KR20060050125A

KR20060050125A - 디급 증폭기

Info

Publication number: KR20060050125A
Application number: KR1020050063151A
Authority: KR
Inventors: 가즈노부 오쿠리
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2006-05-19
Also published as: US20060012428A1; CN100514849C; DE102005033262A1; JP2006033499A; CN1722613A; US7265617B2

Abstract

쌍으로 된 스위칭 소자를 구동하고, 펄스 증폭한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 증폭부에, 스위칭 소자의 동작 상태를 검출하는 검출부를 설치하고, 스위칭 소자의 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 방지하고, 양호한 오디오 특성을 얻는다.

Description

디급 증폭기{Class-D amplifier}

도 1은, D급 증폭기의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는, 데드타임 설정부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3은, 구동부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4는, 스위칭 증폭부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 5는, D급 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은, 데드타임 제어동작을 나타내는 플로차트이다.

도 7은, 데드타임 제어동작을 설명하기 위한 도면다.

도 8은, 데드타임 설정부의 다른 구성을 나타내는 도면이다.

도 9는, 스위칭 증폭부의 다른 구성을 나타내는 도면이다.

도 10은, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용했을 때의 스위칭 증폭부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 11은, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용했을 때의 구동부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 12는, 종래의 데드타임 설정부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 13은, 종래의 데드타임 설정부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이 발명은 D급 증폭기에 관한 것이다. 자세한 것은, 논리 디바이스의 전반지연시간을 이용하여 펄스폭 변조신호를 지연시킴으로써, 쌍으로 된 스위칭 소자에 대하여 데드타임을 설정하고, 이 데드타임을 스위칭 소자의 동작상태에 따라 가변시킴으로써, 스위칭 소자의 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 방지하고, 양호한 오디오 특성을 얻는 것이다.

오디오 기기에서는, 고효율화나 소형·경량화를 위해 D급 증폭기가 사용되고 있다. D급 증폭기는, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 한 쌍의 스위칭 소자로 이루어지는 하프브릿지 방식의 스위칭 증폭부 또는 2쌍의 스위칭 소자로부터 이루어지는 브릿지 방식의 스위칭 증폭부와, 이들 스위칭 증폭부를 구동하기 위한 구동부로 이루어진다. 구동부에는, 아날로그 신호를 PWM변조(펄스폭변조)하여 얻어진 펄스폭 변조신호 또는 아날로그 신호를 1비트 A／D변환한 신호로 이루어지는 펄스폭 변조신호가 입력된다. 구동부는 스위칭 증폭부에 있어서 쌍으로 되어 있는 스위칭소자의 한쪽을, 입력된 펄스폭 변조신호와 동상으로 온·오프 제어하고, 다른 쪽의 스위칭소자를 역상으로 온·오프 제어한다. 이 스위칭 소자의 온·오프에 의하여 펄스 증폭된 스위칭 신호를 저역 필터에 의하여 대역 제한함으로써, 증폭된 아날로그 신호를 얻을 수 있다.

또, 쌍으로 되어 있는 스위칭 소자를 구동부에서의 구동신호에 근거하여 구동할 때, 하이 사이드와 로우 사이드의 스위칭 소자가 동시에 온 상태로 되면, 큰 관통전류가 흘러 과대한 발열이나 소자의 파괴를 초래할 우려가 있다. 이 때문에, D급 증폭기에서는, 데드타임 설정부에 의하여, 예를 들면 스위칭 소자의 온 타이밍을 지연시키고, 하이 사이드의 스위칭 소자와 로우 사이드의 스위칭 소자가 동시에 오프 상태로 되는 데드타임을 설치함으로써, 큰 관통전류가 흘러 버리는 것이 방지되어 있다. 그러나, 데드타임을 길게 하면 스피커로부터 출력되는 재생 음성의 일그러짐이 커지고, 음질의 악화를 초래하게 된다. 따라서, 데드타임의 시간길이는, 관통전류의 발생과 오디오 특성의 트레이드 오프에 의하여 설계되어 있다.

[특허 문헌 1]특개 2002－204149호 공보

그런데, 데드타임 설정부는, 예를 들면 콘덴서와 저항기로 구성된 적분기를 이용하고 신호를 지연시키는 것으로 데드타임이 생성되어 있다. 도 12는, 종래의 데드타임 설정부(90)의 구성을 나타내고 있다. 입력신호(Din)는 2입력 AND게이트(91)의 한쪽 입력단자와 저항기(92)의 한 쪽단자에 공급된다. 저항기(92)의 다른 쪽 단자는 콘덴서(93)를 거쳐서 접지되어 있고, 저항기(92)와 콘덴서(93)와의 접속점(P)에, AND게이트(91)의 다른 쪽 입력단자가 접속된다.

도 13은, 종래의 데드타임 설정부(90)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 13a는 데드타임 설정부(90)에 공급되는 입력신호(Din), 도 13b는 접속점(P)의 신호레벨(Dp), 도 13c는 AND 게이트(91)로부터 출력되는 출력신호(Dout)를 나타내고 있다.

시점(t11)에서 입력신호(Din)가 하이레벨「H」로 되면, 접속점(P)의 신호레벨(Dp)은, 저항기(92)의 저항값과 콘덴서(93)의 정전용량에 의하여 결정될 때 정수에서 신호레벨이 상승한다.

시점(t12)에서 신호레벨(Dp)이 AND게이트(91)의 임계치(Vth)를 넘으면, AND 게이트(91)에 입력되는 신호는, 모두 하이레벨「H」로 되기 때문에, AND 게이트(91)로부터의 출력신호(Dout)는, 로우 레벨 「L」에서 하이레벨 「H」로 전환된다.

