KR20130110666A

KR20130110666A - 전압 조절 장치

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Publication number: KR20130110666A
Application number: KR1020120032802A
Authority: KR
Inventors: 남재국; 김영복; 권기대; 홍윤선; 김영수; 임병철; 김규식; 고광련; 조갑제; 이현욱; 임채호; 김태원
Original assignee: (주)에프알텍
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10
Also published as: KR101318802B1

Abstract

본 발명은 전압 조절 장치에 관한 것으로, 입력 신호를 증폭하기 위한 푸시풀(push-pull) 구조의 증폭기에서 풀 다운(pull down) 부분 대신에 음극이 부하 방향을 향하도록 배치한 방향성 다이오드인 제1 다이오드(diode)를 포함시키고 풀 업(pull up) 경로만을 사용하는 선형 증폭 모듈, 상기 선형 증폭 모듈에서 공급하는 전압과 부하에 걸리는 전압 간의 차이를 감지하여 제어 신호를 전달하는 신호 감지 모듈, 및 상기 신호 감지 모듈의 제어 신호에 따라 부하로 전력을 전달하는 하나 이상의 전압 가변 모듈을 포함하며, 이로 인해 부하로 전달하는 전력의 효율을 높일 수 있다.

Description

전압 조절 장치 {Voltage modulator}

본 발명의 전압 조절 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하로 전달하는 전력의 효율을 개선할 수 있는 구조를 갖는 전압 조절 장치에 관한 것이다.

통신 기술과 이에 따른 단말기의 개발은 통신 속도 향상과 함께 사용자의 다양한 욕구를 충족시키는 방향으로 진행되고 있다.

사용자는 좀 더 빠르게 통신하고 데이터를 처리하는 단말기를 원할 뿐만 아니라, 통신 기능을 넘어 다양한 기능을 제공하는 단말기를 선호한다.

그러나 이는 단말기의 전력 소모를 가중시키는 결과를 낳고 있으며, 이를 개선하기 위해 배터리의 성능 향상을 위한 연구가 진행되고 있을 뿐 아니라, 전력 소모의 대부분을 차지하는 전력 증폭기의 효율을 향상시키기 다양한 노력이 경주되고 있다.

기존에 대표적으로 사용되던 전력 증폭기 중 하나는 도허티 증폭기(Doherty amplifier)이다.

도허티 증폭기는 기본 신호를 증폭하는 주 증폭기와 피크 신호를 증폭하는 보조 증폭기를 위상을 조절하여 출력에서 합성되도록 구성된 대전력 송신기용 고능률 변조 증폭기이다.

그런데 일반적인 도허티 증폭기는 평균 전력에 대한 첨두 전력의 비율인 PAR(Peak to Average Ratio)가 높아질수록 효율이 떨어지는 한계가 있어 이를 개선하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명의 목적은 입력 신호를 증폭하는 영역에서 전력 누수를 최소화하고, 전압 가변 영역의 사용빈도를 높여 부하로 전달되는 전체 전력의 효율을 향상할 수 있는 전압 조절 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전압 조절 장치는, 입력 신호를 증폭하기 위한 푸시풀(push-pull) 구조의 증폭기에서 풀 다운(pull down) 부분 대신에 음극이 부하 방향을 향하도록 배치한 방향성 다이오드인 제1 다이오드(diode)를 포함시키고 풀 업(pull up) 경로만을 사용하는 선형 증폭 모듈, 상기 선형 증폭 모듈에서 공급하는 전압과 부하에 걸리는 전압 간의 차이를 감지하여 제어 신호를 전달하는 신호 감지 모듈, 및 상기 신호 감지 모듈의 제어 신호에 따라 부하로 전력을 전달하는 하나 이상의 전압 가변 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전압 조절 장치에 있어서, 상기 선형 증폭 모듈은 상기 풀 업 회로와 캐스케이드(cascade) 방식으로 구성되고, 상기 입력 신호를 증폭하여 상기 풀 업 회로로 전달하는 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전압 조절 장치에 있어서, 상기 신호 감지 모듈은 감지저항 양단에 걸리는 전압 간의 차이에 따라 상기 제어 신호를 출력하는 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전압 조절 장치에 있어서, 상기 신호 감지 모듈은 상기 전압 가변 모듈과의 격리를 위한 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전압 조절 장치에 있어서, 상기 전압 가변 모듈은 상기 신호 감지 모듈의 제어 신호와 기준 신호의 전압 차이가 일정치 이상인 경우 상기 부하로 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전압 조절 장치에 있어서, 상기 전압 가변 모듈은 트랜지스터와, 상기 트랜지스터에서 공급되는 전류에 따라 부하로 전력을 전달하는 인덕터(inductor) 및 상기 제어 신호와 기준 신호의 전압 차이에 따라 상기 트랜지스터를 구동하는 전압을 전달하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전압 조절 장치에 있어서, 상기 트랜지스터가 동작하지 않을 때 상기 인덕터로 전류를 공급하는데 활용되는 제2 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전압 조절 장치에 의하면, 입력 신호를 증폭하는 선형 증폭 부에서, 기준 전압 이하의 상태일 때 푸시풀(push-pull) 증폭기의 풀 다운(pull down) 회로에 의한 전력 누수를 방지할 수 있고, 전력 전달의 효율이 개선된다.

