 는 도 4 의 PMT 에 대한 가능한 실현인 단일 스테이지 AC PMT 를 나타낸다.

도 6 은 전용의 단일 종결형 전원 (dedicated single ended power supply), 풀-브리지 (full-bridge) 파워 스테이지로서 구현된 전용의 PWM 발생기 및 전용의 일렉트로-다이내믹 변환기를 구비하는 2 스테이지 AC PMT 의 가능한 구현을 나타낸다.

도 7 은, 전용의 일렉트로-다이내믹 변환기 및, PWM 발생기에 공급하는 전용의 단일 종결형 전원을 더 구비하며, 하프-브리지 파워 스테이지로서 구현된 전용의 PWM 발생기를 구비하는 2 스테이지 AC PMT 를 나타낸다.

도 8 은 DC PMT 의 가능한 구현을 나타낸다. DC PMT 는 전용의 듀얼/평형 종결형 전원 (dedicated dual/balanced ended power supply), 하프-브리지 파워 스테이지로서 구현된 전용의 PWM 발생기 및 전용의 일렉트로-다이내믹 변환기를 구비한다.

도 9 는 DC PMT 의 가능한 다른 구현을 나타낸다. DC PMT 는 전용의 단일 종결형 전원, 2 개의 하프-브리지 파워 스테이지로서 구현된 전용의 PWM 발생기 및 전용의 일렉트로-다이내믹 변환기를 구비한다.

도 10 은 폐쇄형 박스에 위치하는 일렉트로-다이내믹 변환기의 입력 임피던스를 나타낸다.

바람직한 실시형태의 싱세한 설명

본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스 변조형 변환기 (1) 의 개략도를 도 4 에 나타낸다. 파워 변환은 정류된 메인 (3) 으로부터 직접 스위칭하는 단일 변환 스테이지 (2) 로 구현될 수 있다.

바람직한 모든 실시형태에 공통적으로, 변조기는 일반적으로 아날로그 또는 디지털 그리고 PWM 또는 PDM 타입일 수 있다. "COM (Cotrolled Oscillation Modulator)" 은 출원인의 미국특허 제 6362702 호에 설명된 바와 같은 펄스 파형을 생성할 수 있거나 SCOM (Synchronized Controlled Oscillation Modulator) 은 3-레벨 (클래스 BD 타입) PWM 펄스 파형을 생성할 수 있는 것이 바람직한데, 일반적으로 디지털 PWM 변조기는 이러한 신호를 생성한다. 이러한 구현은 일렉트로-다이내믹 변환기의 오디오-코일 및 자성 구조에서 낮은 손실을 초래한다. 변조 신호는 소스 입력 (4 ; 아날로그 또는 디지털) 에, 그리고 가능하다면 프로세싱된 피드백 정보에도 기초하게 된다. 많은 피드백 원리가 PMT 토폴로지에 실행될 수 있는데, 일례로는 변환기로부터의 전압, 전류, 가동 피드백 및 마이크로폰 피드백을 들 수 있다. 변환기 보상 기술의 당업자는, 많은 방법이 PMT 토폴로지에 성공적으로 적용될 수 있음을 알 수 있다. 출력 필터가 제거되었고 PWM 발생기의 출력에서 얻어진 위상 지연이 거의 0 도 이기 때문에, 클래스 A, B 및 AB 에서 사용된 방법에 기초하는 제어 시스템도 이용가능하다. 넓은 대역폭을 가진 제어 시스템과 그에 따른 광대역 잡음 억제가 설계에 포함될 수 있기 때문에, 이는 아주 중요하다.

도 5 는 본 발명의 일 실시형태로서, 단일 스테이지 AC PMT 를 나타낸다.단일 펄스 변조형 스위칭 파워 변환 스테이지는, AC 메인을 변환기 (5) 를 구동하는 고품질 펄스 변조형 파워 신호로 변환하는데 이용된다. 유도성 부하는, 펄스 변조형 변환기 (PMT) 라 하는 스위칭 파워 스테이지에 의해 직접적으로 구동된다. 파워 스테이지가 2 개의 하프-브리지로서 도시되어 있지만, 하나의 하프-브리지 또는 복수개의 하프-브리지로서 구현될 수도 있다. PMT 인터페이스는 갈바니 아이솔레이션 (galvanic isolation) 을 구비할 수 있다.

