모바일 오디오 제품의 스피커 보호 기법

오늘날 모바일 전자기기(휴대전화와 기타 휴대 오디오 기기)는 음악을 위해서든 음성을 위해서든 갈수록 더 높은 오디오 출력을 요구하고 있다. 그럼으로써 이러한 기기에 내장된 소형 스피커로 가해지는 전기적 스트레스가 이들 스피커의 물리적 및 전기적 한계를 쉽게 넘어설 수 있게 되었다. 오늘날 모바일 오디오 제품에 채택되는 다수의 고성능 스피커 증폭기는 4W 이상의 피크 출력 전력을 제공할 수 있다. 이와 함께 이들 애플리케이션에 채택되는 스피커는 크기가 작기 때문에 전력 정격이 흔히 아주 낮아서 일반적으로 0.5W 미만이다.

Tim Dhuyvetter / 페어차일드 반도체

통상적으로 스피커 효율(전기 전력 입력 W 대 음향 출력 dBSPL)과 전력 정격은 스피커 크기에 비례해서 낮아진다. 그러므로 더 높은 음향 출력을 달성하기 위해서 입력 전력을 높이면 스피커가 영구적으로 손상되는 것을 방지하기 위해서 동적 스피커 보호의 필요성 또한 높아진다.
본 글에서는 스피커를 영구적으로 손상시킬 수 있는 다양한 전기적 및 물리적 효과들에 대해서 살펴보고, 스피커 보호에 현재 이용되고 있는 기법들과 스피커 손상을 방지하기 위해서 이용할 수 있는 새로운 동적 스피커 보호 기법에 대해서 설명한다.

단말기에서의 스피커 손상과 결함
단말기 OEM 회사들이 스피커 손상이나 결함으로 인한 현장 반품 사례가 늘어나고 있다. 더 높은 음향 출력에 대한 요구는 높아지면서 스피커 트랜스듀서는 여전히 작은 크기로 정격이 낮기 때문에 이러한 반품 사례는 계속해서 늘어날 것으로 보인다.
오디오 스피커 손상은 여러 가지의 전기적으로 과도한 스트레스 때문에 일어날 수 있다. 또한 스피커 손상은 예를 들어서 휴대기기를 딱딱한 표면에 떨어뜨리는 경우와 같이 물리적으로 과도한 스트레스가 가해졌을 때도 일어날 수 있다. 이런 일이 일어나면 스피커 다이어프램에 손상이 가고 음성 코일 갭 간격을 왜곡시킬 수 있다. 물리적 스트레스도 문제이지만, 이 글에서는 전기적 스피커 손상을 중심으로 살펴보도록 하겠다.
과도한 열로 인한 스피커 손상은 흔히 일어나는 문제이다. 스피커로 공급되는 높은 평균 전력 때문에 오디오 스피커로 열이 누적된다. 작은 체적으로 높은 전력을 소모함으로써 열이 스피커 소재로 물리적 손상을 일으킬 수 있다. 과도한 열에 의한 손상의 예로는 스피커 다이어프램 뒤틀림이 일어나거나 음성 코일의 절연 파괴가 일어남으로써 결국에 음성 코일 권선 결합이 일어나는 것을 들 수 있다. 또한 과도한 열은 결국에 스피커 자석을 역자화 함으로써 출력 효율을 감소시킨다.
다행히 대부분의 음악과 음성은 파고율(crest factor)이 높은 신호들로 구성되어 있다. 파고율은 피크 대 평균 신호 레벨의 비율로서, 파고율이 높은 오디오 신호는 피크 신호는 높고 평균 전력은 낮다. 파고율이 높은 오디오 신호의 예로는 교향곡을 들 수 있는데 교향곡은 파고율이 12dB 이상이다. 파고율이 낮은 음악의 예로는 고도로 압축된 록 음악을 들 수 있으며 이 음악은 파고율이 3dB이다. 파고율이 낮은 오디오 신호로 스피커를 구동하면 스피커가 재생해야 하는 높은 연속적(또는 평균) 전력으로 인한 과열 때문에 스피커 손상을 일으킬 위험성이 높아진다.
그러므로 파고율이 높은 신호로 이루어진 오디오를 재생할 때는 낮은 전력 정격의 스피커를  이용하고 높은 출력의 오디오 증폭기로 구동할 수 있다. 그러므로 효과적인 동적 스피커 보호를 위해서는 스피커 부하로 공급되는 평균 전력을 모니터링해야 한다.
또한 과도한 피크 전력 신호 때문에 오디오 스피커 손상이 발생할 수 있다. 그러면 스피커를 영구적으로 손상시킬 수 있다. 낮은 듀티 사이클로 짧은 간격으로 발생하는 피크 전력 신호는 스피커로 열이 쌓이도록 하지 않으며 그러므로 평균 전력 효과가 문제가 되지 않는다.
하지만 여전히 피크 신호는 스피커 장치들로 손상을 일으킬 수 있다. 예를 들어서 피크 전력 신호 또한 평균 전력 발열 효과와 마찬가지로 음성 코일 권선 결합을 일으킬 수 있는데 피크 전력은 전력 레벨이 훨씬 높다. 피크 전력 신호는 또한 스피커 다이어프램과 음성 코일 거리(excursion)가 물리적 한계를 초과하도록 함으로써 영구적인 손상을 일으킬 수 있다.
그러므로 스피커로 공급되는 피크 전력 신호를 제한하는 것이 무엇보다도 중요하다. 단순한 신호 제한이나 클램핑을 이용할 수 있으나 이렇게 하면 피크 신호의 왜곡을 일으킬 수 있다. 스피커 손상보다는 왜곡이 나을 수도 있으나, 동적 범위 제어를 이용한 소프트 클리핑(즉 압축)으로 심각한 왜곡을 상당히 줄일 수 있다. 피크 신호는 일반적으로 펄스 폭 지속시간이 짧고 상승 시간이 빠른 오디오 음으로 이루어졌으므로 스피커 보호 기법이 피크 전력을 빠르게 제한할 수 있기 위해서는 응답 시간이 빨라야 한다.
다행히 스피커의 피크 전력 정격이 평균 전력 정격보다 높은데다 오디오 파고율을 결합함으로써 전력 정격이 낮은 스피커에 출력이 높은 증폭기를 이용할 수 있다. 하지만 스피커 손상은 흔히 누적적으로 일어나므로 스피커로 과도한 전력을 구동하면 시간이 지나면서 스피커 효율이 떨어지고 결과적으로 음향 성능을 저하시킬 수 있다.

