[논문]고지향성 스피커를 위한 새로운 전력 증폭기 설계

김진영; 김인동; 문원규

doi:10.5370/kiee.2017.66.8.1215

고지향성 스피커를 위한 새로운 전력 증폭기 설계
Design of High-efficiency Power Amplifier System for High-directional Speaker 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.8, 2017년, pp.1215 - 1221

김진영 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong Nat. University) , 김인동 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong Nat. University) , 문원규 (Dept. Mechanical Engineering, Pohang Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Parametric array transducers are used for highly directional speaker in an air environments. Piezoelectric micromachined ultrasonic transducers for parametric array transducers need DC-biased voltage driving signals in order to get high-directional quality-sound features. The existing power amplifier such as class A amplifiers has low efficiency and require large volume heatsinks. To overcome the above-mentioned disadvantages of the conventional amplifier, this paper proposes a new power amplifier system. The proposed power amplifier system ensures high linearity of output characteristic by utilizing the push-pull class B type amplifier. Furthermore, the proposed power amplifier system gets high efficiency because it contains the DC-DC converter-type power supply which can perform energy recovery and envelope tracking function. Also the paper suggests the detailed circuit topology. Its characteristics are verified by the detailed experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 기존의 전력 증폭기는 AC를 기반으로 구현되었으므로 사용하기에 적합하지 못하다. 따라서 본 연구에서는 압전 박막형 트랜스듀서를 위한 새로운 고효율 전력 증폭기를 제안한다. 제안한 전력 증폭기는 Push-Pull Class B 타입의 증폭기를 이용하여 높은 선형성의 출력 특성을 보장한다.
이와 같은 배경으로 본 연구에서는 기존 전력 증폭기의 단점을 보완하는 고효율의 새로운 전력 증폭기를 제안한다. 압전 박막형 트랜스듀서를 고효율로 구동하기 위한 전력 증폭기는 낮은 THD와 출력의 선형성이 보장되어야 한다.

가설 설정

그림 4는 제안하는 전력 증폭기를 구성하는 (a) 전원 공급 장치와 (b) Class-B 타입의 Linear Amplifier의 회로도이다. DC bias 전압 V_mid가 인가된 Class B 타입의 Linear Amplifier는 넓은 대역폭 및 높은 선형성의 출력을 보장하므로 압전 박막형 트랜스듀서를 구동하기에 적합하다.

제안 방법

그리고 전력 공급 장치는 Boost 컨버터와 Buck 컨버터로 이루어진 DC-DC 컨버터이며 높은 전력 효율을 얻기 위한 에너지 회수 기능 및 Q-ET(Quasi Envelope Tracking) 기능을 수행한다.
따라서 제안하는 전력 증폭기는 전력 효율이 낮지만 선형성이 보장되는 class-B 타입의 Linear Amplifier를 사용한다. 또한 전력 효율을 높일 수 있는 기능을 갖는 전원 공급 장치를 제작하여 높은 선형성과 고효율의 특성을 갖는 전력 증폭기 시스템을 구현한다. 본 연구에서 제안하는 전력 증폭기는 프로토타입으로 제작하여 실험을 통해 동작특성을 검증한다.
또한 전력 효율을 높일 수 있는 기능을 갖는 전원 공급 장치를 제작하여 높은 선형성과 고효율의 특성을 갖는 전력 증폭기 시스템을 구현한다. 본 연구에서 제안하는 전력 증폭기는 프로토타입으로 제작하여 실험을 통해 동작특성을 검증한다.
그림 3은 제안하는 전력 증폭기를 포함하는 사운드 생성 시스템의 개요도이다. 제안하는 전력 증폭기는 DC-DC 컨버터로 구성된 전원 공급 장치와 Class-B 타입의 Linear Amplifier로 구성된다. 전원 공급 장치는 AM 변조기로부터 받는 ±Env [V] 신호의 크기에 따라서 공급전압 V_CC와 V_EE를 제어하게 된다.
따라서 본 연구에서는 압전 박막형 트랜스듀서를 위한 새로운 고효율 전력 증폭기를 제안한다. 제안한 전력 증폭기는 Push-Pull Class B 타입의 증폭기를 이용하여 높은 선형성의 출력 특성을 보장한다. 또한, DC-DC 컨버터를 이용하여 에너지 회수 기능과 Quasi Envelope Tracking 기능을 수행하므로 높은 효율을 제공한다.
또한, DC-DC 컨버터를 이용하여 에너지 회수 기능과 Quasi Envelope Tracking 기능을 수행하므로 높은 효율을 제공한다. 제안한 전력 증폭기는 프로토타입으로 제작하여 실험을 통해 동작 특성을 검증하였다. 본 연구에서 제안한 전력 증폭기는 향후 새로운 스피커 시스템의 설계 및 구현에 활용될 것으로 기대된다.