또한, 바람직한 실시형태에 대한 보다 상세한 설명이, 하나의 통합된 유닛 (11) 으로서 PMT 를 나타내는 도 5 에도 도시되어 있다. 이 경우, AC 입력 (12) 은 다이오드 브리지 (13) 에 의해 정류되며 캐피시터 (14) 에 의해 버퍼링된다. 정류된 메인 신호는 변조기 (17) 에 의해 지능적으로 제어되는 파워 스위치 (16) 를 가진 H-브리지 (15) 를 직접적으로 구동한다. 스위칭 기술은 PWM 타입으로, 아주 낮은 열을 발생시킨다. 스위칭 스테이지에 의해 발생되는 펄스 변조형 파워 신호 (17) 는 일렉트로-다이내믹 변환기 (19) 를 구동한다.

변환기 (19) 는 인덕턴스 (21) 와 저항 (22) 을 구비하는 전기적 등가물에 (electrical equivalent) 의해 개략적으로 표현되는데, 기계적인 구조 (mechnics) 를 나타내는 부가적인 리액티브 파트 (23 ; reactive part) 를 갖는다.

변조기 (17) 는 디지털 또는 아날로그일 수 있는 저전압 오디오 소스 (25) 에 접속되며, 이러한 소스 신호를 변조하여 H-브리지 스위칭 스테이지 (15) 를 제어한다. 바람직하게도 변조기 (17) 는 완전 제어 시스템을 구비하며, 전압, 전류, 오디오 재생 신호 등과 같이, 변환기로부터 복수개 피드백 신호 (26) 가 제공된다.

도시된 일례에서, 소스 (25) 는 광학적 수단 (17) 에 의해 변조기 (17) 로부터 아이솔레이션되어, 시스템의 갈바니 아이솔레이션을 보장한다. 이는 완전 오디오 파워 변환 체인의 갈바니 아이솔레이션을 훌륭하게 보장한다.

스위칭 스테이지 (15) 는 다이 배선 본딩으로 알루미늄 기판상에 구현될 수 있으며, 이 기판은 냉각을 위해 변환기 자성 구조를 이용한다.

도 5 의 예시적 시스템은 전기적인 그리고 기계적인 하드웨어 복잡성의 관점에서 일반적인 오디오 파워 변환 체인을 상당히 간략화한다. 자석을 전혀 이용하지 않으면서, 완전 오디오 전력 변환 체인을 구현하게 된다.

도 6 에는 전원이 PMT 구조에 통합되어 있는 2 스테이지 AC PMT 로서, AC PMT 의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 전원은 단일 또는 듀얼 전원으로 실현될 수 있다. 또한, 바람직하게도, PMT PWM 발생기 파워 스테이지는 2 개의 하프-브리지 스테이지로 구현될 수 있지만, 복수개의 하프-브리지로서 구현될 수도 있다. 갈바니 아이솔레이션은 전원에서 또는 PMT 의 인터페이스내에서 획득될 수 있다.

도 7 에서는, DC PMT 를, PMT 외부에 위치하는 DC 전원에 의해 공급받는 단일 종결형 버전으로서 나타낸다. 전원은 하나 또는 복수개의 PMT 에 공급할 수 있다. PMT 파워 스테이지는 하나 또는 복수개의 PMT 를 구비할 수 있다. 리플 요청사항을 충족시키기 위해 파워 스테이지 공급 터미널에 스몰 캐패시터가 개재될 수 있다. 전원 또는 PMT 의 인터페이스에 갈바니 아이솔레이션이 도입될 수 있다.

도 9 에는, 상술한 바와 같이 2 개의 하프 브리지로 이루어진 PMT 파워 스테이지를 구비하는 DC PMT 의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 바람직하게도, 전원은 단일 종결형으로 하나 또는 복수개의 PMT 에 공급할 수 있다. 또한, 리플 요구사항을 충족시키기 위해, 파워 스테이지 터미널에 스몰 캐패시터가 개재될 수 있다.