시점(t13)에서 입력신호(Din)가 로우 레벨 「L」로 되면, AND 게이트(91)에 입력되는 신호는, 한 쪽이 로우 레벨 「L」로 되므로 출력신호(Dout)는, 하이레벨 「H」에서 로우 레벨「L」로 전환된다. 이와 같이, AND게이트(91)에 입력되는 신호의 한 쪽을 저항기(92)와 콘덴서(93)에 의하여 적분하는 것으로, 데드타임 설정부(90)에서는, 입력신호(Din)의 상승 타이밍을 시점(t11)에서 시점(t12)으로 지연 시킬 수 있다.

그러나, 이와 같은 방법을 이용했을 경우, 저항기(92)의 저항값이나 콘덴서(93)의 정전용량이 불균일을 일으키거나 온도변화를 일으키면, 데드타임이 소망치로 되지 않게 된다.

또, 특허 문헌 1과 같이, 온도변화가 생겼을 경우라도, 입력신호에 대하여 충실히 스위칭 소자를 온·오프 시키기 위해, 인버터부에 공급하는 전압을 온도변화에 따라 제어하면, 전원부의 구성이 복잡하게 된다. 또한, 특허 문헌 1에서는 온·오프의 타이밍 조정범위가 인버터부에 공급하는 전압의 가변범위에서 결정되어 버리기 때문에, 타이밍 조정범위를 자유롭게 설정할 수 없다.

그래서, 이 발명에서는, 스위칭 소자의 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 방지하고, 양호한 오디오 특성을 얻을 수 있는 D급 증폭기를 제공하는 것이다.

이 발명에 관계되는 D급 증폭기는, 쌍으로 되어 있는 스위칭 소자를 구동하고, 펄스증폭 한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 증폭수단과, 스위칭 소자를 구동하기 위한 펄스폭 변조신호를 생성하고 스위칭 증폭수단에 공급하는 신호생성수단을 가지는 D급 증폭기에 있어서, 스위칭 증폭수단에는, 스위칭 소자의 동작 상태를 검출하는 검출수단을 설치하고, 신호생성수단에는, 논리 디바이스의 전반지연시간을 이용하고 펄스폭 변조신호를 지연시킴으로써, 스위칭 소자에 대하여 데드타임을 설정하는 데드타임 설정수단과, 검출수단으로의 검출결과에 근거하여 데드타임 설정수단을 제어하고, 데드타임을 스위칭 소자의 동작상태에 따라 가변시키는 제어수단을 설치한 것이다.

이 발명에 있어서는, 스위칭 소자의 동작상태로서, 스위칭 소자의 온도나 스위칭 소자에 흐르는 전류가 검출된다. 여기서, 스위칭 소자로의 손실이 증가하는 동작상태로 되며 검출결과가 미리 설정한 임계치에 이르렀을 때, 즉 스위칭소자의 온도가 상승하고 혹은 스위칭 소자에 흐르는 전류가 증가하고 임계치에 이르렀을 때에는, 논리 디바이스의 전반지연시간이 길어지도록 프로그램이 생성되고, 혹은 전반지연시간이 긴 지연회로가 선택되고, 데드타임이 길게 된다. 또, 스위칭소자로의 손실이 감소하는 동작상태로 되며 검출결과가 미리 설정한 임계치에 이르렀을 때, 즉 스위칭 소자의 온도가 하강하고 혹은 스위칭 소자에 흐르는 전류가 감소하 고 임계치에 이르렀을 때에는, 논리 디바이스의 전반지연시간이 짧아지도록 프로그램이 생성되고, 혹은 전반지연시간의 짧은 지연회로가 선택되고, 데드타임이 짧게 된다.

이하, 도면을 참조하면서, 이 발명의 실시의 일형태에 대해 설명한다. 도 1은 D급 증폭기의 구성을 나타내는 블록이다. 또한, 도 1에 있어서, 스위칭 증폭부(20)는, 2쌍의 스위칭 소자로 이루어지는 풀 브릿지 방식의 스위칭 증폭부인 경우를 나타내고 있다.

신호생성부(10)의 변조처리부(11)는, 공급된 아날로그의 음성신호(Sa)에 근거한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하고 데드타임 설정부(12)에 공급한다. 예를 들면, 음성신호(Sa)의 진폭과 삼각파의 진폭을 비교기로 비교함으로써 음성신호(Sa)의 2치화를 행하고, PWM신호를 생성하고 데드타임 설정부(12)에 공급한다. 또, PWM신호의 생성은, ΔΣ변조를 이용하여 행하는 것으로 해도 좋다. ΔΣ변조에서는, 음성신호(Sa)를 적분기에 입력하고, 이 적분기의 출력을 A－D변환하는 것으로 비트·스트림 신호를 생성한다. 또한, 생성된 비트·스트림 신호를 D－A변환함으로써 얻어진 아날로그 신호를 적분기에 공급하고 부귀환을 걸는 것에 의해, 음성신호(Sa)에 따른 비트·스트림 신호를 생성한다. 이와 같이 하여 생성한 비트·스트림 신호는, 음성신호(Sa)의 신호레벨에 따른 비트 간격을 가지는 것이며, 이 비트·스트림 신호에 근거한 PWM신호를 생성하고 데드타임 설정부(12)에 공급한다. 또, 변조처리부(11)는, 디지털의 음성신호에 근거하여 PWM 신호를 생 성하고 데드 타임설정부(12)에 공급하는 것으로 해도 좋다. 이 경우, 변조처리부(11)는, 입력된 디지털의 음성 신호를 ΔΣ변조하고, 또한 펄스폭 변조를 행하는 것으로 PWM신호를 생성할 수 있다.

