Recently developed portable devices such as PDAs, MP3 players, and DMB phones employ a power amplifier to drive a small loud speaker. The requirements for this power amplifier are low power consumption, high efficiency, and low distortion. The class-D audio amplifier has been developed to meet these requirements and has been improved significantly owing to advancing technology. While the class-D amplifier satisfies the high efficiency requirement, it requires an output filter for good sound quality. Moreover, it has an EMI problem that is generated by a hard switching noise. These problems adversely affect the applicability of the class-D amplifier to portable devices. In order to make this amplifier suitable for portable applications, the size of its output filter should be reduced. That is, the switching frequency of the class-D amplifier should be raised. However, the conventional class-D amplifier is limited in increasing the switching frequency, as it suffers from both a reverse recovery current loss and the aforementioned EMI problem. In order to overcome these problems, a Δ-Σ modulator power amplifier is proposed in this paper. Utilizing high-speed switching of the Δ-Σ modulator, the size of the output filter is reduced. The switching noise and power loss problems are solved via implementation of soft switching through a zero voltage switching (ZVS) power transfer circuit. In addition, the efficiency of the power amplifier is improved by utilizing an adaptive power control (APC) circuit. The proposed amplifier can operate up to 20MHz switching frequency. The maximum efficiency is 80% with a 4Ω speaker at 1% THD+N, and the lowest THD+N is 0.048%.
최근 포터블 전자기기 제품들의 급속한 발달과 더불어 휴대용 오디오 기기에서의 오디오 증폭기에 대한 관심 또한 높아지고 있다. Class-AB 증폭기에 비해 상대적으로 전력소모가 낮은 class-D형태의 오디오 증폭기가 많이 개발 되어왔다. 하지만 외부소자에 의해 상대적으로 부피가 크고 음질이 떨어지는 단점을 보안해야만 한다. 본 논문에서는 오버 샘플링 Δ-Σ ZVS modulator power D/A 변환회로를 사용한 새로운 개념의 오디오 증폭기를 제안하였다. 기존의 PWM class-D 증폭기는 reverse recovery 전류에 의한 power loss의 문제점과 EMI 문제점을 가지고 있기 때문에 스위칭 주파수를 높여서 출력필터의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있다. 최근 논문에서는 스위칭 손실 및 EMI 문제를 해결하기 위한 여러 연구들이 진행 중에 있다. 본 논문에서는 스위칭 주파수를 높여도 스위칭 손실이 적은 Δ-Σ ZVS modulator class D 오디오 증폭기를 제안하였다. 기존의 class-D 증폭기와 달리 over-sampling을 통해서 스위칭 주파수를 상당히 높였고, 고속 스위칭에 따른 스위칭 손실을 ZVS 제어를 통해서 최소화 할 수 있었다. 전체 단위 power의 크기는 입력신호의 크기와 관계가 있다. 입력신호가 작을 때는 스피커로 공급되는 power는 작게 되고 반대로 입력신호가 클 때는 스피커로 공급되는 power 또한 커지게 된다. 그래서 단위 power크기는 입력신호가 최대값을 가질 때도 충분히 power를 공급할 수 있도록 크기가 설정 되어야 한다. 하지만 그렇게 되면 입력신호가 작은 부분에 대해서는 필요이상의 power전달에 의해서 power 손실이 증가하게 된다. 본 논문에서 그런 문제점을 개선하기 위해서 Adaptive Power Control을 제안하였다. 출력이 입력을 잘 따라 가도록 단위 power의 크기를 조절하여 항상 최적의 단위 power크기를 가지도록 하였다. APC의 구현은 입력과 출력의 차이를 감지해서 인덕터 전류의 피크 레벨을 가변 하도록 설계 되었다. 출력이 입력을 따라 가지 못해서 에러 신호가 커지게 되면 인덕터 전류의 피크 레벨을 증가시켜서 단위 power의 크기를 증가시키고 또 반대로 에러신호가 작을 때는 인덕터 peak 전류를 줄이도록 제어가 된다. ZVS 제어와 APC를 통해서 고속 스위칭에 따른 손실을 최소화 할 수 가 있었다. 3.3V 전원 소스를 이용하였고 외부소자의 크기를 최소화 하기 위해서 chip inductor와 chip capacitor을 사용했고, 200nH의 매우 작은 inductance 와 1uF capacitance를 각각 사용하여 동작시켰다. 입력이 1kHz, 3Vp-p 신호에 대해서 8Ω load에서 THD는 0.048%가 나왔으며 4Ω 저항에서 THD가 1%일 때의 최대효율은 80%가 측정되었다. 입력이 idle switching 일 때는 즉 최대 스위칭 주파수는 20MHz 이고 입력이 최고 클 때의 최소 주파수는 1MHz로 측정되었다.
