KR20200143163A - 저발열형 D-Class 앰프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 앰프의 인덕터에서 발생하는 열을 큰 폭으로 저감시키기 위한 기술로서, 디지털 앰프의 인덕터에 권선되는 와이어를 저주파 전류가 흐를 때 저항 발생이 낮은 단선 부재와 고주파 전류가 흐를 때 저항 발생이 낮은 USTC 부재를 하이브리드 형태로 채용함에 따라 그 인덕터에 입력 시그널에 대응하는 저주파 성분과 캐리어 시그널에 대응하는 고주파 성분이 함께 흐르는 경우에도 인덕터에서의 열 발생을 획기적으로 낮출 수 있는 기술에 관한 것이다. 특히, (+ HV)와 (- HV)간의 입력 전압이 높은 대용량 디지털 앰프인 경우 입력 시그널 없이 캐리어 시그널의 고주파 전류가 인덕터에 흐르지만 이러한 높은 전압의 고주파 전류에도 불구하고 인덕터 자체의 열 발생을 효과적으로 낮출 수 있는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 전관 방송 시스템에서와 같이 복수의 채널(예: 8개의 채널)을 구비해야 하는 대용량 디지털 앰프에서 특히 에너지 로스를 낮추는 절감 폭이 크다는 장점이 있다.

Description

대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치 {inductor device for digital amp}

본 발명은 디지털 앰프의 인덕터에서 발생하는 열을 큰 폭으로 저감시키기 위한 기술에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 디지털 앰프의 인덕터에 권선되는 와이어를 저주파 전류가 흐를 때 저항 발생이 낮은 단선 부재와 고주파 전류가 흐를 때 저항 발생이 낮은 USTC 부재를 하이브리드 형태로 채용함에 따라 그 인덕터에 입력 시그널에 대응하는 저주파 성분과 캐리어 시그널에 대응하는 고주파 성분이 함께 흐르는 경우에도 인덕터에서의 열 발생을 획기적으로 낮출 수 있는 기술에 관한 것이다.

특히, (+ HV)와 (- HV)간의 입력 전압이 높은 대용량 디지털 앰프인 경우 입력 시그널 없이 캐리어 시그널의 고주파 전류가 인덕터에 흐르지만 이러한 높은 전압의 고주파 전류에도 불구하고 인덕터 자체의 열 발생을 큰 폭으로 낮출 수 있는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 아날로그 앰프는 좋은 소리를 출력시킬 수 있기 때문에 소리의 품질에 있어서는 유리한 점이 많다.

하지만, 고 퀄리티의 스피커에 구비되는 아날로그 앰프는 열이 많이 발생하기 때문에 그 열을 방출하기 위해 대형의 방열판을 탑재해야 하고 그로 인한 사이즈 증가와 가격의 상승을 초래하는 단점이 있다.

이와 같이 아날로그 앰프에서의 열 발생과 방열판의 대형화에 대한 단점에 대해서는 디지털 앰프를 하나의 해결수단으로 활용할 수 있을 것이다.

예컨대, [도 1]은 일반적인 디지털 앰프인 D-class AMP와 스피커의 개략적인 구성도이고, [도 2]는 [도 1]에서 입력 시그널이 없는 경우의 각 트랜지스터와 인덕터에서의 파형 그래프이고, [도 3]은 [도 1]에서 입력 시그널이 있는 경우의 각 트랜지스터와 인덕터에서의 파형 그래프이다.

[도 1]을 참조하면, AMP 제어부(11)는 스몰 시그널인 저주파(예: 20Hz ~ 20kHz)의 입력 시그널을 고주파(예: 200kHz ~ 550kHz)인 캐리어 시그널에 삽입함에 따라 고주파(예: 200kHz ~ 550kHz)인 합성 PWM 시그널을 생성하고 그 생성된 합성 PWM 시그널을 [도 1]의 디지털 앰프(10) 회로를 경유시키면 스피커(20)에 전달할 증폭된 형태의 출력 시그널이 유도된다.

