KR20060011934A - 스위칭 증폭기에서 ｄｃ 분리의 제공 - Google Patents

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KR20060011934A
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switching
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바백 마즈다
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트라이패스 테크놀러지, 인코포레이티드
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Abstract

구동 단자와 전원 단자를 갖는 출력 스위치를 포함하는 스위칭 회로가 개시된다. 드라이버 회로는 출력 스위치에 구동 신호를 제공한다. 분리 회로는 드라이버 회로와 출력 스위치 사이의 DC 분리를 제공한다. 천이 제어 회로는 구동 단자를 제어하여, 전원 단자에서 공급 전압의 안정화 도중에 출력 스위치를 OFF 상태로 유지시킨다.

Description

스위칭 증폭기에서 ＤＣ 분리의 제공{PROVIDING DC ISOLATION IN SWITCHING AMPLIFIERS}
본 발명은 일반적으로 스위칭 증폭기 또는 스위치 모드 파워 서플라이 토폴로지에서 DC 분리를 제공하는 것에 관한 것이다.
상대적으로 높은 파워의 출력 디바이스와 이들을 구동시키는 상대적으로 낮은 파워 회로 사이를 분리시키기 위하여 다양한 기술이 스위칭 회로 토폴로지에 사용될 수 있다. 이러한 기술은 용량성 및 유도성 연결을 포함한다. 이러한 기술과 관련된 어려운 문제중 하나는 전원을 상승시키는 도중 출력 디바이스의 상태에 관한 것이다. 즉, 만약 전원 공급이 점점 상승하는 동안 출력 디바이스의 게이트가 플로팅 상태로 남아 있다면, 출력 디바이스는 이 시간 동안 도통될 수 있다. 이는 스위칭 증폭기에 의해 구동되는 스피커로부터의 불유쾌한 포핑(popping) 소리를 흔히 초래한다는 점에서 오디오 애플리케이션에서 특히 바람직하지 않다. 일부 경우, 이러한 천이 상황은 출력 디바이스 및/또는 구동되는 부하에는 심지어 재난이 될 수 있다.
그러므로, 문제점을 회피하는 스위칭 회로 토폴로지에서 사용하기 위한 DC 분리 기술을 제공는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 상술한 천이 상황을 회피하기 위하여 전원이 상승하는 동안 스위칭 회로 내의 출력 디바이스의 상태가 제어될 수 있는 기술이 제공된다. 보다 상세하게는, 본 발명의 다양한 실시예가 이러한 천이 상황을 방지하기 위하여 이 출력 디바이스의 게이트의 초기화를 제어한다. 특정 실시예에 따라, 구동 단자와 전원 단자를 갖는 출력 스위치를 포함하는 스위칭 회로가 제공된다. 드라이버 회로는 출력 스위치에 구동 신호를 제공한다. 분리 회로는 드라이버 회로와 출력 스위치 사이의 DC 분리를 제공한다. 천이 제어 회로는 구동 단자를 제어하고, 이를 통해 전원 단자에서 공급 전압의 안정화 동안 출력 스위치를 오프로 유지한다.
보다 더 특정한 실시예에 있어서, 고전압 측과 저전압 측의 전원 공급 단자 사이에 연결된 하프-브리지(half-bridge), 싱글엔드(single-ended)형 구성의 제 1 및 제 2출력 FET를 포함하는 스위칭 증폭기가 제공된다. 드라이버 회로는 제 1 및 제 2출력 FET에 보완 구동 신호를 제공한다. 제 1 및 제 2커패시터는 구동기 회로를 제 1 및 제 2출력 FET에 각각 연결시켜, 이들 사이의 DC 분리를 제공한다. 제 1클램핑 트랜지스터는 제 1출력 FET(예, p-채널 디바이스)의 게이트와 전원 단자의 고전압 측 사이에 연결된다. 제 1RC 네트워크는 고전압 측의 전원 단자에 연결되어, 제 1클램핑 트랜지스터를 구동시키도록 동작할 수 있다. 제 1클램핑 트랜지스터는 제 2출력 FET(예, n-채널 디바이스)의 게이트와 저전압 측 전원 단자 사이에 연결된다. 제 2RC 네트워크는 저전압 측의 전원 단자에 연결되어, 제 2클램핑 트랜지스터를 구동시키도록 동작할 수 있다. 클램핑 트랜지스터와 RC 네트워크는 미리 결정된 시간 기간 동안 각 전원 단자에서 출력 FET의 게이트를 고전압 및 저전압 공급 전압에 클램핑시키도록 동작하여, 고전압 및 저전압 측 공급 전압의 안정화 동안 출력 FET를 OFF 상태로 유지시킨다.
