KR20050020353A - Circuit and method for reducing total harmonic distortion of class D amp circuit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 D급 앰프 회로의 고조파왜율을 감소시키기 위한 회로 및 그 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존의 D급 앰프의 고조파 왜율이 높은 문제점을 해결하기 위하여 펄스폭변조(PWM) 방식을 단극성 PWM 방식으로 하고, 음량 조절을 풀브릿지 구조에서 직류전압의 조절을 통해서 구현하며, 풀브릿지 회로의 PWM 주파수와 SMPS(switching mode power supply)의 스위칭 주파수를 동기시킴으로써 고조파 왜율을 저감시켜 D급 앰프의 높은 성능 향상을 달성할 수 있도록 한 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 회로 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a circuit for reducing harmonic distortion of a class D amplifier circuit and a method thereof, and more particularly to a pulse width modulation (PWM) scheme in order to solve the problem of high harmonic distortion of a conventional class D amplifier. The polarity PWM method, volume control is realized by controlling the DC voltage in the full bridge structure, and the harmonic distortion is reduced by synchronizing the PWM frequency of the full bridge circuit with the switching frequency of the switching mode power supply (SMPS). The present invention relates to a harmonic distortion reduction circuit and a method of a class D amplifier circuit capable of achieving high performance.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, D급 앰프는 높은 효율과 작은 크기 때문에 기존의 앰프들을 대체하기 시작했고, 특히 이동용, 휴대용과 같은 각종기기들에 중요한 요소로 자리 잡아가고 있다. 기존의 앰프로서 A급 혹은 AB급 앰프의 경우 그 효율이 20~50% 인데 반해 D급 앰프는 90%에 이른다. 높은 효율이 의미하는 바는 시스템 크기가 줄어들고 가볍고 이동성이 향상되어 배터리를 사용하는 시스템에 적용이 용이하다는 것이다. 또한, 높은 효율이 의미하는 바는 앰프 자체에서 열로 소모되는 전력이 적기 때문에 방열판의 부담도 줄어들어 결국 전체 크기와 가격이 줄어드는 이점을 가진다는 것이다. 이와 같은 높은 효율을 갖는 D급 앰프는 여러가지 오디오 시스템에 널리 쓰이기 시작하고 있다. As is well known to those skilled in the art, Class D amplifiers are beginning to replace existing amplifiers due to their high efficiency and small size, and are becoming an important factor in various devices such as mobile and portable. As a conventional amplifier, Class A or Class A amplifiers have 20 to 50% efficiency, while Class D amplifiers reach 90%. High efficiency means that the system is smaller, lighter and more mobile, making it easier to apply to battery-powered systems. In addition, high efficiency means less power is consumed by the heat in the amplifier itself, reducing the burden on the heat sink, which in turn has the advantage of reducing overall size and cost. Such high efficiency class-D amplifiers are widely used in various audio systems.
그러나, D급 앰프는 파형의 왜곡율이 높아서 충실도가 다른 앰프에 비해 낮다는 단점이 있다. 도 1에 일반적인 D급 앰프의 회로를 나타내 보였다. However, the class-D amplifier has a disadvantage in that the fidelity of the waveform is high and the fidelity is lower than that of other amplifiers. 1 shows a circuit of a general class D amplifier.
