Up to date, there have been various kinds of audio amplifier studied for audio applications like audio, TV, personal computer applications and so on. In recent year, as electronic industries related to digital technology such as DVD player, PDP TV and home theater equipments etc are growing up, as this result, audio amplifiers are also getting growing interest. In the recent tendency, since miniaturization and energy saving are important issues in audio amplifier, class D so called digital switching amplifier is thought to be suitable for recent requirements. In general, a digital switching amplifier has excellent efficiency and features small size, however, it has relatively poor fidelity as compared with analog amplifier. Most recently some topologies of analog/digital mixed-mode amplifier(MMA) have been reported, however, the analog/digital MMA technologies recently reported have been applied to only small power applications under 50W and tested in prototype level for the lack of stability. Moreover, MMA topology is still short of theoretical and mathematical analysis. Therefore the objectives of this thesis are to try to apply MMA to high power applications and to analyze thoroughly characteristics of MMA as to do that.
This thesis presents three products of this research: one is 800W AD MMA, the other is 2kW AD MMA and another is SMPS suitable for 2kW MMA. In this thesis, theoretical and mathematical analysis of MMA is accomplished in order to form the basis of developing high power MMA of 800W or 2kW.
The 800W AD MMA is designed so that it has a wideband analog amplifier and digital amplifier generates low switching noise with bead snubber and floating gate driver technique. As to current sense amplifier, it is mathematically analyzed and by doing so, feed-forward effect is obtained in addition. The analog amplifier of 800W MMA has the bandwidth of about 700kHz and the phase margin of 84°. The proposed 800W MMA has the maximum efficiency of 90.9% at the condition of 1kHz and 400W power and the minimum fidelity of 0.00858% at 1kHz and 200W output condition.
The proposed 2kW AD MMA is improved and stabilized as compared with 800W MMA in order to drive the loads with higher output power than 800W. First of all, analog amplifier is newly designed in the form of cascode output stage against higher voltage ratings, and nevertheless, 3dB bandwidth of 1.5MHz was achieved. The output stage of digital amplifier of 2kW MMA is replaced with only NMOSs against high voltage stress in place of PMOS at high-side of 800W MMA. In 2kW MMA, ripple feedback filter is newly proposed so as to reduce switching ripple from digital amplifier and improve efficiency and fidelity without regard to loop stability by phase delay from ripple filter. Each channel of 2kW MMA shows the power efficiency of 85.8% at audio frequency of 1kHz and 1kW output power.
A phase-shift full-bridge(PSFB) DC/DC converter is designed for the use of power supply so that it may be suitable for 2kW MMA. The proposed SMPS generates little switching noise because it was designed for zero voltage switching(ZVS) or a novel energy recovery snubber was newly proposed for zero current switching(ZCS) by removing circulation loss. The proposed SMPS for 2kW MMA can regulate output voltage for AC voltage variation from 190V to 250V, and efficiency of SMPS is measured by 92.4%.
지난 수 십년 동안 연구되고 발표된 증폭기 관련기술은 인간생활을 편리하게 하는 거의 모든 전자제품에 적용되어왔다. 그 중에서도 음향증폭기는 오디오, TV 및 개인용 컴퓨터 등에 적용되어 실생활과 가장 밀접한 기술 중에 하나이면서도 다른 통신, 반도체 등의 기술에 비하여 지금까지 그 기술의 발전은 미비한 상태였다. 불과 몇 년 전까지만 해도 대부분의 음향증폭기는 class A, B 또는 AB 형태의 아날로그 증폭기였으나, 최근에 들어와 DVD 플레이어, PDP나 홈씨어터가 새로운 시장을 형성함으로써 여기에 적용되는 음향증폭기도 기존의 아날로그 증폭기에서 벗어나 class D 라는 디지털 증폭기가 새롭게 대두되고 있다. 디지털 증폭기는 음질은 좋지만 효율이 좋지 않은 아날로그 증폭기에 비하여 효율이 좋기 때문에 작은 크기로 제작이 가능하여 소형화, 고효율을 지향하는 최근의 경향을 어느 정도 만족시켜주었다. 그러나 펄스폭 변조방식의 스위칭 기술을 이용하여 증폭을 하기 때문에 효율이 좋은 디지털 증폭기도 음질을 좌우하는 충실도는 좋지 않아 소비자의 귀를 그다지 만족시켜주지 못하는 단점이 있어서 최근에는 혼합형 증폭기가 음향증폭기의 새로운 기술로서 발표되었다.