데드타임 설정부(12)는, 변조처리부(11)에서 생성된 PWM신호(PA-1h, PA-1l, PA-2h, PA-2l)의 타이밍을 조정하고, 하이 사이드의 스위칭 소자와 로우 사이드의 스위칭 소자가 동시에 오프 상태로 되는 데드타임을 설치한다.

데드타임 설정부(12)는, 변조처리부(11)에서 생성된 PWM 신호(PA-1h, PA-1l, PA-2h, PA-2l)의 타이밍을 조정하고, 하이 사이드의 스위칭 소자와 로우 사이드의 스위칭소자가 동시에 오프 상태로 되는 데드타임을 설치한다.

도 2는, 데드타임 설정부(12)의 구성을 나타내고 있다. 이 데드타임 설정부(12)는, 프로그램 가능한 하드웨어 논리 디바이스, 예를 들면 PLD(Programmable Logic Device)를 이용하여 구성되어 있고, 변조처리부(11)에서 생성된 PWM신호마다, 동등한 회로구성의 타이밍 조정회로(12-1h, 12-1l, 12-2h, 12-2l)가 설치되고 있다.

타이밍 조정회로(12-1h)에 입력된 PWM신호(PA-1h)는, AND게이트(121)의 한쪽 입력단자와 지연발생회로(122)에 공급된다. 지연발생회로(122)는, 제어부(14)로부터 공급된 데드타임 제어정보(DP)에 근거하여 논리 디바이스를 종속 접속하여 구성되어 있고, PWM신호(PA-1h)에 대하여 소망한 지연량을 일으킨 PWM신호(PA-1hd)를 생성하고, AND게이트(121)의 다른 쪽 입력단자에 공급한다. 여기서, 논리 디바이스를 종속접속하면, 각 논리 디바이스의 전반지연시간이 누적된다. 이 때문에, 사용하는 논리 디바이스나 논리 디바이스의 종속접속수를 제어함으로써, PWM 신호(PA-1h)에 대하여 양호한 정밀도로 소망의 지연량을 일으킨 PWM신호(PA-1hd)가 지연발생회로(122)에 의하여 생성된다. 또한, 논리 디바이스로서는, 게이트나 플립플립 회로등을 이용하는 것이 가능하고, 도 2의 지연발생회로(122)에서는, 인버터의 쌍을 1 혹은 복수 종속접속했을 경우를 나타내고 있다. 또, PLD를 이용하는 경우의 데드타임 제어정보(DP)의 공급은, 예를 들면 JTAG(Joint Test Action Group) 등의 인터페이스를 이용하는 것으로 용이하게 행할 수 있다.

AND게이트(121)는, 공급된 2개의 신호의 논리적(論理積)신호를 생성하고 PWM 신호(PB-1h)로서 구동부(13)에 공급한다. 여기서, PWM신호(PA-1hd)는, PWM 신호(PA-1h)에 대하여 소망의 지연량을 일으킨 신호이므로, 논리적신호는, PWM신호(PA-1h)에 있어서의 상승 타이밍, 즉 스위칭 소자가 온 상태로 되는 타이밍을 소망의 지연량만 정밀도 좋게 지연시킨 신호로 된다. 이 타이밍 조정회로(12-1h)에서 생성된 논리적신호는, PWM 신호(PB-1h)로서 구동부(13)에 공급된다.

타이밍 조정회로(12-1l, 12-2h, 12-2l)는, 타이밍 조정회로(12-1h)와 동일하게 하고, PWM 신호(PA-1l, PA-2h, PA-2l)에 있어서의 상승 타이밍을 소망의 지연량만 정밀도 좋게 지연시킨 신호를 생성하고, 이 신호를 PWM 신호(PB-1l, PB-2h, PB-2l)로서 구동부(13)에 공급한다. 이와 같이, 데드타임 설정부(12)에서 생성된 PWM신호(PB-1h, PB-1l, PB-2h, PB-2l)는, PWM신호(PA-1h, PA-1l, PA-2h, PA-2l)의 상승 타이밍을 소망의 지연량만 정밀도 좋게 지연시킨 신호이기 때문에, 하이 사이드의 스위칭 소자와 로우 사이드의 스위칭 소자가 동시에 오프상태로 되는 데드타 임을 정밀도 좋게 설정할 수 있다. 또, 제어부(14)로부터 공급된 데드타임 제어정보(DP)에 근거하여, 지연발생회로(122)에 있어서 사용하는 논리 디바이스나 논리 디바이스의 종속접속수를 제어하는 것으로, 데드 타임의 시간길이를 가변할 수 있다.

도 1에 나타내는 구동부(13)는, 데드타임 설정부(12)로부터 공급된 PWM 신호(PB-1h, PB-1l, PB-2h, PB-2l)에 근거하여, 스위칭 증폭부(20)를 구동하기 위한 구동신호(PC-1h, PC-1l, PC-2h, PC-2l)를 생성한다.

도 3은, 스위칭 증폭부(20)가 N채널 MOSFET를 이용하여 구성되어 있을 때의 구동부(13)의 구성을 나타내고 있다.

구동부(13)는, PWM 신호(PB-1h, PB-1l)에 근거하여 구동신호(PC-1h, PC-1l)를 생성하는 제 1구동부(13-1)와, 제 1구동부(13-1)와 동일하게 구성되어 PWM신호(PB-2h, PB-2l)에 근거하여 구동신호(PC-2h, PC-2l)를 생성하는 제 2구동부(13-2)에서 구성되어 있다.