도 1을 참조하면, 음성신호와 삼각파 신호를 비교기(12)에 통과시키면 펄스폭변조(PWM; pulse-width modulation) 신호가 만들어진다. 전력스위치(14)의 도통(on)과 소거(off) 동작을 통해 전력이 증폭되고 저역통과 필터(LPF; low pass filter)(16)를 통해 증폭된 음성신호로 복원되어서 스피커(18)에 전달되어 진다. 도 1에 도시된 종래의 D급 앰프 회로는 효율이 높은 반면에 고조파왜율(THD; total harmonic distortion)이 높다는 단점을 가진다. Referring to FIG. 1, when a voice signal and a triangular wave signal are passed through the comparator 12, a pulse-width modulation (PWM) signal is generated. Power is amplified through the on and off operations of the power switch 14 and restored to the amplified voice signal through a low pass filter (LPF) 16 to the speaker 18. It is done. The conventional class D amplifier circuit shown in FIG. 1 has the disadvantage that the efficiency is high while the total harmonic distortion (THD) is high.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존 D급 앰프의 고조파 왜율이 높은 문제점을 해결하기 위하여 펄스폭변조(PWM) 방식을 단극성 PWM 방식으로 하고, 음량 조절을 풀브릿지 구조에서 직류전압의 조절을 통해서 구현하며, 풀브릿지 회로의 PWM 주파수와 SMPS(switching mode power supply)의 스위칭 주파수를 동기시킴으로써 고조파 왜율을 저감시켜 D급 앰프의 높은 성능 향상을 달성할 수 있도록 한 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 회로 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to solve the problem of high harmonic distortion of the existing class D amplifier, the pulse width modulation (PWM) method to the unipolar PWM method, the volume control the DC voltage control in full bridge structure Harmonic Distortion of Class D Amplifier Circuit to achieve high performance improvement of Class D amplifier by reducing harmonic distortion by synchronizing PWM frequency of full bridge circuit and switching frequency of switching mode power supply (SMPS) It is an object of the present invention to provide an abatement circuit and a method thereof.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 회로는, D급 앰프 회로의 고조파왜율을 감소시키기 위한 회로에 있어서, 단극성(unipolar) 전원을 사용하는 PWM 수단과; 풀브릿지(full-bridge) 구조의 전력 변환 수단과; 음량 크기의 조절을 위해 그 전압 크기가 가변되는 직류 가변전압 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, a harmonic distortion reduction circuit of a class D amplifier circuit according to the present invention comprises: PWM means for using a unipolar power supply in a circuit for reducing harmonic distortion of a class D amplifier circuit; Power conversion means of a full bridge structure; It is characterized in that it comprises a; DC variable voltage means that the voltage level is variable for adjusting the volume level.
본 발명에 따른 회로의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 직류 가변전압 수단은 SMPS를 포함하고, 상기 SMPS의 출력전압은 음량 크기에 비례하여 가변되도록 된다. In a preferred embodiment of the circuit according to the invention, the DC variable voltage means comprises an SMPS, and the output voltage of the SMPS is varied in proportion to the volume level.
본 발명에 따른 회로의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 PWM 수단의 PWM 주파수와 상기 SMPS의 스위칭 주파수가 동기되도록 된다. In a preferred embodiment of the circuit according to the invention, the PWM frequency of the PWM means and the switching frequency of the SMPS are synchronized.
본 발명에 따른 회로의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 PWM 주파수가 상기 SMPS의 스위칭 주파수의 정수배로 변화되도록 된다. In a preferred embodiment of the circuit according to the invention, the PWM frequency is varied by an integer multiple of the switching frequency of the SMPS.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 방법은, D급 앰프 회로의 고조파왜율을 감소시키기 위한 방법에 있어서, 상기 D급 앰프의 펄스폭변조(PWM) 방식으로 단극성 PWM 방식을 사용하는 단계와; 풀브릿지 회로의 PWM 주파수와 SMPS의 스위칭 주파수를 동기시키는 단계와; 음량 조절을 위해 직류전압의 크기를 음량 크기에 비례하도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the harmonic distortion reduction method of the class D amplifier circuit according to the present invention is a method for reducing the harmonic distortion of the class D amplifier circuit, the pulse width modulation (PWM) method of the class D amplifier Using a unipolar PWM scheme; Synchronizing the PWM frequency of the full bridge circuit with the switching frequency of the SMPS; And adjusting the magnitude of the DC voltage to be proportional to the volume level for volume control.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 회로 및 그 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 한편, 종래기술에서 사용되었던 구성부재와 동일한 작용을 하는 본 발명의 구성부재에 대해서는 종래기술에서 사용되었던 부재번호를 그대로 사용한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the preferred embodiment of the harmonic distortion reduction circuit of the class-D amplifier circuit and its method is demonstrated in detail, referring an accompanying drawing. In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification. On the other hand, for the member of the present invention having the same function as the member used in the prior art, the member number used in the prior art is used as it is.