혼합형 증폭기는 아날로그 증폭기와 디지털 증폭기를 혼합하여 두 증폭기의 장점만을 갖도록 한 새로운 개념의 증폭기로서 고충실도의 아날로그 증폭기와 고효율의 디지털 증폭기를 이용하면 고충실도이면서도 고효율인 아날로그/디지털 혼합형을 증폭기를 만들 수 있다. 하지만 지금까지 발표된 혼합형 증폭기는 모두 50W미만의 저출력 증폭기에 관한 것으로서 그나마도 상품화보다는 실험실용의 시작품 형태로만 발표되었는데 그 이유는 혼합형 증폭기의 역사가 짧은 관계로 이 기술에 대한 분석과 이론정립이 아직 미미하기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 이러한 한계를 뛰어넘어 공연장용 800W 및 2kW의 고출력 아날로그/디지털 혼합형 음향증폭기의 개발을 목표로 하고 있으며 이를 위하여 혼합형 증폭기의 특성을 철저히 분석하고 이론적인 체계를 세우는 것을 선행과제로 삼았다. 그리고 본 논문에서 발표된 고출력 혼합형 증폭기는 시작품 수준이 아니라 상품화가 가능하도록 안정성과 보호기능을 특히 고려하여 설계되었다.
본 논문은 초반부에서 혼합형 증폭기의 기본특성분석에 관한 내용을 다루어 혼합형 증폭기의 설계시 고려해야 할 사항이 무엇인지를 분명히 하였으며 그 뒤에 800W급 및 2kW급의 혼합형 증폭기의 설계과정을 다루고 있다. 특히 2kW급 혼합형 증폭기의 설계에서는 거기에 사용되는 스위치모드 전원장치의 설계까지를 다루어 상품화에 더욱 근접하도록 하였다. 800W 혼합형 증폭기의 아날로그 증폭기는 왜율을 향상시키기 위하여 700kHz의 대역폭을 갖고 84° 의 충분한 위상여유를 갖도록 설계되었으며 동작의 안정성을 위하여 클리핑회로와 출력 offset 자동 조정회로를 두었다. 800W급 혼합형 증폭기의 디지털 증폭기 부분은 스위칭 노이즈를 최소화하는 방향으로 설계되었는데 플로팅 게이트 구동회로와 비드 스너버를 적용하여 스위칭에 의한 그라운드 잡음을 제거하고 스위칭시의 노이즈 전류를 최소화하였다. 800W 증폭기를 제작하여 실험한 결과, 1kHz 400W 출력 조건에서 최대 90.9% 의 효율을 가졌으며 충실도를 나타내는 THD는 1kHz 200W 조건에서 0.00858%의 아주 낮은 수치를 기록하여 아날로그 증폭기에 버금가는 고충실도를 가짐을 알 수 있었다. 2kW급의 아날로그/디지털 혼합형 증폭기는 기본적인 구성은 800W 혼합형 증폭기와 유사하나 출력이 더 커져야 하기 때문에 아날로그 증폭기 부분은 cascode 형태의 출력단을 사용하였고 디지털 증폭기는 NMOS와 PMOS를 썼던 800W와는 다르게 모두 NMOS만을 사용하여 구성하였다. 아날로그 증폭기는 궤환 루프를 수정하여 1.5MHz 의 3dB 대역폭을 갖도록 광대역으로 설계되었다. 디지털 증폭기는 더 커진 출력과 전압에 대하여 안정성을 확보할 수 있도록 minimum ON-time one-shot 회로와 overlap-free dead-time 매칭회로를 사용하였고 NMOS 게이트 구동회로를 새롭게 설계하였다. 그리고 효율과 충실도를 개선하기 위하여 신개념의 리플 궤환 필터를 설계하여 디지털 증폭기와 아날로그 증폭기 사이에 추가하였다. 제안된 리플 궤환 필터를 사용한 결과 무신호시 손실이 기존의 혼합형 증폭기의 36% 정도로 감소하였고 2kW 혼합형 증폭기의 한 채널에 대하여 1kW 출력 실험을 한 결과 효율은 85.8%였다. 2kW 혼합형 증폭기의 전원장치로 phase-shift full-bridge(PSFB) 타입의 스위치모드 전원장치가 설계되었다. 이 전원장치는 영전압 스위칭이 가능하게 하거나 PSFB 타입에 필연적으로 존재하는 circulation 전류를 출력쪽으로 회생시키는 새로운 형태의 에너지 회생 스너버를 설계하여 적용함으로써 영전류로 스위칭을 할 수가 있었다. 제안된 전원장치는 출력 여유를 고려하여 2.4kW까지 실험을 하였고 이 때 효율은 92.4%로 측정되었다.