또한, 크기가 큰 입력 신호는 전력 증폭기에서도 많은 전류를 필요로 하기 때문에 선형 증폭 모듈에서의 전압 증폭에 따라 부하에 충분한 전류를 공급하기 어려운데, 본 발명에서는 전압 가변 모듈을 이용하여 부하에 충분한 전류를 공급하는 것이 가능해지며, 전력 전달 효율이 개선된다.

또한, 전력 증폭기의 최종 디바이스의 최소 전압 레벨을 유지함으로써 디바이스 내의 기본 채널을 유지하기 때문에 전력 증폭기 전체의 선형성을 개선하는 효과가 있다.

또한, 복수의 전압 가변 모듈을 채용함으로써 증가하는 사이즈에 따라 발열에 대한 부담을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 조절 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 전압 조절 장치의 구성도이다.
도 3은 비교예의 전압 조절 장치에 따른 선형 증폭 영역의 예시도이다.
도 4는 도 1의 실시예에 따른 선형 증폭 모듈의 구성도이다.
도 5는 도 1의 실시예에 따른 신호 감지 모듈의 구성도이다.
도 6은 도 1의 실시예에 따른 전압 가변 모듈의 구성도이다.
도 7은 비교예의 전압 조절 장치에 따른 출력 파형의 시뮬레이션 결과도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 파형의 시뮬레이션 결과도이다.
도 9는 비교예의 전압 조절 장치에 따른 출력 파형과 본 발명의 전압 조절 장치에 따른 출력 파형의 시뮬레이션 비교도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

전력증폭기는 입력 신호의 최대 피크(peak) 출력인 경우를 기준으로 충분한 전압을 공급해야 한다. 그러나 고정된 공급 전압은, 입력 신호의 피크 출력이 낮을 경우, 신호 증폭 이외 불필요한 전압 레벨(level)을 유지하기 때문에 추가적인 전력 소모를 갖게 된다.

이러한 문제를 개선하기 위해 본 발명에서는 포락선(envelope curve)을 이용하여 바이어스 컨트롤(bias control)을 하는 방법으로 높은 효율을 유지하는 기술을 제안한다.

본 발명에서 제안하는 포락선 추척(envelope tracking)을 이용한 바이어스 컨트롤(bias control) 기술은, 전력 증폭기에 전달되는 입력 신호(input signal)의 포락선에 따라, 전력 증폭기 최종 단의 바이어스를 적절히 조절하는 방법이다.

본 발명은, 포락선의 피크에 근거하여 드레인 바이어스(drain bias) 변조 방식을 채용한 전압 조절 장치(voltage modulator)에 관한 것으로서, 이를 통해 전력 증폭기가 최대 출력에 도달할 수 있게 직류 바이어스(DC bias) 상태를 유지해야 함으로써 발생하는 효율 감소 문제를 개선할 수 있다.

본 발명에서는 고정된 전압을 공급하는 대신, 입력 신호의 크기에 따라 전달되는 전압의 크기를 가변함으로써 낮은 입력 신호에 대해서도 높은 효율을 유지하도록 하고, 최종 전력 증폭 소자(final power amplifier device)의 전원을 적절히 조절함으로써 불필요한 전력 소모를 최소화 할 수 있다.