스피커 보호 기법
기본적인 스피커 보호 기법은 <그림 1>에서 보는 것과 같이 단순히 스피커 증폭기 출력의 전압을 제한하는 것이다. 특정한 스피커 부하 임피던스를 구하면 P=V2/R이라고 하는 공식으로 전압 스윙을 제한함으로써 출력 전력 또한 제한할 수 있다.

하지만 이 방식으로 전력을 제한하는 것은 몇 가지 오차를 일으킬 수 있다. 예를 들어서 제조 허용오차가 스피커 임피던스 변동을 야기할 수 있다. 또한 같은 스피커 제품이라 하더라도 업체가 다르면 스피커 임피던스 값이 다를 수 있다. 온도, 인클로저 규격, 노후화, 기타 요인들이 스피커 임피던스 변동을 야기하고 출력 전력 제한 오차를 일으킬 수 있다.
통상적으로 이 기법은 오디오 신호의 클리핑과 후속 신호의 왜곡으로 이어진다. 또한 이 기법은 제한 레벨을 피크 전력 레벨로 설정하면 과도한 평균 전력을 반영하지 못한다. 더 나은 스피커 보호 기법이 되기 위해서는 출력 피크와 평균 전력 구동을 극대화하면서 과도한 왜곡과 신호 저하를 일으키지 않아야 할 것이다.
위의 논의로부터 만약 증폭기 출력 전력을 측정하고 이 정보를 이용해서 출력 전력 레벨을 제한하거나 제어한다면 스피커 보호를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 스피커로 과도한 전력이 공급되는 것이 스피커 손상의 주된 원인이므로 전력을 제어함으로써 스피커 보호를 향상시킬 수 있다. <그림 2>는 이 구성의 블록 다이어그램을 보여준다. 이 구성에서는 스피커 부하를 구동하는 출력 신호와 이 부하로 흐르는 전류를 개별적으로 측정하고 그리고 이들을 곱해서 실제 출력 전력에 비례하는 신호를 발생시킨다.
일단 출력 전력 신호를 얻었으면 이것을 여러 가지 방식으로 처리할 수 있다. <그림 2>에서는 전력 신호를 직접 이용해서 리미터나 압축 시스템을 제어함으로써 실시간 동적 범위 제어를 달성할 수 있다. 또한 전력 신호를 적분해서 스피커 부하 전력의 평균값을 구하고 이것을 신호 경로의 이득을 낮추는 데 이용하거나 다른 신호 제어에 이용할 수 있다. 오디오 신호의 대부분 전력은 저주파이므로 전력 신호를 이용해서 가변 고역통과 필터를 통해서 저주파 신호 성분을 감소시킬 수 있다.
또한 출력 전력을 모니터링하고 제어함으로써 스피커 제조 허용오차와 각기 다른 업체로 인한 스피커 보호 변동을 줄일 수 있다. 부하 전력은 부하 임피던스에 비례해서 변화하며 그러므로 좀 더 정확한 전력 제한 알고리즘을 달성할 수 있다.
포괄적인 스피커 보호 시스템을 위해서는 다른 물리 파라미터들을 포함시킬 수 있다. 예를 들면, 주변 온도를 이용하거나 직접 스피커에 탑재한 온도 센서를 이용하거나, 온도를 적용해서 출력 전력을 조절할 수 있다. 온도는 대체적으로 서서히 누적되며, 평균 전력 제어에 포함시킬 수 있다.
스피커 증폭기의 효율 손실로 주변 온도와 접합부 온도가 크게 차이가 나기 때문에 통상적으로 스피커 증폭기는 내부 온도 검출을 이용해서 최대 다이 온도를 제한하거나 제어한다. 하지만 이 온도 검출 기법은 실제 스피커 온도를 판단하는 데는 좋은 방법이 아니다. 이보다 좋은 방법은 스피커에 직접 또는 스피커 가까이에 별도의 온도 센서를 탑재하는 것이다.

스피커 포트를 통한 보호
휴대 오디오 제품의 스피커 보호와 관련해서 또 다른 중요한 문제는 스피커 포트를 물리적으로 막아버리는 것이다. 이러한 애플리케이션에 이용되는 오디오 스피커는 크기가 매우 작고 인클로저 체적이 작으므로 사용자가 손가락 등으로 스피커 포트를 완전히 덮어버리는 경우가 흔