제 1구동부(13-1)에 있어서의 다이오드(131)의 애노드와 지연회로(135)와 증폭기(136)에는, 전원 전압(VDD)이 인가된다. 다이오드(131)의 캐소드는, 콘덴서(132)의 한쪽 단자와, 레벨 시프트 회로(133) 및 증폭기(134)에 접속된다. 콘덴서(132)의 다른 쪽 단자는, 후술하는 접속점(T)과 접속된다. 또, 접속점(T)에는, 레벨 시프트 회로(133)나 증폭기(134)가 접속된다.

다이오드(131)와 콘덴서(132)는, 부트스트랩회로를 구성하는 것이며, 이 부트스트랩회로에 의하여, 레벨 시프트 회로(133)나 증폭기(134)에 공급되는 전원 전 압(VCC)을 전원 전압(VDD)보다 고전압으로 한다. 여기서, 하이 사이드의 스위칭 소자로서 N채널 MOSFET가 이용되고 있고, 하이 사이드의 N채널 MOSFET의 드레인에 전원 전압(VBB)이 인가되는 경우, 이 N채널 MOSFET를 올바르게 온 상태로 하기 위해서는, 접속점(T)의 전압보다, 적어도 게이트 임계치 전압(VGS)이상 높은 전압으로 게이트를 구동해야 한다. 또, 접속점(T)의 전압은, 다른 MOSFET의 구동상태에 의하여 변화하는 것이기 때문에, 다른 MOSFET의 구동상태에 상관없이 증폭기(134)에 의하여 하이 사이드의 N채널 MOSFET를 올바르게 온·오프 시킬 수 있도록, 전원 전압(VCC)은, 드레인에 인가되는 전원 전압(VBB)보다, 적어도 게이트 임계치 전압(VGS) 이상 높은 전압으로 한다.

레벨 시프트 회로(133)는, PWM 신호(PB-1h)의 신호 레벨을 증폭기(134)의 입력레벨에 따른 신호로 변환한다. 또, 지연회로(135)는, 레벨 시프트 회로(133)에서 PWM신호(PB-1h)의 신호 레벨 변환에 필요로 하는 시간만, PWM신호(PB-1l)를 지연시켜 증폭기(136)에 공급한다.

증폭기(134)는, 레벨 시프트 된 PWM신호(PB-1h)에 근거하여 구동신호(PC-1h)를 생성하고, 스위칭 증폭부(20)에 공급한다. 증폭기(136)는, PWM신호(PB-1l)에 근거하여 구동신호(PC-1l)를 생성하고, 스위칭 증폭부(20)에 공급한다.

제 2구동부(13-2)도 제 1구동부(13-1)와 동일하게 하고, PWM신호(PB-2h, PB-2l)에 근거하여 구동신호(PC-2h, PC-2l)를 생성하고 스위칭 증폭부(20)에 공급한다.

제어부(14)는, 스위칭 증폭부(20)에서의 센서 신호(SC)에 근거하여, 데드타 임 제어정보(DP)를 생성하고 데드타임 설정부(12)에 공급하고, MOSFET(201, 202, 203, 204)의 동작상태에 따라 데드타임을 가변한다.

도 4는 스위칭 증폭부(20)의 구성을 나타내고 있다. 스위칭 증폭부(20)는, 스위칭소자로서 N채널 MOSFET를 이용하고, MOSFET(201, 202) 및 MOSFET(203, 204)를 각각 쌍으로 하는 것으로, 풀 브릿지 방식의 스위칭 증폭부로 되어 있다.

MOSFET(201, 203)의 드레인에는, 전원 전압(VBB)이 인가된다. MOSFET(201)의 소스는 MOSFET(202)의 드레인과 접속되어 있고, MOSFET(202)의 소스는 접지되어 있다. 동일하게 MOSFET(203)의 소스는 MOSFET(204)의 드레인과 접속되어 있고, MOSFET(204)의 소스는 접지되어 있다. MOSFET(201)의 게이트에는 구동부(13)로부터 구동신호(PC-1h)가 공급된다. 또, MOSFET(202, 203, 204)의 게이트에는, 각각 구동부(13)로부터 구동신호(PC-1l, PC-2h, PC-2l)가 공급된다.

MOSFET(201)의 소스와 MOSFET(202)의 드레인의 접속점(TA)은, 저역필터(31)를 거쳐서 스피커(23)의 한 쪽 입력단자와 접속되어 있고, MOSFET(203)의 소스와 MOSFET(204)의 드레인의 접속점(TB)은, 저역필터(32)를 거쳐서 스피커(23)의 다른 쪽 입력단자와 접속되어 있다.

또, 스위칭 증폭부(20)에는, 스위칭 소자의 동작상태를 검출하는 검출부가 설치되어 있다. 예를 들면, 검출부로서 서미스트나 열전대등의 온도센서(205)가 설치되어 있고, 스위칭 소자에서의 손실에 따라 변화하는 스위칭 소자의 온도를 온도센서(205)에서 검출하고, 검출결과를 나타내는 센서신호(SC)를 생성하고 제어부(14)에 공급한다.