본 발명의 특성과 장점의 추가적인 이해는 본 명세서의 나머지 부분과 도면을 참조하여 이루어질 것이다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따라 구현된 스위칭 회로 토폴로지의 단순 개략도.
도 2는 도 1의 스위칭 회로 토폴로지에 대한 다른 실시예의 단순 개략도.
본 발명을 실행하기 위해 본 발명자에 의해 고려되는 최상의 모드를 포함하여 본 발명의 특정 실시예를 상세하게 참조한다. 이들 특정 실시예의 예는 첨부된 도면에 도시된다. 본 발명이 이들 특정 실시예와 연관하여 기술되지만, 본 발명을 기술된 실시예에 국한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상과 범주 내에 드는 대안, 변경, 및 등가물을 포함하려 한다. 다음의 설명에서, 많은 특정 세부사항이 본 발명의 철저한 이해를 위하여 설명되었다. 본 발명은 이들 특정 세부사항의 일부 또는 전부가 없어도 실행될 수 있다. 덧붙여, 불필요하게 본 발명을 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 잘 알려진 특성은 상세하게 설명되지 않았다.
도 1은 본 발명의 특별한 실시예가 구현될 수 있는 단일 오디오 채널 스위칭 증폭기를 도시한다. 스위칭 증폭기(100)는 보완 1-비트 디지털 신호(Y 및
Figure 112005009390336-PCT00001
)를 생성하는 저전압, 잡음-성형 신호 프로세서(102)를 포함한다. 도시된 실시예에 따라, 이들 0∼5V 신호는 높은 전류 드라이버 회로(104)에 의해 0∼10V 신호로 레벨 이동되어 출력 FET(106 및 108)를 구동하기 위한 적절한 전압과 전류 레벨을 제공한다. 이러한 레벨 이동이 본 발명의 모든 실시예에서 필요한 것은 아님을 이해할 것이다. 즉, 0∼5V 신호로 출력 FET를 충분히 구동시킬 수 있는 높은 전류의 논리 디바이스가 사용될 수 있다. 두 개의 커패시터(Cc)는 다이오드(D1 및 D2)와 함께, 출력 FET와 전류 드라이버 회로(104) 사이의 DC 분리를 제공하고, 회로(104)의 출력 신호를 높은 측 FET(106)의 게이트에서 VPP∼VPP-10 V로, 그리고 낮은 측 FET(108)의 게이트에서 VNN∼VNN+10 V로 레벨 이동시킨다. FET 구동 전압이 상대적으로 낮은 예컨대 10V 범위인 실시예에 따라, 다이오드(D1 및 D2)는 신호 다이오드를 포함할 수 있다. FET 구동 전압이 높은 예컨대 15V 범위인 실시예에 따라, 제너 다이오드가 게이트를 ±10V에 클램핑시키기 위하여 사용될 수 있다.