먼저, [도 1]과 [도 2]를 참조하면, D-class AMP 타입의 디지털 앰프(10)는 입력 시그널이 없는 동안에도 듀티비 50%의 캐리어 시그널이 입력되기 때문에 제 1 트랜지스터(12)와 제 2 트랜지스터(13)가 동일한 시간동안 교번하여 온오프 동작하도록 구성된다.

즉, 제 1 트랜지스터(12)가 스위칭 온하면 제 2 트랜지스터(13)가 스위칭 오프되어 제 1 트랜지스터(12)로부터 커패시터(15) 방향으로 인덕터(14)에 (+) 전류가 흐르고, 제 2 트랜지스터(13)가 스위칭 온하면 제 1 트랜지스터(12)가 스위칭 오프되어 커패시터(15)로부터 제 2 트랜지스터(13) 방향으로 인덕터(14)에 (-) 전류가 흐른다

결국, 캐리어 시그널의 듀티비가 50%이기 때문에 [도 2]에서와 같이 입력 시그널이 없는 경우에 커패시터(15)에 축적되는 에너지는 없게 된다.

그리고, [도 1]과 [도 3]을 참조하면, D-class AMP 타입의 디지털 앰프(10)는 입력 시그널이 있는 동안에는 그 입력 시그널이 듀티비 50%의 캐리어 시그널에 삽입되기 때문에 그 입력 시그널의 주파수에 대응하여 본래 캐리어 시그널의 50% 듀티비가 점진적으로 증가하는 합성 PWM 시그널이 [도 1]의 디지털 앰프(10) 회로를 경유하게 된다.

즉, 합성 PWM 시그널의 듀티비가 점진적으로 증가한다는 것은 [도 3]에서와 같이 제 1 트랜지스터(12)의 스위칭 온 시간은 점진적으로 증가하고 반면, 제 2 트랜지스터(13)의 스위칭 온 시간은 점진적으로 감소한다는 것을 의미한다.

결국, 제 1 트랜지스터(12)로부터 커패시터(15) 방향으로 인덕터(14)에 흐르는 (+) 전류의 양이 커패시터(15)로부터 제 2 트랜지스터(13) 방향으로 인덕터(14)에 흐르는 (-) 전류의 양보다 많기 때문에 커패시터(15)에는 그 입력 시그널에 대응하는 에너지가 축적되어 종국에는 그 커패시터(15)에 축적된 에너지가 출력 시그널에 반영된다.

한편, 제 1 트랜지스터(12)와 제 2 트랜지스터(13)는 각각 FET 스위치와 같이 스위칭 동작하기 때문에 제 1 트랜지스터(12)와 제 2 트랜지스터(13) 자체에서 는 아날로그 AMP에 비해 손실이 확실히 작다.

하지만, 캐리어 시그널이 예컨대 200kHz ~ 550kHz 대역의 고주파이기 때문에 인덕터(14)에서는 마그네틱 코어에 권선되는 와이어의 특성에 따라 많은 열이 발생하기도 한다.

[도 4]는 [도 1] 상의 제 1 실시예에 따른 인덕터를 도시한 예시도이고, [도 5]는 [도 1] 상의 제 2 실시예에 따른 인덕터를 도시한 예시도이고, [도 6]은 [도 4]와 [도 5]에 도시된 단선 부재의 단면을 도시한 예시도이다.

일반적으로 디지털 앰프(10)에 채용되는 인덕터(14)는 [도 4]의 트로이달 코어와 [도 5]의 직선형 코어에 대응하는 마그네틱 코어(14a, 14a')에 대해 단일 와이어 형태의 단선 부재(14b)를 권선시킨 형태로 이루어진다.

여기서, [도 4]의 트로이달 코어와 [도 5]의 직선형 코어에 대응하는 마그네틱 코어(14a, 14a')는 각각 고정하는 방향의 차이가 있을 뿐으로 보통 같은 재질로 이루어진다.

