KR100608001B1

KR100608001B1 - 오디오 앰프의 전류 제한 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100608001B1
Application number: KR1020040064591A
Authority: KR
Inventors: 문병민
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-08-02
Also published as: US20060039572A1; NL1029752C2; KR20060016222A; NL1029752A1

Abstract

오디오 앰프에서 전류 신호의 펄스폭에 따라 다른 제한 기준을 갖고 전류를 제한하는 전류 제한 장치 및 그 방법을 개시한다. 본 발명은 입력되는 오디오 신호와 기준신호를 비교하여 PWM 신호를 생성하는 펄스폭변조부, 펄스폭변조부에서 생성되는 PWM 신호에 따라 전원을 스위칭하는 전원 스위칭부, 전원 스위칭부에서 공급되는 전원이 인가되어 부하를 통과해 흐르는 전류를 센싱하는 전류 검출부, 전류 검출부에서 검출된 전류 신호의 펄스 폭에 따라 서로 다른 전류 레벨의 제한치를 적용하고, 그 적용된 제한치와 상기 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨치를 비교하여 펄스폭변조부의 펄스 폭 변조 신호를 조절하는 제어부를 포함한다

Description

오디오 앰프의 전류 제한 장치 및 그 방법{Apparatus and method for limiting current of audio amplifier}

도 1은 종래의 전류 제한 장치를 보이는 회로도이다.

도 2는 본 발명에 따른 오디오 기기의 전류 제한 장치를 보이는 회로도이다.

도 3은 도 2의 PWM부의 동작 파형도이다.

도 4는 도 2의 전파정류부의 파형도이다.

도 5는 도 2의 제어부의 동작 흐름도이다.

도 6은 도 1의 제어부의 전류 제한 방법을 설명하는 개념도이다.

본 발명은 오디오 앰프에서 사용되는 전류 제한 회로에 관한 것이며, 특히 오디오 앰프에서 전류 신호의 펄스폭에 따라 다른 제한 기준을 갖고 전류를 제한하는 전류 제한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

통상적으로 오디오 기기에는 소 신호를 대신호로 증폭하기 위한 증폭 회로가 구비된다. 이 증폭 회로에서 증폭된 전기적 신호는 스피커나 이어폰을 통해 음으로 재생된다. 이때 증폭 회로의 출력을 제어하여 스피커를 통해 원음을 재생하는 가가 오디오 기기의 성능을 좌우한다.

오디오 기기에서는 짧은 시간에 큰 신호로 인해 대 전력을 공급할 필요가 발생한다. 이때 전력이 설계된 기준치 이상이면 곧 바로 전류 제한 동작을 수행한다.

이러한 전류 제한 회로에 관련된 종래 기술이 대한민국 특허 공개 특2001-0008551(2001년 2월 5일로 공개된 과 전류 회로)에 개시되어 있다.

도 1을 보면, 제한 전류 회로는 전원공급장치의 전원전압이 출력되는 출력단(Vout-)에 직렬로 연결되는 전류검출저항(Rs)과, 기준값(Vref)과 상기 출력단(Vout-)의 출력전류를 각각 저항(R1,R2)을 통해 (+)입력단 및 (-)입력단으로 입력받아 비교 연산하는 제1연산증폭기(U1)와, 상기 제1연산증폭기(U1)의 출력에 내부소자중 발광다이오드의 음극이 직렬연결된 다이오드(D1) 및 저항(R4)을 통해 연결되고 발광다이오드의 양극은 상기 어댑터의 출력단(Vout+)에 연결되는 포토커플러(P/C)와, 상기 전류검출저항(Rs)를 출력전류(Io)가 통과함에 의해 발생된 센싱전압(Vout-)과 두 저항(R8),(R7)의 저항비로 결정된 기준값(Vref)을 비교연산하는 제2연산증폭기(U2)와, 상기 제2연산증폭(U2)의 출력과 접지사이에 직렬연결되는 저항(R9) 및 캐패시터(C4)와, 상기 저항(R9)과 캐패시터(C4)의 접점이 그 (-)입력단에 연결되고 두 저항(R10,R11)의 저항비로 결정되는 기준값(Vref)이 (+)입력단에 연결되어 두 입력값을 비교연산하는 제3연산증폭기(U3)와, 상기 제3연산증폭기(U3)의 출력단에 음극이 연결되고 상기 포토커플러(P/C)의 발광다이오드 음극에 연결되는 다이오드(D2)로 이루어진다.