트랜지스터(Q1 및 Q2)는 공급 전압(VPP 및 VNN)이 상승 중인 시간 동안, (Rd와 Cd에 대응하는 시상수에 따라) 출력 FET(106 및 108)의 게이트를 스켈치(squelch) 억압한다. 이것은 RC 시상수 때문에 트랜지스터(Q1 및 Q2)의 베이스 단자가 트랜지스터(Q1 및 Q2)를 턴-온시키는 공급 전압보다 지연되어, 출력 FET의 게이트를 공급 전압에 효과적으로 클램핑시키고, 이에 따라 공급 전압이 안정화되고 트랜지스터(Q1 및 Q2)가 후속적으로 턴-오프될 때까지 출력 FET가 OFF 상태를 유지 하는 것을 보장한다. 이는 성가시며 잠재적으로 재난이 될 수 있는 (디바이스 중 하나가 ON일 때)스피커에서의 턴-온 팝(pop)을 제거하거나, (두 디바이스가 ON일 때) 그렇지 않을 경우 출력 FET 게이트의 불확정 상태의 결과로서 발생할수 있는 재난적인 슈트-쓰루(shoot-through) 전류를 제거한다. 명백하게, 턴-온 팝은 본 발명이 이에 국한되지는 않지만 오디오 애플리케이션에 특정된 것이다. 보다 더 일반적으로 말하면, 본 발명은 스위칭 증폭기 또는 스위치 모드 파워 서플라이의 출력 스위치가 공급 전압이 상승 중일 때 OFF 상태를 유지한다는 점에서 이점이 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, Rd 및 Cd의 값은 전원 공급의 안정화와 Q1 및 Q2의 턴-오프 사이에서 요구되는 임의의 지연 시간을 생성하도록 선택될 수 있다.
특별한 구현에 따라, 커패시터(Cc)에 의해 제공되는 DC 분리로부터 상당한 이익이 유도될 수 있다. 즉, 드라이버 회로(104)가 출력 FET에 의해 요구되는 고전압 공급 전압(예, ±50V)로부터 분리되기 때문에, 출력 스위치에 직접 연결된 드라이버 회로의 브레이크다운 전압 요건을 갖지 않는다. 따라서, 만약 드라이버 회로(104)가 집적 회로로서 구현된다면, 낮은 전압(따라서 값싼) 공정이 그 제조에 사용될 수 있다.
덧붙여, 출력 FET로부터 드라이버 회로(104)의 분리는 드라이버 회로(104)를 신호 프로세서(102)의 저전압 회로와 함께 단일 집적 회로(점선 110으로 표시)에 집적시킬 수 있는 기회를 생성한다. 따라서, 예컨대 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 드라이버 회로(104)를 위해 (적절한 더 큰 기하학적인 형상을 갖는) 80∼100V 공정 대신에 0.5 ㎛ 정도의 기하학적인 형상을 갖는 16∼20V 공정이 이러한 단일 IC를 위해 사용될 있고, 프로세서(102)를 위해 5∼10V 공정이 사용될 수 있다. 일반적으로, 낮은 전압 공정은 더 높은 전압의 공정보다 값이 싸고 보다 더 일반적이어서, 설계자로 하여금 훨씬 더 많은 반도체 제조자에 의해 제공되는 훨씬 더 많은 다양한 공정을 선택할 수 있게 한다.
본 발명이 특별히 특정 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자라면 개시된 실시예의 형태 및 세부사항에서 본 발명의 사상과 범주를 벗어남이 없이도 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명은 일반적으로 전원 공급이 상승 중인 동안 출력 스위치가 OFF 상태로 유지됨을 보장함으로써 스위칭 증폭기 토폴로지에서 DC 분리를 가능케 하는 것에 관한 것이다. 본 명세서에서 기술된 기술은 광범위한 임의의 스위칭 회로 토폴로지에 적용될 수 있고, 기술된 특정 오디오 증폭기 토폴로지에 제한되지 않아야 한다. 즉, 본 발명은 예컨대 시그마 델타 변조기를 포함하는 임의의 형태의 디지털 또는 클래스 D 증폭기, 변형 시그마 델타 변조기(예, 미국 캘리포니아주 산타 클라라에 소재하는 Tripath Technology사로부터 취득 가능한 클래스 D 증폭기), 임의의 형태의 펄스폭 변조(PWM) 증폭기, 등등과 함께 사용될 수 있다. 보다 더 일반적으로, 상술한 실패 모드가 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)에서 발생하기 때문에, 본 명세서에서 기술된 기술은 본 발명에 따라 이러한 디바이스에도 사용될 수 있다.