도 5는, D급 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5a~도 5d는, 변조처리부(11)에서 생성된 PWM신호(PA-1h, PA-1l, PA-2h, PA-2l)를 나타내고 있다. 상술하는 바와 같이, PWM신호(PA-1h)는 하이 사이드의 MOSFET(201)를 구동하기 위해 이용되는 신호이며, PWM신호(PA-1l)는 로우 사이드의 MOSFET(202)를 구동하기 위해 이용되는 신호이다. 또, PWM신호(PA-2h)는 하이 사이드의 MOSFET(203)를 구동하기 위해 이용되는 신호이며, PWM신호(PA-2l)는 로우 사이드의 MOSFET(204)를 구동하기 위해 이용되는 신호이다. 도 5e는 접속점(TA)의 전압, 도 5f는 접속점(TB)의 전압을 나타내고 있다. 또, PWM신호가 하이레벨「H」로 되면 MOSFET는 온 상태로 되며, PWM신호가 로우 레벨「L」로 되면 MOSFET는 오프 상태로 된다. 이 때문에, MOSFET(201, 204)가 온 상태에서, MOSFET(202, 203)가 오프 상태로 되는 기간(TMa)에서는, 도 5g에 나타내는 바와 같이, 스피커(23)에 흐르는 전류(Isp)의 방향은, 저역필터(31)에서 스피커(23)를 거쳐서 저역필터(32)로 흐르는 방향인 전류방향(FA)으로 된다. 또, MOSFET(201, 204)가 오프 상태에서, MOSFET(202, 203)가 온 상태로 되는 기간(TMb)에서는, 저역필터(32)에서 스피커(23)를 거쳐서 저역필터(31)의 흐르는 방향인 전류방향(FB)으로 된다.

도 6은, 제어부(14)의 데드타임 제어동작을 나타내는 플로차트이다. 스텝(ST1)에서 제어부(14)는, 온도센서(205)에서의 센서 신호(SC)에 근거하여, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 상승하고 임계치에 이르렀는지 아닌지를 판별한다. 여기서, 임계치에 이르렀을 때는 스텝(ST2)으로 진행하고, 이르지 않았을 때는 스텝(ST4)으로 진행된다.

스텝(ST2)에서 제어부(14)는, 데드타임이 최대로 되어 있는지 아닌지를 판별한다. 상술한 바와 같이, 데드타임을 설치하면 스위칭 소자가 온 상태로 되는 타이밍이 지연되므로, 데드타임이 길게 되면 일그러짐이 커져 버린다. 이 때문에, 일그러짐이 허용 가능한 최대치로 되는 데드타임을 최대 데드타임으로서 설정하고, 데드타임이 최대 데드타임으로 되었는지 아닌지를 판별한다.

여기서, 데드타임이 최대로 되어 있지 않을 때는 스텝(ST3)으로 진행하고, 데드타임 설정부(12)를 제어하고 데드타임을 길게 하고 스텝(ST7)으로 진행한다. 예를 들면 논리 디바이스의 종속접속수를 증가시키고 데드타임을 길게 한다. 또, 데드타임이 최대로 되어 있을 때는 스텝(ST8)으로 진행한다.

스텝(ST1)에서 스텝(ST4)으로 진행하면, 제어부(14)는, 온도센서(205)에서의 센서 신호(SC)에 근거하여, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 하강하고 임계치에 이르렀는지 아닌지를 판별한다. 여기서, 임계치에 이르렀을 때는 스텝(ST5)으로 진행하고, 이르지 않았을 때는 스텝(ST7)으로 진행한다.

스텝(ST5)에서 제어부(14)는, 데드타임이 최소로 되어 있는지 아닌지를 판별한다. 데드타임이 최소로 되어 있지 않을 때는 스텝(ST6)으로 진행하고, 데드타임 설정부(12)를 제어하고 데드타임을 짧게 하고 스텝(ST7)으로 진행한다. 예를 들면 논리 디바이스의 종속접속수를 감소시켜 데드타임을 짧게 한다. 또, 데드타임이 최소로 되어 있을 때는 스텝(ST7)으로 진행한다.

스텝(ST7)에서는, D급 증폭기의 동작 종료인지 아닌지를 판별한다. 여기서, 동작 종료조작등이 행해지고, D급 증폭기의 동작을 종료할 경우에는 제어 동작을 종료한다. D급 증폭기의 동작 종료가 아닐 때는 스텝(ST1)으로 복귀한다.

또, 스텝(ST2)에서 데드타임이 최대라고 판별되어 스텝(ST8)으로 진행하면, 제어부(14)는, 스텝(ST1)에서 온도가 이르렀다고 판별한 임계치가, 최고 온도의 임계치인지 아닌지를 판별한다. 여기서, 최고온도의 임계치가 아닐 때는 스텝(ST1)으로 복귀하고, 최고온도일 때는 스텝(ST9)으로 진행한다.

스텝(ST9)에서 제어부(14)는, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 최고온도의 임계치에 이르고 있고, 데드타임을 더욱 길게 할 수 없기 때문에, 과대한 발열에 의한 스위칭 소자의 파괴를 방지하기 위해서 동작 강제정지처리를 행하고, 스위칭 소자의 동작을 정지시킨다. 예를 들면, MOSFET(201, 202, 203, 204)가 모두 오프 상태로 되도록 구동신호(PC-1h, PC-1l, PC-2h, PC-2l)를 생성시킨다. 혹은 스위칭 소자에 대해서의 전원 전압(VBB)의 인가를 정지시킨다.