그리고, [도 4]의 트로이달 코어와 [도 5]의 직선형 코어에 대응하는 마그네틱 코어(14a, 14a')에서와 같이 단일 와이어 형태의 단선 부재(14b)에 저주파의 전류가 흐를 경우에는 단선 부재(14b)의 단면적 전체를 통해 그 저주파 전류가 흐를 수 있다.

하지만, 그 단선 부재(14b)에 고주파 전류를 흘리게 되면 소위 표피 효과(skin effect)에 의해 [도 6]에서와 같이 단선 부재(14b)의 표면을 따라 고주파 전류가 흐르기 때문에 그 단선 부재(14b)는 매우 큰 저항을 갖게 되고 자연적으로 많은 열을 발생시킨다.

예컨대, 구리(Cu)로 이루어진 단선 부재(14b)의 표면을 따라 고주파 전류가 흐를 때 그 표면의 깊이를 뎁스(δ)라고 칭할 때 [도 6]에서와 같이 그 뎁스(δ)는 주파수(f)에 반비례하는 성질을 갖는다.

즉, 주파수(f)가 클수록 뎁스(δ)는 작아지고 결국 [도 6]에서와 같이 그 고주파 전류가 흐르는 면적(A)도 작아진다.

그 결과, 만일 낮은 출력의 디지털 앰프라면 (+ HV)로부터 (- HV)까지 흐르는 전류의 양이 작기 때문에 크게 문제되지 않지만, 예컨대 1,000W 이상의 높은 출력을 갖는 대용량 디지털 앰프인 경우 (+ HV)와 (- HV)간의 입력 전압이 높기 때문에 [도 2]에서와 같이 입력 시그널이 없는 상태에서의 동작만으로도 캐리어 시그널의 고주파 전류가 흘러 [도 6]에서와 같이 인덕터(14)에 감기는 와이어(예: 단선 부재)에 따라서는 그 인덕터(14)에 매우 큰 열을 발생시키는 문제점을 갖는다.

그에 따라, 대용량 디지털 앰프의 인덕터에 구비되는 와이어의 구성을 개선함에 따라 그 인덕터에서의 열 발생을 효과적으로 차단함으로써 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결할 수 있는 기술 구현이 요구된다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 인덕터에 구비되는 와이어가 저주파 전류와 고주파 전류를 통전시킴에 있어서 열 발생을 크게 감소시킴에 따라 인덕터 자체의 손실을 예방하고 디지털 앰프의 손실도 예방할 수 있는 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치는 마그네틱 코어(110, 110'); 일단부의 입력단과 타단부의 출력단을 갖는 단일의 와이어 형태로 이루어져 마그네틱 코어에 권선되는 단선 부재(120); 소선 다발 형태로 이루어지는 자신의 입력단을 단선 부재의 입력단과 상호 통전시키고 소선 다발 형태로 이루어지는 자신의 출력단을 단선 부재의 출력단과 상호 통전시킨 상태로 단선 부재와 나란히 마그네틱 코어에 권선되는 USTC 부재(130);를 포함하여 구성되고, 단선 부재는 저주파 전류인 입력 시그널을 통전하도록 구성되고 USTC 부재는 고주파 전류인 합성 PWM 시그널을 통전하도록 구성된다.

이때, USTC 부재의 소선 다발에 구비되는 각 소선의 반지름은 바람직하게는 합성 PWM 시그널의 흐름에 따라 그 소선에 발생하는 표피 효과에서의 뎁스 이하로 구성될 수 있다.

본 발명은 디지털 앰프의 인덕터에 구비되는 와이어를 저주파 전류에 대응한 단선 부재와 고주파 전류에 대응한 USTC 부재의 하이브리드로 구성함에 따라 그 인덕터에서의 열 발생 및 에너지 로스를 효과적으로 낮출 수 있는 장점을 나타낸다.