따라서 종래의 전류 제한 장치는 검출된 출력 전류 레벨을 하나의 기준 레벨 치와 비교하여 과전류로 판단시 출력 전류를 소정 시간 지연시킨다. 그러나 종래의 기술은 PWM을 위한 스위칭 소자를 이용할 시 그 스위칭 전원의 펄스 폭에 관계없이 일률적인 기준을 적용해야하고, 또한 소자에 대한 SOA(Safety Operating Area)를 충분히 활용할 수 없는 문제점이 발생한다. 또한 오디오 기기에서 짧은 시간에 큰 신호로 인해 큰 전력을 공급해야할 경우 설정된 한 기준치로 전류를 제한하면 오디오 신호가 찌그러지는 현상이 발생하는 문제점이 발생한다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 부하에 공급하는 전류 신호의 펄스 폭에 따라 다양한 전류 제한치를 설정함으로써 설계된 회로 부품으로 부하에 공급하는 전류를 최대로 활용할 수 있는 오디오 앰프의 전류 제한 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 입력되는 오디오 신호와 기준신호를 비교하여 PWM 신호를 생성하는 펄스폭변조부;

상기 펄스폭변조부에서 생성되는 PWM 신호에 따라 전원을 스위칭하는 전원 스위칭부;

상기 전원 스위칭부에서 공급되는 전원이 인가되어 부하를 통과해 흐르는 전류를 센싱하는 전류 검출부;

상기 전류 검출부에서 검출된 전류 신호의 펄스 폭에 따라 서로 다른 전류 레벨의 제한치를 적용하고, 그 적용된 제한치와 상기 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨치를 비교하여 상기 펄스폭변조부의 펄스 폭 변조 신호를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기기의 전류 제한 방법에 있어서,

입력되는 오디오 신호와 기준신호를 비교하여 PWM 신호를 생성하는 과정;

상기 PWM 신호에 따라 전원을 스위칭하여 그 스위칭 전력에 대한 전류 신호의 펄스 폭을 측정하는 과정;

상기 측정된 전류 신호의 펄스 폭에 따라서 서로 다른 전류 레벨 제한치를 설정하는 과정;

상기 전류 레벨 제한치와 입력되는 전류 레벨치를 비교하여 상기 PWM 신호를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 2의 오디오 기기의 전류 제한 장치는 PWM 신호를 생성하는 PWM부(210), PWM 신호에 따라 전원을 스위칭하는 전원 스위칭부(220), 스위칭 전원에 의해 오디오를 재생하는 스피커(240), 스피커(240)를 구동하는 전류를 센싱(sensing)하는 전류 검출부(230), 전류 신호의 펄스 폭에 따라 서로 다른 전류 레벨의 제한치를 적용하고, 그 적용된 제한치와 검출된 전류 레벨치를 비교하여 펄스 폭 변조 신호를 조절하는 제어부(260)로 구성된다.

도 2를 참조하여 오디오 기기의 전류 제한 장치의 동작을 설명한다.

PWM부(210)는 도 3에 도시된 바와 같이 입력되는 오디오 신호와 기준 신호를 비교하여 PWM 신호를 생성한다.

전원 스위칭부(220)는 펄스폭변조부(210)에서 생성되는 PWM 신호에 따라 전원(VDD)을 스위칭한다. 즉, PWM부(210)에서 발생된 PWM 신호는 전원(VDD)이 인가된 스위칭 소자들, 제1FET(TR1), 제2FET(TR2), 제3FET(TR3), 제4FET(TR4)의 게이트 단자로 입력된다. 예들 들면, 제1트랜지스터(TR1)가 온(ON)이면, 제2트랜지스터(TR2) 및 제3트랜지스터(TR3)가 오프(OFF), 제4트랜지스터(TR4)가 온(ON)된다. 또한 제1트랜지스터(TR1)가 오프(OFF)이면, 제2트랜지스터(TR2) 및 제3트랜지스터(TR3)가 온(ON), 제4트랜지스터(TR4)가 오프(OFF)된다. 전원 스위칭부(220)에서 스위칭된 전력은 LPF(Low Pass Filter)를 통해 스피커(240)로 인가된다. 이때 전원 스위칭 소자들은 그 소자가 안전하게 동작할 수 있는 전압*전류 안전 동작 영역(SOA:Safety Operating Area)을 가진다. 이 SOA는 스위칭 소자의 특성값으로 부품 규격집에 그래프로 표시되어 있다. 이 그래프에는 스위칭 전력의 펄스 듀티에 따라서 전압*전류 SOA가 다르게 표시되어 있다.