이와 같은 동작을 수행하는 전압 조절 장치의 구조 및 동작에 대해서는 아래 도면을 참조하여 좀 더 자세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 조절 장치(100)의 블록도이고, 도 2는 도 1의 실시예에 따른 전압 조절 장치의 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 전압 조절 장치(100)는 선형 증폭 모듈(10), 신호 감지 모듈(20), 및 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)을 포함하여 구성된다.

선형 증폭 모듈(10)은 포락선 신호(envelope signal)와 같은 입력 신호를 선형적으로 증폭하는 역할을 한다. 일반적으로 포락선 신호는 1(V) 이내의 신호이기 때문에, 선형 증폭 모듈(10)을 통해, 전력 증폭기에 필요한 크기 만큼 입력 신호를 증폭하는 역할을 한다.

트랜지스터를 이용한 전력 증폭기에서는 2개의 트랜지스터를 이용하여 한쪽은 양(+), 다른 쪽은 음(-)의 증폭을 담당하게 하는 푸시풀(push pull) 구조의 증폭기를 사용할 수 있는데, 푸시풀 회로의 입력 신호가 기준 전압 이하인 경우 부하(40)에 공급되는 전류가 풀 다운(pull down) 영역으로 빠져나가, 이에 의한 전력 누수가 발생하게 된다.

이에 본 발명의 선형 증폭 모듈(10)은 입력 신호를 증폭하기 위한 푸시풀 구조의 증폭기에서 풀 다운 부분 대신에, 음극이 부하(40) 방향을 향하는 방향성 다이오드인 제1 다이오드를 포함시키고, 부하 방향으로의 전력 전달에 있어 풀 업(pull up) 경로만을 사용하여, 풀 다운 영역에 의한 전력 누수를 방지한다.

본 발명의 선형 증폭 모듈(10)은 입력 신호를 증폭하는 하나 이상의 연산 증폭기를 포함할 수 있으며, 이때 하나 이상의 연산증폭기는 풀 업 회로와 캐스케이드(cascade) 방식으로 구성될 수 있다.

신호 감지 모듈(20)은 선형 증폭 모듈(10)에서 공급하는 전압과 부하(40)에 걸리는 전압 간의 차이를 감지하여 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)로 제어 신호를 전달하는 역할을 한다.

신호 감지 모듈(20)이 전달하는 제어 신호는, 선형 증폭 모듈(10)에서 부하 측으로 공급할 수 있는 전압보다, 큰 전압을 요하는 입력 신호에 대한 전력 공급을 위해 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)로 전달되는 신호이다.

즉, 본 발명의 신호 감지 모듈(20)은 공급 전압과 부하(40)에 걸리는 전압의 차이가 일정치 이하인 경우 선형 증폭 모듈(10)에서 부하(40)로 전력이 전달되도록 하고, 해당 전압의 차이가 일정치 이상인 경우 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)에서 부하(40)로 전력이 전달되도록 하는 제어 신호를 전달한다.

전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)은 신호 감지 모듈(20)의 제어 신호에 따라 부하(40)로 전력을 전달하는 하는 역할을 한다. 본 발명의 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)은 선형 증폭 모듈(10)에서 공급할 수 없는 큰 전압을 요하는 입력 신호에 대해 전류를 공급해 주는 역할을 한다.

도 2의 실시예에서 전압 가변 모듈(30)은 복수의 전압 가변 모듈(30-1, 30-2)을 포함하고 있다. 이는 제어 신호에 따라 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)이 동작하는 영역을 다변화하고, 공급 전력 대비 변화 효율이 우수한 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)의 사용빈도를 높이기 위함이다.

본 발명의 기술적 범위는 도 2를 참조하여 설명한 실시예와 같이 두 개의 전압 가변 모듈(30-1, 30-2)을 채용하는 것에 한정되는 것이 아니며, 하나 이상의 전압 가변 모듈(30)을 포함하는 모든 실시예 또한 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)은 신호 감지 모듈(20)의 제어 신호를 기준 신호와 비교하여, 그 차이가 일정치 이상인 경우 직접 부하(40)로 전력을 전달하게 된다.