또한, 본 발명은 인덕터에서의 열 발생을 큰 폭으로 낮춤에 따라 기존과 같이 인덕터의 방열을 위해 구비되어야만 하는 팬의 사용을 낮춤으로써 디지털 앰프 자체의 에너지 손실도 낮출 수 있는 장점을 나타낸다.

또한, 본 발명은 예컨대 전관 방송 시스템에서와 같이 복수의 채널(예: 8개의 채널)을 구비해야 하는 대용량 디지털 앰프에서 특히 에너지 로스를 낮추는 절감 폭이 크다는 장점을 나타낸다.

[도 1]은 일반적인 디지털 앰프인 D-class AMP와 스피커의 개략적인 구성도,
[도 2]는 [도 1]에서 입력 시그널이 없는 경우의 각 트랜지스터와 인덕터에서의 파형 그래프,
[도 3]은 [도 1]에서 입력 시그널이 있는 경우의 각 트랜지스터와 인덕터에서의 파형 그래프,
[도 4]는 [도 1] 상의 제 1 실시예에 따른 인덕터를 도시한 예시도,
[도 5]는 [도 1] 상의 제 2 실시예에 따른 인덕터를 도시한 예시도,
[도 6]은 [도 4]와 [도 5]에 도시된 단선 부재의 단면을 도시한 예시도,
[도 7]은 [도 1] 상에 인덕터로서 장착되는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치의 예시도,
[도 8]은 [도 1] 상에 인덕터로서 장착되는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치의 예시도,
[도 9]는 [도 7]과 [도 8]에 도시된 단선 부재와 USTC 부재 단면을 도시한 예시도,
[도 10]은 [도 9] 상의 USTC 부재에 구비되는 소선 다발 중 하나의 소선에 대한 단면을 도시한 예시도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[도 1]은 일반적인 디지털 앰프인 D-class AMP와 스피커의 개략적인 구성도이고, [도 7]은 [도 1] 상에 인덕터로서 장착되는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치의 예시도이고, [도 8]은 [도 1] 상에 인덕터로서 장착되는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치의 예시도이다.

[도 1]의 디지털 앰프(10)에 구비되는 인덕터(14)로서 본 발명은 [도 7]의 트로이달 코어(troidal core)와 [도 8]의 직선형 코어에 대응하는 마그네틱 코어(110, 110')에 대해 단선 부재(120)와 USTC 부재(130)를 나란히 권선시킨 형태로 이루어진다.

여기서, 마그네틱 코어(110, 110')에 권선되는 단선 부재(120)는 저주파 전류인 [도 1] 상의 입력 시그널을 통전시킬 때 저항이 낮은 타입이고 USTC 부재(130)는 고주파 전류인 [도 1] 상의 합성 PWM 시그널을 흘릴 때 저항이 낮은 타입으로서 이에 대한 구체적인 구성에 대해서는 아래의 [도 9]와 [도 10]을 통해 살펴보기로 한다.

[도 9]는 [도 7]과 [도 8]에 도시된 단선 부재와 USTC 부재 단면을 도시한 예시도이고, [도 10]은 [도 9] 상의 USTC 부재에 구비되는 소선 다발 중 하나의 소선에 대한 단면을 도시한 예시도이다.

[도 9]와 [도 10]을 참조하면, 본 발명은 마그네틱 코어(110, 110')와 그 마그네틱 코어(110, 110')에 나란히 권선되는 단선 부재(120)와 USTC 부재(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

단선 부재(120)는 [도 7] 내지 [도 9]에서와 같이 자신의 일단부인 입력단과 자신의 타단부인 출력단을 갖는 단일의 와이어 형태로 이루어지며 USTC 부재(130)와 함께 나란히 마그네틱 코어(110, 110')에 권선됨에 따라 [도 1] 상의 인덕터(14)를 구성할 수 있다.

