스위칭 증폭기 바이어스를 제공하는 고효율 컨버터 document_id A220623108700

오디오 확성기는 종래에 + 단자와 - 단자(공통 단자 또는 접지 단자라고도 함)로 구별되는 한쌍의 전기적 입력 단자를 포함한다. 이 확성기는 이 단자들에 연결된 증폭기로부터의 영전압 교류 전류 음성 신호로 구동된다. 시간에 따라 DC 오프셋을 갖는 것을 피하기 위하여 + 단자에는 - 단자에 대해서 양의 전압과 음의 전압이 교대로 공급된다. 일부 시스템에서는 - 단자는 0v 접지 전위에 유지되고, + 단자에는 예컨대 최대 +5v와 최소 -5v 사이에서 진동하는(swing) 신호가 공급된다. 다른 시스템에서 + 신호는 예컨대 최대 +5v와 최소 -5v 사이에서 진동하며, - 단자는 5v로 유지된다. 또는, 더 정확하게 - 단자는 Vcc/2(여기서, Vcc는 + 단자에 인가될 수 있는 최대 전압)로 유지된다. 어느 경우나, - 단자가 유지되는 전압은 "바이어스 전압"이라고 할 수 있다. 헤드폰을 구비한 대부분의 휴대형 뮤직 시스템에서 좌우 확성기(예컨대, 헤드폰이나 이어 버드(ear buds))의 - 단자들은 함께 공통 노드에 연결되며, + 단자 및 - 단자는 전압의 VCC/2를 강하시키기 위하여 이들 단자에 직렬로 연결된 매우 용량이 큰 ac 커플링 커패시터를 갖고 있다. 그러면 - 단자는 0V로 고정된다. 이들 커플링 커패시터는 바람직스럽지 않게 매우 용량이 크고 비싸다. 이용된 다른 해결책은 공통의 - 단자들을 함께 묶고 이 공통 노드에 VCC/2 또는 다른 바이어스 전압을 인가하는 것이다. 그러면, 어느 구성에서든 좌우 확성기의 + 입력은 각각 좌우 음성 신호로 구동된다. 공통 바이어스 전압을 발생시키는데 여러 가지 회로 방식을 이용하여 왔다. 도 1은 매우 간단한 공통 바이어스 전압 방식을 이용한 오디오 시스템(10)을 도시한 것이다. 오디오 시스템은 좌측 확성기(SL)와 우측 확성기(SR)를 포함한다. 오디오 시스템은 좌측 확성기를 구동하는 좌측 증폭기(AL)와 우측 확성기를 구동하는 우측 증폭기(AR)를 포함한다. 확성기들의 - 단자는 함께 공통 노드에 묶이며, 적당한 용량의 커패시터(C1)가 공통 노드와 접지 사이에 연결된다. 이 시스템은 전력면에서 효율적이긴 하나 대용량의 비싼 커패시터가 필요하다. 커패시터는 스피커 단자들에 남아 있는 잔류 신호에 대해서는 고역통과 필터이다. 커패시터의 용량이 너무 작으면 가청 저주파수가 차단되어 확성기에 도달하지 못하게 된다. 도 2는 공통 노드에 바이어스 전압을 공급하는 제3의 증폭기(A3)를 이용하는 오디오 시스템(20)을 도시한 것이다. 제3 증폭기의 + 단자는 Vcc와 접지 사이에 직렬로 연결된 정합 저항(R1, R2)을 포함하는 분압기에 연결되며, 이 분압기와 접지 사이에는 이 분압기로부터의 잡음을 제거하기 위한 커패시터(C2)가 연결되어 있다. 제3 증폭기는 도시된 바와 같이 네가티브 피드백(negative feedback) 방식으로 연결된다. 이 시스템은 도 1의 대용량 커패시터가 아니라 소용량 (그리고 선택적인) 커패시터만을 필요로 한다. 그러나 분압기와 제3 증폭기는 적지 않은 양의 전력을 소모하여 시스템의 증폭기부의 전체 전력 효율을 크게 감소시킨다. 도 3은 클래스 G 증폭기를 이용한 유사한 오디오 시스템(300)을 도시한 것이다. 단 한쌍의 전력 레일(rail)(Vcc와 접지)만을 갖고 있다는 것을 의미하는 싱글 서플라이(single supply)인 클래스 A, B, 및 AB 증폭기와는 달리 클래스 G 증폭기는 2 또는 그 이상의 전력 레일을 갖고 있으며, 이들 전력 레일은 입력 신호의 순간 전압 레벨에 따라서 절환한다. 설계자는 시스템의 증폭기부에서 낭비되는 전력을 최소화하기 위하여 클래스 G 증폭기를 사용할 수 있다. 도시된 바와 같이, 클래스 G 증폭기(AG)는 공통 노드에 바이어스 전압을 공급하는데 사용될 수 있다. 이것은 좌측 및 우측 전력 증폭기가 클래스 G인지 여부에 무관하다. 제3 증폭기의 출력은 Vcc/2에서 매우 안정하게 될 수 있으며, 제3 증폭기는 통상적으로 중심전압에 가장 가까운 전압 레일쌍을 선택했을 때에 동작하여 전력 소모를 최소화할 것이다. 그러나, 안정된 Vcc/2 출력을 가지고도 여전히 그 전력 소모는 적지 않을 것이다. 필요한 것은 확성기의 공통 노드에 바이어스 전압을 제공하는데 아주 낮은 전력 회로를 이용하는 개선된 증폭기부이다. 도 4는 아날로그 전력 반도체 설계에서 알려진 고효율 차지 펌프(charge pump) 회로(40)를 도시한 것이다. 차지 펌프는 플라잉(flying) 커패시터(CF)와 스위칭 소자 주변에 구성된다. 스위칭 장치는 Vcc에 연결되어 제1 스위치 입력 신호(PHI1)에 의해 제어되는 제1 스위치(S1), 제1 스위치 입력 신호에 의해 제어되는 제2 스위치(S2), 제2 스위치 입력 신호(PHI2)에 의해 제어되는 제3 스위치(S3), 및 접지에 연결되어 제2 스위치 입력 신호에 의해 제어되는 제4 스위치(S4)를 갖고 있다. 제2 및 제3 스위치의 입력은 출력 노드(50P)에 연결된다. 제2 커패시터(C50P)는 출력 노드와 접지 사이에 연결된다. 제1 및 제2 스위치 제어 신호가 (통상적으로 비오버랩핑(non-overlapping) 클럭과 위상이 180°어긋난 바이너리 클럭 신호로서) 정확하게 동작될 때, 출력 노드에 Vcc/2가 발생한다. 차지 펌프는 고효율 컨버터의 일례이다. 다른 예로는 전력 반도체 설계 분야에 매우 잘 알려진 벅(buck) 컨버터와 같은 유도 스위칭 서플라이(inductive switching supply)가 있다.