도 2는 본 발명에 따른 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 회로(20)의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 단극성 PWM 방식과 종래기술에 의한 양극성 PWM 방식을 비교하기 위한 그래프도, 도 4는 본 발명에 따른 단극성 PWM 방식에서 직류전압 조절에 따른 출력 리플전압과 종래기술에 의한 출력 리플전압을 비교하기 위한 그래프도이다. 2 is a configuration diagram of a harmonic distortion reduction circuit 20 of a class D amplifier circuit according to the present invention, Figure 3 is a graph for comparing the unipolar PWM system according to the present invention and the bipolar PWM system according to the prior art, Figure 4 is a graph for comparing the output ripple voltage according to the DC voltage control and the output ripple voltage according to the prior art in the unipolar PWM system according to the present invention.
본 발명은 D급 앰프 회로에서 고조파왜율(THD)을 낮추어서 충실도를 높일 수 있는 회로 및 방법을 제공한다. The present invention provides a circuit and a method for improving fidelity by lowering harmonic distortion (THD) in a class D amplifier circuit.
종래기술인 도 1의 D급 앰프 회로는 전원 Vd와 -Vd 양(dual) 전원이 필요하지만, 도 2에 도시한 본 발명에 따른 D급 앰프 회로(20)에서는 풀브릿지 구조의 전력 변환기(24)를 이용하여 단일 전원 Vd 만 사용하는 장점이 있다.The class D amplifier circuit of Figure 1 is a prior art power supply V d and -V d both (dual) power is required, but the class D amplifier circuit 20 according to the present invention shown in Figure 2, the full-bridge power converter of structure ( 24) has the advantage of using only a single power supply V d .
종래기술인 도 1의 D급 앰프 회로는 양(positive) 전압과 음(negative) 전압의 시비율로 변조시키는 양(dual) 전원을 필요로 하는 양극성(bipolar) PWM 방식을 사용하는데 반해, 도 2의 본 발명 D급 앰프 회로(20)에서는 단극성(unipolar) PWM 방식을 사용할 수 있으며, 단극성 PWM 방식은 양의 PWM 전압을 발생시키기 위하여 풀브릿지 구조의 전력 변환기(24)의 전력스위치(S2)를 도통시키고 전력스위치(S3) 및 전력스위치(S4)는 전압의 크기에 따라 변조시키고, 마찬가지로 음의 PWM 전압을 발생시킬 경우에는 전력스위치(S4)를 도통시키고 전력스위치(S1) 및 (S2 )를 전압의 크기에 따라 변조시킨다.The prior art class D amplifier circuit of FIG. 1 uses a bipolar PWM scheme that requires a dual power source to modulate at a ratio of positive and negative voltages, whereas FIG. In the D-class amplifier circuit 20 of the present invention, a unipolar PWM method may be used, and the unipolar PWM method uses a power switch S 2 of the full-bridge power converter 24 to generate a positive PWM voltage. ) conductive and the power switch (S 3) and the power switch (S 4) it is and modulated according to the magnitude of the voltage, as in the case to generate a PWM voltage of the sound is and interconnecting the power switch (S 4), power switch (S 1 ) And (S 2 ) are modulated according to the magnitude of the voltage.
종래기술에 따른 양극성 PWM 방식과 본 발명에 따른 단극성 PWM 방식을 비교하기 위하여 도 3에 도시한 음성(音聲) 출력전압(Vo)에 대해서 출력 리플전압(Vr)의 그래프를 살펴보면 단극성 PWM 방식이 양극성 PWM 방식에 비해 리플전압이 줄어드는 장점이 있음을 알 수 있다. 특히, 출력될 음성 출력전압(Vo)이 미약할 때 즉, 영 근방에서 각각의 리플전압을 보면 단극성 PWM은 영이고 양극성 PWM은 최대가 됨을 볼 수 있다. 다시 말해 단극성 PWM 방식은 낮은 소리에서 음질 특성이 매우 좋다고 말할 수 있다.In order to compare the bipolar PWM method according to the prior art and the unipolar PWM method according to the present invention, a graph of the output ripple voltage V r with respect to the negative output voltage V o shown in FIG. It can be seen that the polarity PWM method has an advantage of reducing the ripple voltage compared to the bipolar PWM method. In particular, when the voice output voltage V o to be output is weak, that is, when the respective ripple voltages are near zero, the unipolar PWM is zero and the bipolar PWM is maximal. In other words, the unipolar PWM method has very good sound quality at low sound quality.