도 7은, 데드타임 제어동작을 설명하기 위한 도면이다. D급 증폭기의 동작이 개시되고, 도 7a에 나타내는 바와 같이 스위칭 증폭부(20)의 온도가 상승하고 시점(t1)에서 임계치(LTb)에 이르렀을 때, 제어부(14)는 데드타임 설정부(12)를 제어하고, 도 7b에 나타내는 바와 같이 데드타임을 Wa에서 Wb로 길게 한다. 데드타임을 증가함으로써 스위칭 증폭부(20)에서의 발열이 적게 되어 온도가 하강하고 시점(t2)에서 임계치(LTa)에 이르렀을 때, 제어부(14)는, 데드타임 설정부(12)를 제어하고, 데드타임을 Wb에서 Wa로 짧게 한다. 그 후, 온도가 상승하고 시점(t3)에서 임계치(LTb)에 이르렀을 때, 제어부(14)는 데드타임 설정부(12)를 제어하고, 데드타임을 Wa에서 Wb로 길게 한다. 이하 동일하게 하고, 스위칭 증폭부(20)의 온 도에 따라, 데드타임을 조정한다. 또한, 임계치를 더욱 많이 설치하는 것으로 하면, 데드타임을 더욱 상세하게 제어할 수 있다.

이와 같이, 신호생성부(10)에서는, 논리 디바이스의 전반지연시간을 이용하고 PWM신호를 지연시킴으로써, 스위칭 소자에 대하여 데드타임이 설정된다. 또, 스위칭 증폭부(20)의 온도에 따라 가변된다. 이 때문에, 데드타임의 불균일이 적게 되며, 스위칭 증폭부(20)의 온도에 따라 데드타임을 정밀도 좋게 가변할 수 있다.

또, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 상승하고 임계치에 이를 때마다 데드타임이 길게 되며, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 하강하고 임계치에 이를 때마다 데드타임이 짧아지게 한다. 이 때문에, MOSFET(201, 202, 203, 204)의 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 방지할 수 있다. 또, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 낮게 되면 데드타임이 짧게 되므로, 재생음성의 일그러짐을 적게 하는 것이 가능하며, 양호한 오디오 특성을 얻을 수 있다. 또한, 데드타임을 제어하고 MOSFET(201, 202, 203, 204)의 발열을 낮게 억제하는 것이 가능하게 되는 것으로, MOSFET(201, 202, 203, 204)가 장착되는 히트 싱크의 사이즈를 작게 하거나, 혹은 히트 싱크를 불필요로 하고, D급 증폭기를 염가로 제공할 수 있다. 또, 프로그램 가능한 논리 디바이스를 이용하고 데드타임의 설정을 행하고, 스위칭 소자의 동작 상태에 따라 프로그램을 생성하고, 이 프로그램 가능한 논리 디바이스가 제어되므로, 앰프 동작중에 데드타임을 자유롭게 가변할 수 있다.

그런데, 상술의 실시의 형태에서는, 프로그램 가능한 논리 디바이스를 이용 하고 데드타임 설정부(12)를 구성하는 것으로 했지만, 데드타임 설정부(12)는 프로그램 가능한 논리 디바이스를 이용하는 것에 한정되는 것은 아니다.

도 8은, 데드타임 설정부의 다른 구성을 나타내고 있다. 데드타임 설정부(12a)는, 변조처리부(11)에서 생성된 PWM신호마다, 동등한 회로구성의 타이밍 조정회로(12a-1h, 12 a-1l, 12a-2h, 12a-2l)가 설치되어 있다.

타이밍 조정회로(12a-1h)는, 예를 들면 인버터를 쌍으로 하여 설치하고 지연 소자를 구성하고, 이 지연소자의 종속접속수를 바꾼 복수의 지연발생회로(123-1~123-n)를 가지고 있다. 이 타이밍 조정회로(12-1h)에 입력된 PWM신호(PA-1h)는, AND 게이트(121)의 한쪽 입력단자와 지연발생회로(123-1~123-n)에 공급된다. 지연발생회로(123-1~123-n)는, 공급된 PWM신호(PA-1h)를 각각 다른 지연량으로 지연시키고 신호선택부(124)에 공급한다. 신호선택부(124)는, 제어부(14)로부터 공급된 데드타임 제어정보(DP)에 근거하여 지연발생회로의 선택을 행하고, 선택된 지연발생회로에서 공급된 신호를 AND게이트(121)에 공급한다. AND게이트(121)는, 공급된 2개의 신호의 논리적신호를 생성하고 PWM신호(PB-1h)로서 구동부(13)에 공급한다.

타이밍 조정회로(12a-1l, 12a-2h, 12a-2l)는, 타이밍 조정회로(12a-1h)와 동일하게 하고, PWM신호(PA-1l, PA-2h, PA-2l)에 있어서의 상승 타이밍을 소망의 지연량만 정밀도 좋게 지연시킨 신호를 생성하고, 이 신호를 PWM신호(PB-1l, PB-2h, PB-2l)로서 구동부(13)에 공급한다.

여기서, 제어부(14)는, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 상승하고 임계치에 이를 때마다 선택하는 지연발생회로를 전환하고, 데드타임을 길게 시킨다. 또, 제어부(14)는, 스위칭 증폭부(20)의 온도가 하강하고 임계치에 이를 때마다 선택하는 지연발생회로를 전환하고, 데드타임을 짧게 시킨다. 이와 같이, 스위칭 증폭부(20)의 온도에 따라 지연발생회로를 선택하고, 이 선택한 지연발생회로로부터 출력되는 신호를 이용하는 것으로, 데드타임을 용이하게 가변할 수 있다.