크기가 큰 입력 신호의 경우 전력 증폭기에서도 많은 전류를 필요로 하기 때문에 선형 증폭 모듈(10)에서의 전압 증폭에 따라 부하(40)에 충분한 전류를 공급하기 어려운데, 본 발명에서는 신호 감지 모듈(20)의 제어 신호에 따라 전압 가변 모듈(30, 30-1, 30-2)을 이용하여 부하(40)에 충분한 전류를 공급하는 것이 가능해진다.

반대로 신호 감지 모듈(20)에서 출력된 제어 신호와 기준 신호와의 차이가 일정치 이하인 경우, 즉, 상대적으로 크기가 작은 입력 신호가 입력된 경우에는, 선형 증폭 모듈(10)에서 직접 부하(40)로 전력을 전달하게 된다.

본 발명에 따른 전압 조절 장치(100)의 구성과 기능에 대해서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 비교예의 전압 조절 장치에 따른 선형 증폭 영역의 예시도이다.

도 3을 참조하면, 비교예의 선형 증폭 영역은 입력 신호를 증폭하기 위한 연산증폭기(17)와, 풀 업(18) 및 풀 다운(19) 회로를 포함한 푸시풀 구조의 증폭기를 포함한다.

본 비교예에서는 입력 신호를 증폭한 연산증폭기(17)의 출력에 따라, 풀 업(18) 및 풀 다운(19) 회로 각각의 입력 신호를 반대 방향으로 가하고, 각각의 회로(18, 19)는 양(+)과 음(-)의 신호를 증폭한다.

그런데, 이와 같은 비교예의 회로에서는 연산증폭기(17)에서 출력된 풀 다운(19) 회로의 입력 신호가 기준 전압 이하인 경우, 부하에 공급되어야 하는 전류가 풀 다운(19) 경로를 통해 빠져나가게 되어 전력 누수가 발생하게 된다.

도 4는 도 1의 실시예에 따른 전압 조절 장치(100)에 포함된 선형 증폭 모듈(10)의 구성도이다.

도 4는 도 3의 비교예에서 발생하게 되는 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서 제안하는 선형 증폭 회로의 일 예이다.

선형 증폭 모듈(10)은 본 발명의 전압 조절 장치(100)에 입력된 신호를 선형적으로 증폭하고 신호 감지 모듈(20)로 전달하는 역할을 한다.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 선형 증폭 모듈(10)은, 캐스케이드 방식으로 구성된 연산증폭기(11) 및 푸시풀 구조의 증폭기 중 풀 업(12) 회로, 제1 다이오드(13)를 포함하여 구성된다.

도 4에서 입력 신호를 증폭하는 연산증폭기(11)가 두 개의 증폭기를 연결한 구조를 갖고 있으나, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명에 따라 전압 조절 기능을 수행하는 장치에서 연산증폭을 행하는 어떠한 구성의 회로도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

도 4의 실시예에서 선형 증폭 모듈(10)은 푸시풀 구조의 증폭기 중 풀 다운 부분 대신에, 음극(-)이 부하 방향을 향하는 방향성 다이오드인 제1 다이오드(13)를 배치하고, 부하 방향으로 전달하는 신호는 풀 업(12) 경로 만을 이용한다.

본 실시예에서는 제1 다이오드(13)를 배치함으로써, 연산증폭기(11)에서의 출력 전압이 기준 전압 이하인 경우, 부하 방향에서 풀 다운 회로 방향으로 흐르는 전류를 방지할 수 있고, 불필요한 전력 누수를 막을 수 있다.

본 실시예에서 풀 업(12) 회로는, 예를 들어, PNP BJT(Bipolar Junction Transistor)의 구조를 채용할 수 있다.

도 5는 도 1의 실시예에 따른 신호 감지 모듈(20)의 구성도이다.

신호 감지 모듈(20)은 선형 증폭 모듈(10)의 출력 신호에 따라 전압 가변 모듈(30)로 제어 신호를 전달하는 역할을 한다.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 신호 감지 모듈(20)은, 차동증폭기(21), 감지저항(22) 및 버퍼(23)를 포함하여 구성된다.

감지저항(22)은 신호 감지 모듈(20)이 전압을 측정하는데 기준이 되는 저항으로서, 감지저항(22)의 한 쪽 단에는 선형 증폭 모듈(10)에서 신호 감지 모듈(20)로 전달된 전압이 걸리고, 반대쪽 단에는 부하에 전달되는 전압이 걸리게 된다.