대상 데이터

그림 2는 파라메트릭 어레이 사운드 생성 시스템의 개요도이다. 시스템은 신호 변조기, 전력 증폭기, 트랜스듀서로 구성된다. 신호 변조기에서 생성되는 1차 음파는 수십~수백 [kHz]의 주파수를 갖는다.

이론/모형

압전 박막형 트랜스듀서를 고효율로 구동하기 위한 전력 증폭기는 낮은 THD와 출력의 선형성이 보장되어야 한다. 따라서 제안하는 전력 증폭기는 전력 효율이 낮지만 선형성이 보장되는 class-B 타입의 Linear Amplifier를 사용한다. 또한 전력 효율을 높일 수 있는 기능을 갖는 전원 공급 장치를 제작하여 높은 선형성과 고효율의 특성을 갖는 전력 증폭기 시스템을 구현한다.

성능/효과

하지만 제안하는 전력 증폭기는 Buck 컨버터를 이용하므로 공급전압 V_CC와 V_EE의 제어가 가능하다. 따라서 제안하는 전력 증폭기는 Q-ET 기능을 이용하여 전력 효율을 높일 수 있다. 다만 그림 6의 t₀~t₂ 구간에서 출력전압 V_O의 크기가 증가하였지만 공급전압 V_CC와 V_EE의 크기는 동일하다.
8 [W]의 에너지를 회수하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제안한 전력 증폭기는 기존의 전력 증폭기에 비해 고효율로 동작하는 것을 확인할 수 있다.
전력 증폭기에 9 [V]의 전원이 인가되면 전력 증폭기의 각 컨버터는 전압의 오버슈트가 발생하지 않고 soft-starting 동작을 하는 것을 확인할 수 있다. 또한 전력 증폭기의 DC bias 전압 V_mid가 12 [V]에 도달하는 정상상태가 되면 전력 증폭기는 트랜스듀서에 전력을 안정적으로 공급하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 식 (1)에 비해 식 (2)의 -(V_EE×i_O)가 커질수록 회수되는 에너지의 양이 커지므로 전력 증폭기의 소비전력은 작아진다. 또한 제안하는 전력 증폭기는 압전 박막형 트랜스듀서에 더 큰 DC bias 전압이 요구되어도 에너지 회수 기능으로 인해 전력 손실을 방지할 수 있다.
제안한 전력 증폭기는 Push-Pull Class B 타입의 증폭기를 이용하여 높은 선형성의 출력 특성을 보장한다. 또한, DC-DC 컨버터를 이용하여 에너지 회수 기능과 Quasi Envelope Tracking 기능을 수행하므로 높은 효율을 제공한다. 제안한 전력 증폭기는 프로토타입으로 제작하여 실험을 통해 동작 특성을 검증하였다.
전력 증폭기의 소비전력 PIN_LinearAmplifier은 공급전력 PCC와 회수전력 |PEE|의 차이 값인 PCC-|PEE|가 되며, 트랜스듀서의 구동전압 진폭이 ±3[V]일 때 전력 증폭기는 약 1.8 [W]의 에너지를 회수하는 것을 확인할 수 있다.
을 나타낸다. 트랜스듀서의 구동전압 진폭에 따라서 전력 증폭기는 안정적으로 전력을 공급하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

제안한 전력 증폭기는 프로토타입으로 제작하여 실험을 통해 동작 특성을 검증하였다. 본 연구에서 제안한 전력 증폭기는 향후 새로운 스피커 시스템의 설계 및 구현에 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파라메트릭 어레이 현상을 구현하기에 가장 적합한 매질은 무엇인가?	파라메트릭 어레이 현상을 구현할 수 있는 매질로는 여러 가지가 있으나, 그 중에 압전 박막형 트랜스듀서(pMUT, piezo- electric Micro-machined Ultrasonic Transducer)가 적합하다[4-5]. 이와 같이 압전 박막형 트랜스듀서를 이용하여 가청주파수 대역의 2차 음파를 생성한다면 공기 환경에서도 고 지향성의 가청 음파를 전달하는 스피커 구현이 가능하다.
	가청주파수 영역의 음파의 단점은 무엇인가?	특히, 고주파수의 초음파는 높은 방향성을 가지므로 물체 탐지, 거리측정 등 다양한 목적으로 사용이 가능하다. 하지만 가청주파수 영역의 음파는 전 방향으로 퍼져나가는 특성을 가지므로 특정 방향으로 전달하기에는 어려움이 따른다.
	파라메트릭 어레이 사운드 생성 시스템은 무엇으로 구성되는가?	그림 2는 파라메트릭 어레이 사운드 생성 시스템의 개요도이다. 시스템은 신호 변조기, 전력 증폭기, 트랜스듀서로 구성된다. 신호 변조기에서 생성되는 1차 음파는 수십~수백 [kHz]의 주파수를 갖는다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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