스피커(240)는 코일(L1)과 커패시터(도시안됨)로 구성되는 LPF(Low Pass Filter)를 통해 필터링된 스위칭 전력으로 구동된다.

전류 검출부(230)는 LPF를 구성하는 코일(L1)에 권선을 추가한 전류 트랜스포머(Current Transformer)형태를 구비함으로써 스피커(240)로 흐르는 전류를 전압 파형으로 변환한다. 즉, LPF의 코일(L1)을 통해 스위칭 전류가 흐르면 상호 유도로 2차코일(L2)의 양단에서 전압이 발생한다. 이때 2차 코일(L2)에 걸리는 전압은 전류에 비례한다. LPF의 코일(L1)에 흐르는 전류가 커질수록 2차 코일(L2)에 걸리는 전압도 커진다. 다른 실시예로 전류 검출부(230)는 저항(R)을 이용하여 스피커(240)를 구동하는 전류를 센싱(sensing)할 수 있다.

전파정류부(250)는 전류 검출부(230)에서 검출된 전압 파형을 제1,제2,제3,제4다이오드(D1,D2,D3,D4)를 이용하여 동일한 위상으로 변환한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 +, - 위상의 전압 파형은 제1,제2,제3,제4다이오드(D1,D2,D3,D4)를 거치면 동일한 위상으로 변환된다.

제어부(260)는 전파정류부(250)에서 출력되는 전압 파형의 폭을 측정하고, 그 측정된 전압 파형의 폭 따라 서로 다른 전류 레벨의 제한치를 적용하고, 그 적용된 전류 레벨 제한치와 전압 레벨치를 비교하여 PWM부(210)의 펄스 폭 변조 신호를 조절하는 제어 신호를 발생한다. 이때 펄스폭에 따른 전류 레벨 제한치는 사용하는 부품 규격집을 기준으로 최적의 값으로 설정한다.

결국, 제어부(260)는 전류 신호의 펄스 폭에 따라 다른 제한 기준을 갖고 PWM 신호를 제어함으로써 스피커(240)로 흐르는 전원 공급 회로의 전력량을 적절하게 조절한다.

도 5는 도 1의 제어부(260)의 상세 흐름도이다.

먼저, 스피커(240)로 흐르는 아날로그 형태의 전류 신호를 입력한다(510 과정). 이어서, 아날로그 전류 신호를 디지털 전류 신호로 변환한다(520 과정).

이어서, 변환된 전류 신호의 펄스 폭을 카운터를 이용하여 측정한다(530 과 정).

이때, 측정된 전류 신호의 펄스 폭에 따라서 서로 다른 제한 레벨치를 선택한다. 예컨대, 측정된 전류 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 제1전류폭 이하이면 제1전류 레벨 제한치를 선택한다(542 과정). 그렇지 않고 측정된 전류 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 제2전류폭 이하이면 제2전류 레벨 제한치를 선택한다(552 과정). 그렇지 않고 측정된 전류 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 제3전류폭 이하이면 제3전류 레벨 제한치를 선택한다(562 과정). 그렇지 않고 측정된 전류 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 제3전류폭을 초과하면 제4전류 레벨 제한치를 선택한다(572 과정).

이어서, 선택된 제한 레벨치와 검출된 전류 레벨 제한치를 비교하여(580 과정) 펄스 폭 변조 신호를 조절하는 제어 신호를 발생한다(590 과정).

도 6은 도 1의 제어부(260)의 전류 제한 방법을 설명하는 개념도이다.