여기서, [도 9] 상의 단선 부재(120)는 그 내경이 USTC 부재(130)에 다발로 구비되는 소선(130)의 내경보다 충분히 크게 이루어질 수 있는데, [도 1] 상의 입력 시그널과 같은 저주파(예: 20Hz ~ 20kHz)가 흐르도록 구성되기 때문에 소위 표피 효과를 유발하지 않게 되고 결과적으로 디지털 앰프에 구비되는 인덕터에 열을 발생시킨다거나 에너지를 손실시킨다는 등의 문제점은 생기지 않게 된다.

USTC 부재(130)는 [도 7] 내지 [도 9]에서와 같이 소선 다발 형태로 이루어지는 자신의 입력단을 단선 부재(120)의 입력단과 상호 통전시키고 소선 다발 형태로 이루어지는 자신의 출력단을 단선 부재(120)의 출력단과 상호 통전시킨 상태로 단선 부재(120)와 나란히 마그네틱 코어(110, 110')에 권선됨에 따라 [도 1] 상의 인덕터(14)를 구성할 수 있다.

여기서, [도 9]에서의 USTC 부재(130)는 [도 1] 상의 캐리어 시그널이나 합성 PWM 시그널과 같은 고주파(예: 200kHz ~ 550kHz)가 흐르도록 구성되기 때문에 단일 와이어 형태의 단선 부재(120) 내경보다 충분히 작게 소선 다발 형태로 구성됨이 바람직하다.

그 결과, USTC 부재(130)에서 다발 형태로 구성되는 각각의 소선(131)은 그 내경이 충분히 작아 소위 표피 효과를 발생시키지 않게 된다.

이를 위해, USTC 부재(130)의 소선 다발에 구비되는 각 소선(131)의 반지름(R)은 합성 PWM 시그널의 흐름에 따라 그 소선(131)에 발생하는 표피 효과에서의 뎁스(δ) 이하로 구성됨 바람직하다.

즉, [도 10]에서의 소선(131)에 대해 소위 표피 효과에 따라 [도 6] 상의 고주파가 흐르는 영역(A)과 같은 영역이 발생한다고 가정했을 때 [도 10] 상의 반지름(R)이 [도 6] 상의 뎁스(δ)보다 작다면 그 소선(131)에서는 소위 표피 효과의 발생 없이 그 소선(131)의 단면 전체에서 고주파 전류가 원활하게 흐를 수 있음을 나타낸다.

10 : 디지털 앰프
11 : AMP 제어부
12 : 제 1 트랜지스터
13 : 제 2 트랜지스터
14 : 인덕터
14a, 14a' : 마그네틱 코어
14b : 단선 부재
15 : 커패시터
110, 110' : 마그네틱 코어
120 : 단선 부재
130 : USTC 부재
131 : 소선

Claims (2)

1. 마그네틱 코어(110, 110');
   일단부의 입력단과 타단부의 출력단을 갖는 단일의 와이어 형태로 이루어져 상기 마그네틱 코어에 권선되는 단선 부재(120);
   소선 다발 형태로 이루어지는 자신의 입력단을 상기 단선 부재의 입력단과 상호 통전시키고 소선 다발 형태로 이루어지는 자신의 출력단을 상기 단선 부재의 출력단과 상호 통전시킨 상태로 상기 단선 부재와 나란히 상기 마그네틱 코어에 권선되는 USTC 부재(130);
   를 포함하여 구성되고,
   상기 단선 부재는 저주파 전류인 입력 시그널을 통전하도록 구성되고 상기 USTC 부재는 고주파 전류인 합성 PWM 시그널을 통전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 USTC 부재의 소선 다발에 구비되는 각 소선의 반지름은 상기 합성 PWM 시그널의 흐름에 따라 그 소선에 발생하는 표피 효과에서의 뎁스 이하로 구성되는 것을 특징으로 하는 대용량 디지털 앰프를 위한 인덕터 장치.

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