차동증폭기(21)는 입력 신호의 차에 비례하여 출력 신호를 전달하는 기능을 하는 증폭기의 일종으로, 감지저항(22) 양 단에 걸리는 전압 간의 차이에 따라 제어 신호를 출력한다.

버퍼(23)는 신호 감지 모듈(20)이 전압 가변 모듈(30)에 영향을 받는 것을 방지하는 회로로서, 신호 감지 모듈(20)과 전압 가변 모듈(30)의 격리도를 높이는 역할을 한다.

본 실시예에서 버퍼(23)는 차동증폭기(21)의 출력 신호를 전달받아 전압 가변 모듈(30)로 제어 신호를 전달하는 역할을 한다.

도 6은 도 1의 실시예에 따른 전압 가변 모듈(30)의 구성도이다.

전압 가변 모듈(30)은 신호 감지 모듈(20)의 제어 신호에 따라 부하(40)로 전력을 전달하는 역할을 한다.

도 6을 참조하면, 본 실시예의 전압 가변 모듈(30)은 비교기(31), 트랜지스터(32), 인덕터(33), 제2 다이오드(34)를 포함하여 구성된다.

비교기(31)는 신호 감지 모듈(20)로부터 전달된 제어 신호와 기준 신호와의 전압 차이에 따라 출력 신호를 트랜지스터(32)로 전달하며, 이러한 동작을 통해 트랜지스터(32)의 구동을 위한 스위치(switch) 역할을 한다.

트랜지스터(32)는, 비교기(31)에서 전달된 출력 신호에 따라 인덕터(33)로 전류를 공급하는 역할을 하며, 예를 들어 전압에 의해 제어되는 FET(Field Effect Transistor)를 포함하여 구성될 수 있다.

인덕터(33)는 트랜지스터(32)로부터 공급받는 전류에 따라 부하(40)로 전력을 공급하는 역할을 한다.

제2 다이오드(34)는 트랜지스터(32)가 턴 오프(turn off) 상태인 경우 인덕터(33)에 전류를 공급하기 위해 포함된 소자이다.

본 실시예의 전압 가변 모듈(30)은, 신호 감지 모듈(20)의 제어 신호를 기준 신호와 비교하여, 그 차이가 일정치 이상인 경우 직접 부하(40)로 전력을 전달하게 된다.

전압 조절 장치(100)의 입력 신호가 큰 경우, 전력 증폭기에서도 많은 전류를 필요로 하기 때문에 선형 증폭 모듈(10)에서 증폭된 신호를 이용하여 부하(40)에 충분한 전류를 공급하기 어려운데, 본 발명에서는 신호 감지 모듈(20)의 제어 신호에 따라 전압 가변 모듈(30) 내 인덕터(33)에 전류를 공급하여 충전하고, 이를 이용하여 부하(40)에 전력을 공급하는 것이 가능해진다.

반대로 전압 조절 장치(100)의 입력 신호가 작은 경우, 신호 감지 모듈(20)에서 출력된 제어 신호와 기준 신호와의 차이가 일정치 이하이므로 트랜지스터(32)가 턴 오프(turn off)되고, 선형 증폭 모듈(10)에서 직접 부하(40)로 전력을 전달하게 된다.

본 발명의 전압 조절 장치(100)를 채용한 전력 증폭기의 출력 파형과 그 효율에 대해서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.

도 7은 비교예의 전압 조절 장치에 따른 출력 파형의 시뮬레이션 결과도이다.

도 7에서 아래쪽에 표시된 빨간선은 전압 조절 장치에 입력되는 신호의 파형을 나타내고, 위 쪽에 표시된 파란선은 부하 저항이 10(Ω)인 경우의 출력 신호 파형을 나타낸다.

도 7에서 빨간선은 LTE(Long Term Evolution) 10MHz 신호에서 추출한 포락선 신호(envelope signal)로서 대략 1(V) 이내의 소신호이다.

도 7에서 파란선은 선형 증폭 영역을 거쳐 증폭된 신호로서 부하에 전달된 출력 신호를 나타내며, 대략 최대 26(V)의 진폭을 가진다.