또한, 도 1의 예시적인 실시예의 회로는 본 발명이 구현될 수 있는 한 방식에 불과하다. 즉, DC 연결이 제공되는 방식은 다른 기술, 예컨대 트랜스포머가 사 용될 수 있다는 점에서 용량성 연결에 국한될 필요는 없다. 덧붙여, Q1 및 Q2의 베이스를 도 1에 도시된 RC 회로를 통해 제어하는 대신, 프로그램 가능한 시간 기간 동안 인에이블되는 능동 회로 소자를 포함하지만 이에 국한되지 않는 다른 형태의 제어 회로가 사용될 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 다른 실시예에 따라, Q1의 베이스는, 일정한 시간 기간 동안 Q1의 베이스를 풀다운(pull down) 시키도록 구동되는 다른 트랜지스터(Q3)의 콜렉터에 연결된다. 이러한 트랜지스터의 구동 신호와, 시간 기간은 예컨대 마이크로프로세서 또는 임의의 다른 유형의 제어기를 포함하는 임의의 다양한 아날로그 또는 디지털 회로(제어기(202)로 표시)에 의해 제어될 수 있다. 이 회로는 드라이버 회로와 함께 또는 이와 별도로 병합 또는 집적될 수 있다. 이러한 제어기는 공급 전압의 안정화 도중(예, 전원 상승 도중)에 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 제어기는 또한, 예컨대 임의의 드라이버 스테이지에 대한 전원 손실과 같은 장애 조건에 응답하여, 예컨대 드라이버 회로의 구동과는 독립적으로 증폭기 동작 도중에 Q1 및 Q2를 제어하도록 구성될 수 있다. 덧붙여, 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 제어기는 트랜지스터(Q1 및 Q2)를 직접 구동시키도록 구성될 수도 있다.
보다 더 특정한 실시예에 따라, 정상 동작 도중에 예컨대 제어기(202)에 인가되는 +5V 및 +10V가 허용될 수 있는 한계 내에 있을 때, Q3의 게이트는 낮은 상태로 유지된다. +10V가 손실되어, 드라이버 회로가 더 이상 고전압측 게이트에 높은 레벨을 유지시키도록 동작할 수 없을 때, 도 2의 회로는 고전압측 게이트가 OFF 상태가 되는 것을 보장한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 도 2의 모니터링 회로는 드라이버 칩 자체에 통합 또는 집적될 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 다양한 장점, 양상 및 목적이 본 명세서에서 다양한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범주는 이러한 장점, 양상 및 목적을 참조하여 제한되지 않아야만 한다는 것을 이해할 것이다.
본 발명은 일반적으로 스위칭 증폭기 또는 스위치 모드 파워 서플라이 토폴로지에서 DC 분리를 제공하기 위하여 사용될 수 있다.