전원 또는 PMT 의 인터페이스에 갈바니 아이솔레이션이 도입될 수 있다. 바람직하게도, 광학적 수단에 의해 또는 신호-변성기 (signal-transformer) 의 개재에 의해, 인터페이스의 갈바니 아이솔레이션이 도입될 수 있다. 이는 완전 오디오 파워 변환 체인의 갈바니 아이솔레이션을 훌륭하게 보장한다.

바람직하게도, 전원의 갈바니 아이솔레이션은 광학적 수단에 의해 또는 아이솔레이션된 변성기의 이용에 의해 획득될 수 있다.

일렉트로-다이내믹 변환기의 고주파 손실을 극복하기 위해, 음성 코일은, 음성-코일을 형성하는 도체가 스위칭 주파수에서의 도체의 전류 침투 깊이보다 10 배 이상 굵어지지 않도록 설계되는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게도, 이 도체는, 음성-코일에서 보다 적은 선회 (turns) 를 얻는 동시에 음성-코일의 임피던스를 낮추는 구리 포일로 제조될 수 있다. 이는 동일한 출력 파워를 획득하기 위해, 파워 스테이지에 대한 보다 낮은 공급 전압을 의미한다. 따라서, PMT 는 부스트 (boost) 스테이지를 구비하지 않는 배터리-파워형 시스템과 같은 저전압 애플리케이션에도 이용될 수 있다. 낮은 공급 전압은 파워 스테이지 및 변환기음성-코일과 자성 구조에서의 보다 낮은 손실을 의미한다.

또한, 하부 플레이트, 자석, 상부 플레이트 및 중심 폴 (center pole) 을 구비하는 전자기 변환기의 자성 구조 또는 상기 자성 구조의 부분들은 자성 구조에 외부층이 부가되도록 구현될 수 있다. 이러한 층은 스위칭 주파수에서 자성 구조보다 낮은 저항을 가질 수 있어, 자성 구조에서의 손실이 스위칭 주파수에서 감소된다.

또한, 자성 구조는 자기 시스템에서의 고주파 손실을 감소시키기 위해 페라이트 재료를 구비할 수 있다.

출력 필터가 제거되었기 때문에, 그에 따라, 치명적인 파괴 (fatal breakdown) 로 인한 피킹의 문제가 제거되며, 필터 피킹을 댐핑하기 위한 Zobel 네트워크가 더 이상 필요치 않게 된다. 이로 인해, 보다 효율적이고 안정한 시스템을 얻을 수 있다.

또한, PWM 발생기의 출력 임피던스는 출력 필터의 제거로 인해 등가의 클래스 D 증폭기에 대한 출력 임피던스보다 낮다. 이는, 출력 필터를 포함하는 클래스 D 증폭기에 비교하여, 확성기에 대한 우수한 핸들링을 PWM 발생기에 제공한다. 상호변조, 왜곡, 무게, 부피 및 대역폭 제한이 감소될 수 있다.

또한, AC 단일 스테이지 PMT 를 제외한, 여기에서 도시한 본 발명의 모든 실시형태는 파워 스페이지에 대해 다수의 출력 전압을 전달할 수 있는 전원에 의해 공급될 수 있으며, 제어 시스템은, 여기에서 참조하는 "Attenuation control for digital power converter" 라는 명칭의 출원인의 스웨덴 특허출원 제 0104403-1 호에서 설명하는 바와 같이, 효율성, 다이내믹 범위 및 EMI 의 관점에서 향상된 시스템을 획득하기 위한 게인 시프팅 수단 (means for gain shifting) 을 구비할 수 있다.

바람직하게도, 보다 나은 전기적 통합을 획득하기 위해, 도 10 에 나타낸 바와 같은 일렉트로-다이내믹 변환기 특성에, PWM 발생기가 적용될 수 있다. 변환기를 효율적인 방식으로 구동하기 위해, 변환기는 가능한 높은 주파수의 펄스 신호에 의해 구동되어야 한다. 스위칭 주파수에 대한 이러한 제한은 PWM 발생기 파워 스테이지 및 EMI 에 대한 효율성이다.