그런데, 상술의 형태에서는, 스위칭 소자의 동작 상태로서 스위칭 소자에서의 손실에 따라 변화하는 스위칭 소자의 온도를 검출하는 것으로 했지만, 스위칭 소자에 흐르는 전류에 따라 스위칭 소자에서의 손실이 변화하는 것이기 때문에, 스위칭 소자의 동작 상태로서 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하고, 검출결과에 근거하여 데드타임을 가변하는 것으로 해도 좋다. 도 9는 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하는 경우의 스위칭 증폭부(20a)의 구성을 나타내고 있다.

전원 전압(VBB)은 전류 검출용의 저항기(207)를 거쳐서 MOSFET(201, 203)의 드레인에 공급된다. 저항기(207)의 한쪽 단자는 연산증폭기(208)의 반전입력단자, 다른 쪽 단자는 비반전 입력단자와 접속된다. 또, 연산증폭기(208)의 출력단자와 반전입력단자간에는 귀환저항기(209)가 설치된다. 이 경우, 저항기(207)의 단자간에는, MOSFET(201, 203)에 흐르는 전류에 따른 전압이 발생하기 때문에, 연산증폭기(208)에서의 출력신호는, MOSFET(201, 203)에 흐르는 전류에 따른 신호로 된다. 이 때문에, 연산증폭기(208)에서의 출력신호를 센서 신호(SC)로서 제어부(14)에 공급하고, 센서 신호(SC)에 의하여 나타낸 전류가 임계치보다도 크게 될 때에는 데드타임이 길어지도록 데드타임 설정부(12)를 제어 하고, 전류가 임계치보다도 작게 될 때에는 데드타임이 짧아지도록 데드타임 설정부(12)를 제어한다. 이와 같이, 스위칭 소자에 흐르는 전류에 따라 데드타임을 제어하면, MOSFET(201, 202, 203, 204)의 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 방지할 수 있다. 또, 양호한 오디오 특성을 얻을 수 있다. 게다가 MOSFET(201)에 흐르는 전류와 MOSFET(202)에 흐르는 전류를 개개로 검출하고, MOSFET(201)에 흐르는 전류에 따라 MOSFET(201, 202)의 데드타임을 제어하고, MOSFET(203)에 흐르는 전류에 따라, MOSFET(203, 204)의 데드타임을 제어하면, 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 보다 확실히 방지할 수 있는 동시에, 또한 양호한 오디오 특성을 얻을 수 있다.

또한, 제어부(14)는 데드타임의 전환 후, 소정 기간은 데드타임의 전환을 금지하는 불감대를 설치하는 것으로 해도 좋다. 이 경우, 예를 들면 스위칭 소자에 흐르는 전류가 격렬하게 변화해도, 흐르는 전류에 따라 데드타임이 빈번히 전환되지 않고, 안정한 동작을 얻을 수 있다.

또, 상술의 형태의 스위칭 증폭부(20, 20a)는, N채널 MOSFET를 이용하고 풀 브릿지 방식의 스위칭 증폭부를 구성하는 것으로 했지만, P채널 MOSFET를 이용하고 스위칭 증폭부를 구성하는 것으로 해도 좋다. 도 10은, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용한 스위칭 증폭부(20b)의 구성을 나타내고 있다.

이 경우, P채널 MOSFET(210, 211)의 소스에 전원 전압(VBB)이 공급된다. 또, MOSFET(210)의 드레인은, MOSFET(202)의 드레인과 접속되어 MOSFET(211)의 드레인은, MOSFET(204)의 드레인과 접속된다.

MOSFET(202)의 드레인과 MOSFET(210)의 드레인의 접속점(TC)은, 저역 필터(31)를 거쳐서 스피커(23)의 한쪽 입력단자와 접속되어 있고 MOSFET(204)의 드레인과 MOSFET(211)의 드레인의 접속점(TD)은, 저역필터(32)를 거쳐서 스피커(23)의 다른 쪽 입력단자와 접속되어 있다.

이와 같이, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용할 때, MOSFET(210, 211)의 게이트 전압을 접속점(TC)의 전압보다 높게 하지 않아도, MOSFET(210, 211)을 올바르게 온·오프 시킬 수 있다. 이 때문에, 스위칭 증폭부(20b)에 구동신호를 공급하는 구동부(13a)에는, 부트스트랩회로를 설치할 필요가 없고, N채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용하는 경우에 비해 구성을 간단하게 할 수 있다.

도 11은, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용했을 때의 구동부(13a)의 구성을 나타내고 있다. 구동부(13a)는, PWM신호(PB-1h, PB-1l)에 근거하여 구동신호(PC-1h, PC-1l)를 생성하는 제 1구동부(13a-1)와 제 1구동부(13a-1)와 동일하게 구성되어 PWM신호(PB-2h, PB-2l)에 근거하여 구동신호(PC-2h, PC-2l)를 생성하는 제 2구동부(13a-2)로 구성되어 있다.

여기서, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용했기 때문에, 제 1구동부(13-1)에서는, 인버터(137)에서 PWM신호(PB-1h)의 논리 레벨을 반전시켜 레벨 시프트회로(133)에 공급한다. 또, 레벨 시프트회로(133)와 증폭기(134)에는, 스위칭 증폭부(20, 20a)와 동등한 전원 전압(VBB)을 인가한다. 또, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용했을 때의 지연회로(135)는, 인버터(137)의 전반지연시간과 레벨 시프트 회로(133)에서 PWM신호(PB-1h)의 신호레벨의 변환에 필요로 하는 시간을 가산한 시간만큼만, PWM신호(PB-1l)를 지연시켜 증폭기(136)에 공급한다.