Claims (22)

  1. 스위칭 회로로서,
    구동 단자와 전원 단자를 갖는 출력 스위치와,
    상기 출력 스위치에 구동 신호를 제공하기 위한 드라이버 회로와,
    상기 드라이버 회로와 상기 출력 스위치 사이에 DC 분리를 제공하는 분리 회로와,
    상기 구동 단자를 제어하여, 상기 전원 단자에서 공급 전압의 안정화 동안 상기 출력 스위치를 OFF 상태로 유지하는 천이 제어 회로를
    포함하는 스위칭 회로.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 분리 회로는 커패시터를 포함하는 스위칭 회로.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 분리 회로는 트랜스포머를 포함하는 스위칭 회로.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 천이 제어 회로는 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 구동 단자를 상기 공급 전압에 클램프(clamp)시키도록 동작할 수 있는 클램핑 회로를 포함하는 스위칭 회로.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 클램핑 회로는 상기 전원 단자와 상기 구동 단자 사 이에 연결된 클램핑 스위치를 포함하는 스위칭 회로.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 클램핑 회로는 상기 전원 단자에 연결된 RC 회로를 더 포함하되, 상기 RC 회로는 공급 전압보다 지연시키는 상기 클램핑 스위치에 게이트 신호를 공급하도록 동작할 수 있는 스위칭 회로.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 클램핑 회로는 상기 클램핑 스위치에 게이트 신호를 제공하도록 동작할 수 있는 제 2클램핑 스위치를 더 포함하는 스위칭 회로.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 클램핑 회로는 상기 제 2클램핑 스위치를 구동시키도록 동작할 수 있는 제어기 회로를 더 포함하는 스위칭 회로.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어기 회로는 장애 신호에 응답하여 상기 제 2클램핑 스위치를 구동시키도록 동작할 수 있는 스위칭 회로.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제어기 회로는 상기 공급 전압의 안정화 도중에 상기 제 2클램핑 스위치를 구동시키도록 동작할 수 있는 스위칭 회로.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 클램핑 회로는 상기 클램핑 스위치에 게이트 신호를 제공하도록 동작할 수 있는 제어기 회로를 더 포함하는 스위칭 회로.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제어기 회로는 장애 신호에 응답하여 상기 게이트 신호를 생성하도록 동작할 수 있는 스위칭 회로.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 제어기 회로는 상기 공급 전압의 안정화 도중에 상기 게이트 신호를 생성하도록 동작할 수 있는 스위칭 회로.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 드라이버 회로에 입력 신호를 제공하도록 동작할 수 있는 저전압 신호 프로세서를 더 포함하는 스위칭 회로.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 저전압 신호 프로세서와 상기 드라이버 회로는 단일 집적회로에 집적되는 스위칭 회로.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 저전압 신호 프로세서는 잡음-성형 신호 프로세서를 포함하는 스위칭 회로.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 오디오 스위칭 증폭기를 포함하는 스위칭 회로.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 시그마 델타 변조기, 변형 시그마 델 타 변조기, 및 펄스폭 변조 증폭기중 어느 하나를 포함하는 스위칭 회로.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 스위치 모드 파워 서플라이를 포함하는 스위칭 회로.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 출력 스위치는 하프-브리지(half-bridge) 구성의 두 개의 스위칭 디바이스를 포함하는 스위칭 회로.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 출력 스위치는 싱글-엔드(single-ended)형 구성으로 구성되는 스위칭 회로.
  22. 스위칭 증폭기로서,
    고전압측 및 저전압측 전원 단자 사이에 연결된 하프-브리지, 싱글-엔드형 구성의 제 1 및 제 2출력 FET와,
    상기 제 1 및 제 2출력 FET에 보완 구동 신호를 제공하기 위한 드라이버 회로와,
    구동기 회로를 상기 제 1 및 제 2출력 FET에 각각 연결시키고, 이들 사이에 DC 분리를 제공하는 제 1 및 제 2커패시터와,
    상기 제 1출력 FET의 게이트와 상기 고전압측 전원 단자 사이에 연결된 제 1클램핑 트랜지스터와,
    상기 고전압측 전원 단자에 연결되어 상기 제 1클램핑 트랜지스터를 구동시키도록 동작할 수 있는 제 1RC 네트워크와,
    상기 제 2출력 FET의 게이트와 상기 저전압측 전원 단자 사이에 연결된 제 2클램핑 트랜지스터와,
    상기 저전압측 전원 단자에 연결되어 상기 제 2클램핑 트랜지스터를 구동시키도록 동작할 수 있는 제 2RC 네트워크를 포함하되,
    여기에서 상기 클램핑 트랜지스터와 상기 RC 네트워크는 미리 결정된 시간 기간 동안 각 전원 단자에서 상기 출력 FET의 게이트를 고전압측 및 저전압측 공급 전압에 클램핑시키도록 동작할 수 있어, 고전압측 및 저전압측 공급 전압의 안정화 도중에 상기 출력 FET를 OFF 상태로 유지시키는 스위칭 증폭기.
KR1020057003026A 2002-08-23 2003-08-12 스위칭 증폭기에서 ｄｃ 분리의 제공 KR20060011934A (ko)

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