다음으로, 음량(volume) 크기의 조절을 직류 가변 전압원(22)에 의한 직류전압(Vd) 조절을 통해서 구현함으로써 더욱 출력전압의 고조파왜율(THD)을 감소시킬 수 있다. 도 4를 참조하면, 직류 가변 전압원(22)에 의한 직류전압(Vd)을 줄이면 리플전압도 비례적으로 효과가 있음을 알 수 있다. 직류 가변 전압원(22)은 일반적으로 SMPS를 통하여 구현될 수 있으며 SMPS의 출력전압을 음량 크기에 비례하도록 가변하게 된다. 이때, D급 앰프의 PWM 주파수를 SMPS의 스위칭 주파수와 동기시킴으로서 즉, PWM 주파수를 스위칭 주파수의 정수배로 변화시킴으로써, 스위칭 순간에 발생되는 글리치 노이즈(glitch noise)를 더욱 더 감소시킬 수 있다.Next, the harmonic distortion THD of the output voltage can be further reduced by implementing volume control by adjusting the DC voltage V d by the DC variable voltage source 22. Referring to FIG. 4, it can be seen that when the DC voltage V d caused by the DC variable voltage source 22 is reduced, the ripple voltage also has a proportional effect. The DC variable voltage source 22 may be generally implemented through an SMPS, and the output voltage of the SMPS is changed to be proportional to the volume level. At this time, by synchronizing the PWM frequency of the class D amplifier with the switching frequency of the SMPS, that is, by changing the PWM frequency to an integer multiple of the switching frequency, the glitch noise generated at the instant of switching can be further reduced.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 회로 및 그 방법은, 기존 D급 앰프의 고조파 왜율이 높은 문제점을 해결하기 위하여 펄스폭변조(PWM) 방식을 단극성 PWM 방식으로 하고, 음량 조절을 풀브릿지 구조에서 직류전압의 조절을 통해서 구현하며, 풀브릿지 회로의 PWM 주파수와 SMPS의 스위칭 주파수를 동기시킴으로써 고조파 왜율을 저감시켜 D급 앰프의 높은 성능 향상을 달성할 수 있게 하는 이점을 제공한다. As described above, the harmonic distortion reduction circuit of the class D amplifier circuit and the method thereof according to the present invention have a pulse width modulation (PWM) method as a unipolar PWM method to solve the problem of high harmonic distortion of a conventional class D amplifier. The volume control is realized by adjusting the DC voltage in the full bridge structure, and the harmonic distortion is reduced by synchronizing the PWM frequency of the full bridge circuit with the switching frequency of the SMPS to achieve high performance improvement of the class D amplifier. Provide an advantage.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that modifications or variations may be made. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.
도 1은 종래기술에 의한 D급 앰프 회로의 구성도. 1 is a block diagram of a class-D amplifier circuit according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 D급 앰프 회로의 고조파왜율 저감 회로 구성도. 2 is a block diagram of a harmonic distortion reduction circuit of a class D amplifier circuit according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 단극성 PWM 방식과 종래기술에 의한 양극성 PWM 방식을 비교하기 위한 그래프도.Figure 3 is a graph for comparing the unipolar PWM system according to the present invention and the bipolar PWM system according to the prior art.
도 4는 본 발명에 따른 단극성 PWM 방식에서 직류전압 조절에 따른 출력 리플전압과 종래기술에 의한 출력 리플전압을 비교하기 위한 그래프도. Figure 4 is a graph for comparing the output ripple voltage according to the DC voltage control and the output ripple voltage according to the prior art in the unipolar PWM system according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
16...저역통과 필터16.Low pass filter
18...스피커18 ... speakers
20...고조파왜율 저감 회로Harmonic Distortion Reduction Circuit
22...직류 가변 전압원22.DC variable voltage source
24...풀브릿지 구조의 전력 변환기24 ... full bridge power converter
Claims (4)
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