도 7의 시뮬레이션 결과는 선형 증폭 영역에서의 피드백(feedback) 저항 값, 피드백 저항의 위치, 전압 가변 영역의 인덕터 값, 전압 가변 영역 트랜지스터의 스위칭 주기 등의 최적화 작업을 거쳐 LTE(Long Term Evolution) 10MHz 신호에 맞게 튜닝(tuning)한 결과로서, 전압 조절 장치가 입력 신호의 파형을 왜곡없이 증폭하여 부하로 전달하는 것을 확인할 수 있다.

도 7의 비교예에 따른 전압 조절 장치의 변환 효율을 나타낸 표는 다음과 같다.

선형 증폭 영역		전압 가변 영역
선형증폭기의 공급 전력	2.83(W)	전압 가변 영역의 공급 전력	37.74(W)
푸시풀 구조 증폭기의 공급 전력	17.23(W)
전체 공급 전력	20.06(W)
부하에 전달된 전력	4.81(W)	부하에 전달된 전력	34.41(W)
선형 증폭 영역의 효율	23.98(%)	전압 가변 영역의 효율	91.19(%)

<표 1. 푸시풀 구조 증폭기를 채용한 전압 조절 장치의 효율>

표 1을 참조하면, 선형 증폭 영역의 효율은 23.98(%)로서 상대적으로 낮은 효율을 보이며, 단일 전압 가변 영역에서는 90(%) 이상의 효율을 얻을 수 있다.

선형 증폭 영역의 선형증폭기에서 소모되는 전력은 약 2.83(W)로 신호 증폭에 소모되었으며, 푸시풀 구조 증폭기의 공급 전력 중 일부인 4.81(W)가 부하로 전달되어, 선형 증폭 영역은 23.98(%)의 낮은 효율을 보인다.

반면, 단일 전압 가변 영역은 37.74(W)의 전력을 공급받아 부하에 34.41(W)를 전달하였으며, 91.19(%)의 효율을 보인다.

이와 같은 결과에 따른 전압 조절 장치의 전체 효율을 나타낸 표는 다음과 같다.

전체 공급 전력	57.81(W)	부하에 전달된 전력	38.59(W)
전체 효율		66.76(%)

<표 2. 푸시풀 구조 증폭기를 채용한 전압 조절 장치의 전체 효율>

표 2에서 전체 공급 전력은 선형 증폭 영역과 단일 전압 가변 영역에 공급된 전력의 합을 나타내며, 전체 공급 전력 대비 부하에 전달된 전력은 66.76%의 효율을 보인다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 조절 장치(100) 출력 파형의 시뮬레이션 결과도이다.

도 8은 푸시풀 구조의 증폭기에서 풀 다운 부분의 회로 대신에, 음극이 부하 방향을 향하도록 방향성 다이오드를 배치한 선형 증폭 모듈(10)과, 신호 감지 모듈(20)의 제어 신호에 따라 부하에 전력을 공급하는 두 개의 전압 가변 모듈(30) 을 채용한 경우의 파형을 나타낸다.

도 8에서 아래 쪽에 표시된 빨간선은 전압 조절 장치(100)에 입력되는 신호의 파형을 나타내고, 위 쪽에 표시된 초록선은 부하 저항이 10(Ω)인 경우의 출력 신호 파형을 나타낸다.

도 8의 빨간선은 도 7에서와 같이 LTE(Long Term Evolution) 10MHz 신호에서 추출한 포락선 신호(envelope signal)로서 대략 1(V) 이내의 소신호이다.

도 7의 비교예에서 선형 증폭 영역의 효율이 이상적인 이론과 비교해 대략 20(%) 정도의 차이를 보이는데, 이러한 차이 중 상당 부분은 푸시풀 구조의 증폭기에서 풀 다운 경로로 인해 발생한다.

즉, 풀다운 회로는 출력 측 부하의 피드백 신호와의 비교로 동작하는데, 시간상 이전 파형보다 작은 파형이 선형 증폭 영역의 입력 신호로 들어오는 경우, 풀다운 회로가 턴 온(turn on)되어 부하로 전달하는 전류 방향이 반대로 되어 풀다운 회로로 흐르는 전류로 인해 전력 누수가 발생하게 된다.

도 8의 실시예에서는 이러한 전력 누수를 방지하기 위해, 푸시풀 구조의 증폭기에서 풀 다운 부분을 제거하고, 대신에 방향성 다이오드인 제1 다이오드(13)를 채용하였다.