당업자는 상술한 바람직한 실시형태를 변형할 수 있으며, 이러한 변형은 첨부된 청구항의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 스위칭 스테이지 설계 및 피드백 제어에 관한 상세한 설명은 일례로서만 받아들여만 한다.

PMT 개념은 일반적인 것이며 (수백 mW 에서 10 kW 고전력 변환기 중 임의의 것일 수 있는) 애플리케이션에 무관하다. 바람직하게도, 이러한 PMT 는 소비자 오디오, 전문가 오디오, Car-Fi, 이동 터미널 및 다른 휴대가능한 저전력 장치에 이용될 수 있다. PMT 는 오디오 애플리케이션에 널리 이용가능하다.

PMT 는 자연스럽게, 예를 들어, 액티브 스피커 및 서브우퍼의 시스템 설계를 용이하게 한다. 3-웨이 액티브 스피커 시스템은 메인 및, 예를 들어, 디지털 입력 소스에 의해 구동되는 베이스, 중간범위 및 트위터 (tweeter) PMT 유닛을 구비한다. 시스템에서 유일한 가시적 전자장치는 PMT 와 인터페이스의 기능을 제어하는 PCB 일 것이다. 이러한 신호 프로세싱의 몇가지는 고유한 DSP 코어를갖는 인텔리전트 PMT 시스템에 포함될 수도 있다. 이에 의해 실질적으로 액티브 확성기 설계를 자동화할 수 있다.

Claims

소스 (25) 로부터의 오디오 신호를 오디오파로 변환하는 장치로서,

상기 오디오 신호를 변조하는 변조기 (17),

상기 변조기로부터 공급되는 변조 오디오 신호를 증폭하는 증폭 스위칭 스테이지 (15), 및

상기 스위칭 스테이지에 접속되어, 상기 스위칭 스테이지로부터의 펄스열 (18) 을 오디오파로 변환하는 전기-음향 변환 수단 (19) 을 구비하고,

상기 전기-음향 변환 수단은 임의의 별도 필터링없이 상기 펄스열에 의해 직접적으로 구동되며,

상기 변조기 (17), 상기 스위칭 스테이지 (15) 및 상기 변환 수단 (19) 은, 메인 전원 (12) 또는 메인에 직접적으로 접속가능한 하나의 동작 유닛으로 기계적으로 그리고 전기적으로 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환 수단은 상기 스위칭 스테이지로 최적화되어 고주파 손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 스위칭 스테이지 (15) 는 PWM 스위칭 기술을 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변조기에 상기 변환 수단의 출력 변수들로부터의 피드백 (26) 을 공급하는 피드백 루프를 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 펄스열 (18) 은 3-레벨 신호인 것이 바람직한 다중-레벨 신호인 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 일렉트로-마그네틱 변환 수단은 2 개의 재료층을 구비하는 자성 구조를 가지며,

제 1 의 층인 외부층은 제 2 의 층인 내부층보다 낮은 전기 저항을 가지며, 상기 내부층의 두께보다 훨씬 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 일렉트로-마그네틱 변환 수단의 자성 구조는 페라이트 재료를 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 펄스 변조 신호의 주파수에서 도체를 통과하는 전류의 침투 깊이의 10 배 미만인 지름/두께를 가진 도체를 갖는 음성-코일을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 도체는 구리 포일로 제조되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 입력의 아이솔레이션 (27 ; isolation) 을 구비하여 상기 PMT 의 아이솔레이션을 보장하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파워 프로세싱 전자 장치는 기판상에 구현되고,

상기 기판은 상기 변환기 자체를 냉각을 위해 이용하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

외부 또는 내부에 위치하는, 상기 PMT 로의 AC 전원 (12) 에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

외부 또는 내부에 위치하는, 상기 PMT 로의 DC 전원에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 오디오파 변환 장치.