도 6을 보면, 펄스 폭에 따라 전류 제한치를 미리 설정한다. 예컨대, 펄스폭이 각각 50ms, 10ms, 1ms, 500μs, 50μs 일 때 그 전류 레벨 제한치들은 각각 5A, 5.5A, 6A, 7A, 10A로 설정된다. 따라서 비교기(610)는 펄스 폭에 따라서 선택된 전류 레벨 제한치와 검출된 전류 레벨치를 비교하여 그 비교 결과치를 PWM 제어 신호로 출력한다. 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이 오디오 앰프에서 시간(t)에 따라 여러개의 펄스폭을 가진 전류를 발생한다고 가정하자. 이때 전류 신호의 레벨 및 펄스폭이 8A 및 50μs 이면 그 펄스폭(50μs)이 전류 레벨 제한치(10A)내에 해당되므로 비교기(610)는 정상적인 PWM 제어 신호를 출력한다. 그러나 전류 신호의 레벨 및 펄스폭이 6A 및 70ms 이면 그 펄스폭(70ms)에 해당하는 설정된 전류 레벨 제한치를 초과하고 있으므로 비교기(610)는 과전류보호(OCP)를 위해 PWM 신호를 조절하는 신호를 출력한다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기기의 부하에 걸리는 전류 신호의 펄스 폭에 따라 다양한 전류 제한치를 설정함으로써 부하에 흐르는 전류를 시간별로 최적으로 활용할 수 있으며, 또한 전원 스위칭 소자들에 대해 스위칭 펄스 듀티별로 정의한 전류*전압의 SOA(Safety Operating Area)를 만족시킬 수 있다. 또한 전류 신호의 펄스 폭에 따라 다양한 전류 제한치를 설정함으로써 짧은 시간에 큰 출력을 요구하는 오디오 신호를 확실하게 재생할 수 있다. 또한 오디오 앰프의 전력 증폭 스위치로 사용하는 MOSFET의 스펙과 로우패스필터에 사용되는 부품의 스펙에 따라서 보다 우수한 킥킹(kicking)특성을 갖는 오디오 회로를 설계할 수 있다.

Claims

오디오 앰프에 있어서,

입력되는 오디오 신호와 기준신호를 비교하여 PWM 신호를 생성하는 펄스폭변조부;

상기 펄스폭변조부에서 생성되는 PWM 신호에 따라 전원을 스위칭하는 전원 스위칭부;

상기 전원 스위칭부에서 공급되는 전원이 인가되어 스피커를 구동하는 전류를 센싱하는 전류 검출부;

상기 전류 검출부에서 시간에 따라 센싱되는 전류의 여러개 펄스 폭들에 따라 서로 다른 전류 레벨의 제한치를 적용하고, 그 적용된 전류 레벨의 제한치와 상기 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨치를 비교하여 상기 펄스폭변조부의 펄스 폭 변조 신호를 조절하는 제어부를 포함하는 오디오 앰프의 전류 제한 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는

아날로그 전류 신호를 입력하여 디지털 신호로 변환하고,

상기 변환된 전류 신호의 펄스 폭을 측정하고,

상기 측정된 전류 신호의 펄스 폭에 따라서 서로 다른 전류 레벨 제한치를 설정하고;

상기 전류 레벨 제한치와 검출되는 전류 레벨치를 비교하여 상기 PWM제어 신호를 생성하는 것임을 특징으로 하는 오디오 앰프의 전류 제한 장치.
제1항에 있어서, 상기 전류 신호의 펄스폭에 따른 전류 레벨 제한치는 사용부품 규격집을 기준으로 설정되는 것을 특징으로 하는 오디오 앰프의 전류 제한 장치.
제1항에 있어서, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류 신호를 동일한 위상으로 변환하는 전파 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 앰프의 전류 제한 장치.
기기의 전류 제한 방법에 있어서,

입력되는 오디오 신호와 기준신호를 비교하여 PWM 신호를 생성하는 과정;

상기 PWM 신호에 따라 전원을 스위칭하여 그 스위칭 전력에 대한 전류 신호의 펄스 폭을 측정하는 과정;

상기 측정된 전류 신호의 펄스 폭에 따라서 서로 다른 전류 레벨 제한치를 설정하는 과정;

상기 전류 레벨 제한치와 입력되는 전류 레벨치를 비교하여 상기 PWM 신호를 제어하는 과정을 포함하는 오디오 앰프의 전류 제한 방법.
제5항에 있어서, 상기 전류 레벨 제한치들은 사용하는 부품 규격집을 기준으로 설정하는 것을 특징으로 하는 오디오 앰프의 전류 제한 방법.