그리고 전압 가변 모듈(30)에서 공급하는 전력의 효율을 향상하기 위해 두 개의 전압 가변 모듈(30)을 채용하였으나, 전압 가변 모듈(30)의 개수에 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것이 아니며, 어떠한 개수의 전압 가변 모듈(30)을 포함하더라도 본 발명에 따른 전압 조절 장치(100)의 기능을 수행하는데 이용되는 이상, 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

도 8을 참조하면 도 7의 시뮬레이션 결과와 비교할 때, 출력 부하에 전달되는 전압의 파형은 일정 크기 이상의 입력 신호에서만 추적(tracking)하고 있다.

이는, 소신호 입력의 경우, 도 7의 비교예에서 풀다운 경로에 의해 빠져나갔던 전류의 흐름이, 도 8 실시예의 제1 다이오드(13)에 의해 차단되고, 전압 가변 모듈(30) 내 인덕터(33)의 방전 슬로프(slope) 값에 천천히 따라가기 때문이다.

이 경우, 최소 레벨을 가지는 전압이 전력 증폭기의 최종 디바이스(device)에 공급됨으로써, 항상 턴 온(turn on) 채널이 존재하게 되지만, 실제 전력 증폭기의 효율 감소는 미미한 편이다.

반면, 전력 증폭기의 최종 디바이스의 최소 전압 레벨을 유지함으로써 디바이스 내의 기본 채널을 유지하기 때문에 전력 증폭기 전체의 선형성에 상당한 이점이 있다.

도 7의 비교예에서 전체 효율이 66.76(%)만 나온 이유는, 전압 가변 영역이 전체 효율에 기여하는 비율이 선형 증폭 영역에 비해 적기 때문이다. 즉, 대부분의 신호 증폭과 이에 따른 효율이 선형 증폭 영역에 치중되어 있어 전압 가변 영역의 변환 효율이 아무리 우수하더라도 전체 효율 개선 효과는 미미하다.

이에, 본 발명에 따른 전압 조절 장치(100)의 전체 효율을 개선하기 위해서는 공급 전력 대비 우수한 변환 효율을 가지는 전압 가변 모듈(30)의 사용 빈도를 높여야 한다. 이에 본 발명에서는 복수의 전압 가변 모듈(30)을 채용한 구조를 해용하는 것이 바람직하며, 도 8의 시뮬레이션 결과는 이러한 구조에 따른 결과값이다.

이러한 복수의 전압 가변 모듈(30) 채용은 전체 크기가 증가하여 발열에 따른 부담을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 8의 실시예에 따른 전압 조절 장치(100)의 변환 효율을 나타낸 표는 다음과 같다.

선형 증폭 모듈(10)		전압 가변 모듈(30)
선형증폭기의 공급 전력	3.23(W)	전압 가변 영역의 공급 전력	43.25(W)
푸시풀 구조 중 풀 업 부분 증폭기의 공급 전력	14.49(W)
전체 공급 전력	17.73(W)
부하에 전달된 전력	7.25(W)	부하에 전달된 전력	40.69(W)
선형 증폭 영역의 효율	40.91(%)	전압 가변 영역의 효율	94.09(%)

<표 3. 제1 다이오드(13) 및 복수의 전압 가변 모듈(30)을 채용한 전압 조절 장치(100)의 효율>

이러한 시뮬레이션 결과는 도 7의 비교예와 마찬가지로, 선형 증폭 영역에서의 피드백(feedback) 저항 값, 피드백 저항의 위치, 전압 가변 영역의 인덕터 값, 전압 가변 영역 트랜지스터의 스위칭 주기 등의 최적화 작업을 거쳐 LTE(Long Term Evolution) 10MHz 신호에 맞게 튜닝(tuning)한 결과이다.

표 3을 참조하면, 본 실시예의 선형 증폭 모듈(10)의 효율은 40.91(%)로서, 도 7 비교예의 선형 증폭 영역의 효율에 비해 대략 16(%) 개선된 효율을 보인다.

또한, 본 실시예의 전압 가변 모듈(30)의 효율은 94.09(%)로서, 도 7 비교예의 전압 가변 영역의 효율에 비해 대략 3(%) 개선된 효율을 보인다.