제 2구동부(13a-2)도 제 1구동부(13a-1)와 동일하게 하고, PWM신호(PB-2h, PB-2l)에 근거하여 구동신호(PC-2h, PC-2l)를 생성하고 스위칭 증폭부(20b)에 공급한다.

이와 같이, P채널 MOSFET를 하이 사이드에 이용했을 경우이더라도, 하이 사이드의 PWM신호(PB-1h, PB-2h)의 논리레벨을 반전시킨다, 혹은 변조처리부 또는 데드타임 생성부에서 소망의 논리반전을 시키고 레벨변환을 행하고 구동신호(PC-1h, PC-2h)를 생성하면, P채널 MOSFET(210, 211)은, N채널 MOSFET(201, 203)와 동일한 타이밍으로 온·오프 시킬 수 있으므로, 도 5에 나타내는 동작과 동등하게 되며, 스위칭 소자의 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 방지할 수 있다. 또, 재생음성의 일그러짐을 적게 하고 양호한 오디오 특성을 얻을 수 있다. 또한 구동부의 구성도 간단하게 된다.

이 발명에 의하면, 논리 디바이스의 전반지연 시간을 이용하고 펄스폭 변조신호를 지연시킴으로써, 스위칭 소자에 대하여 데드타임이 설정되고, 이 데드타임은, 스위칭 소자의 동작상태에 따라 가변된다. 이와 같이, 로직 디바이스의 전반지연시간을 이용하고 데드타임을 설정하기 때문에, 데드타임의 불균일이 적게 되며, 스위칭 소자의 동작상태에 따라 데드타임을 정밀도 좋게 가변할 수 있다.

또, 스위칭 소자에서의 손실이 증가하는 동작상태로 되고 검출결과가 미리 설정한 임계치에 이르렀을 때에는 데드타임이 길게 되며, 스위칭 소자에서의 손실 이 감소하는 동작상태로 되고 검출결과가 미리 설정한 임계치에 이르렀을 때에는 데드타임이 짧게 된다. 이 때문에, 스위칭 소자의 온도가 상승했을 때는 데드타임이 길게 되고, 스위칭 소자의 과대한 발열이나 과대한 발열에 의한 소자의 파괴를 방지할 수 있다. 또, 스위칭소자의 발열이 크지 않을 때 에는 데드타임이 짧게 되고, 오디오 특성을 양호한 것으로 할 수 있다. 또한, 스위칭 소자의 발열을 낮게 억제할 수 있으므로, 히트싱크가 불필요 또는, 히트싱크의 사이즈를 작게 할 수 있고, D급 증폭기를 염가로 제공할 수 있다.

또, 프로그램 가능한 논리 디바이스를 이용하고 데드타임의 설정을 행하고, 스위칭 소자의 동작상태에 따라 프로그램을 생성하고, 이 프로그램 가능한 로직 디바이스를 제어함으로써 데드타임이 가변된다. 이 때문에, 데드타임을 자유롭게 가변할 수 있다.

또, 논리 디바이스를 이용하여 구성된 전반지연시간이 다른 복수의 지연회로를 설치하고, 스위칭 소자의 동작상태에 따라 지연회로의 선택을 행하는 것으로 데드타임이 가변된다. 이 때문에, 데드타임을 용이하게 가변할 수 있다.

Claims

쌍으로 되어 있는 스위칭 소자를 구동하고, 펄스 증폭한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 증폭수단과,

상기 스위칭 소자를 구동하기 위한 펄스폭 변조신호를 생성하고 상기 스위칭 증폭수단에 공급하는 신호생성수단을 가지는 D급 증폭기에 있어서,

상기 스위칭 증폭수단에는, 상기 스위칭 소자의 동작상태를 검출하는 검출수단을 설치하고,

상기 신호생성수단에는, 논리 디바이스의 전반지연시간을 이용하고 상기 펄스폭 변조신호를 지연시킴으로써, 상기 스위칭 소자에 대하여 데드타임을 설정하는 데드타임 설정수단과, 상기 검출수단에서의 검출결과에 근거하여 상기 데드타임 설정수단을 제어하고, 상기 데드타임을 상기 스위칭 소자의 동작 상태에 따라 가변시키는 제어수단을 설치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
제 1항에 있어서,

상기 제어수단은, 상기 검출수단에서의 검출결과에 근거하여, 상기 스위칭 소자에서의 손실이 증가하는 동작상태로 되는 이 검출결과가 미리 설정한 임계치에 이르렀을 때에는 상기 데드타임을 길게 하고, 상기 스위칭 소자로의 손실이 감소하는 동작상태로 되며 이 검출결과가 미리 설정한 임계치에 이르렀을 때에는 상기 데드타임을 짧게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
제 1항에 있어서,

상기 데드타임 설정수단은, 프로그램 가능한 논리 디바이스를 이용하여 구성하고,

상기 제어수단은, 상기 검출수단에서의 검출결과에 근거하여 프로그램을 생성하고 상기 데드타임 설정수단에 공급하고, 상기 데드타임을 가변시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
제 1항에 있어서,

상기 데드타임 설정수단은, 논리 디바이스를 이용하여 구성된 전반지연시간의 다른 복수의 지연회로를 가지고,

상기 제어수단은, 상기 검출수단에서의 검출결과에 근거하여 상기 지연회로의 선택을 행하는 것으로 상기 상기 데드타임을 가변시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
제 1항에 있어서,

상기 검출수단은, 상기 스위칭 소자의 동작상태로서 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.
제 1항에 있어서,

상기 검출수단은, 상기 스위칭 소자의 동작상태로서 상기 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 D급 증폭기.