그리고 도 7 비교예에서 부하로 전달하는 전체 공급 전력 대비 전압 가변 영역에서 공급하는 전력의 비율은 대략 65(%) 정도이나, 도 8의 실시예에서는 전체 공급 전력 대비 전압 가변 모듈(30)에서 공급하는 전력의 비율이 대략 71(%)가 되어, 대략 6(%) 증가하는 효과를 가진다.

이와 같은 결과에 따른 본 실시예의 전압 조절 장치(100)의 전체 효율은 다음과 같다.

전체 공급 전력	60.98(W)	부하에 전달된 전력	47.94(W)
전체 효율		77.74(%)

<표 4. 제1 다이오드(13) 및 복수의 전압 가변 모듈(30)을 채용한 전압 조절 장치(100)의 전체 효율>

표 4에서 전체 공급 전력은 선형 증폭 모듈(10)과 복수의 전압 가변 모듈(30)에 공급된 전력의 합을 나타내며, 전체 공급 전력 대비 부하에 전달된 전력은 77.74%의 효율을 보인다.

표 4의 전체 효율은 도 7 비교예의 전체 효율에 비해 대략 11(%) 개선된 효율을 보인다.

도 9는 비교예의 전압 조절 장치에 따른 출력 파형과 본 발명의 전압 조절 장치(100)에 따른 출력 파형의 시뮬레이션 비교도이다.

도 9에서 파란선은 전압 조절 장치(100)에 입력되는 신호의 파형을 나타내고, 빨간선은 도 7의 비교예에서의 출력 파형을 나타내며, 초록선은 도 8의 실시예에서의 출력 파형을 나타낸다.

빨간선은 전압 조절 장치의 선형 증폭 영역에서 푸시풀 구조의 증폭기를 채용하고, 단일 전압 가변 영역을 채용한 경우의 출력 파형이다.

초록선은 전압 조절 장치(100)의 선형 증폭 모듈(10) 내에 풀 다운 회로 대신 제1 다이오드를 위치시키고, 두 개의 전압 가변 모듈(30)을 채용한 경우의 출력 파형이다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10 : 선형 증폭 모듈 11, 17 : 연산증폭기
12, 18 : 풀 업(pull up) 13 : 제1 다이오드
19 : 풀 다운(pull down) 20 : 신호 감지 모듈
21 : 차동증폭기 22 : 감지저항
23 : 버퍼 30, 30-1, 30-2 :전압 가변 모듈
31 : 비교기 32 : 트랜지스터
33 : 인덕터 34 : 제2 다이오드

Claims

입력 신호를 증폭하기 위한 푸시풀(push-pull) 구조의 증폭기에서 풀 다운(pull down) 부분 대신에 음극이 부하 방향을 향하도록 배치한 방향성 다이오드인 제1 다이오드(diode)를 포함시키고 풀 업(pull up) 경로만을 사용하는 선형 증폭 모듈;
상기 선형 증폭 모듈에서 공급하는 전압과 부하에 걸리는 전압 간의 차이를 감지하여 제어 신호를 전달하는 신호 감지 모듈; 및
상기 신호 감지 모듈의 제어 신호에 따라 부하로 전력을 전달하는 하나 이상의 전압 가변 모듈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 선형 증폭 모듈은 풀 업 회로와 캐스케이드(cascade) 방식으로 구성되고, 상기 입력 신호를 증폭하여 상기 풀 업 회로로 전달하는 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 신호 감지 모듈은 감지저항 양단에 걸리는 전압 간의 차이에 따라 상기 제어 신호를 출력하는 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조절 장치.
제3항에 있어서,
상기 신호 감지 모듈은 상기 전압 가변 모듈과의 격리를 위한 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압 가변 모듈은 상기 신호 감지 모듈의 제어 신호와 기준 신호의 전압 차이가 일정치 이상인 경우 상기 부하로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전압 조절 장치.
제5항에 있어서,
상기 전압 가변 모듈은 트랜지스터와, 상기 트랜지스터에서 공급되는 전류에 따라 부하로 전력을 전달하는 인덕터(inductor) 및 상기 제어 신호와 기준 신호의 전압 차이에 따라 상기 트랜지스터를 구동하는 전압을 전달하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조절 장치.
제6항에 있어서,
상기 트랜지스터가 동작하지 않을 때 상기 인덕터로 전류를 공급하는데 활용되는 제2 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조절 장치.