고전력 클래스 D 오디오 증폭기 디자인의 성능 및 안정성 향상

고전력 오디오 애플리케이션에서는 친환경 에너지 표준, 비용 절감에 대한 지속적인 압박, 보다 높은 오디오 충실도에 대한 요구로 인해 클래스 D 증폭기가 채택되고 있다. 클래스 AB 토폴로지 같은 기존 아날로그 구현은 좀 더 복잡하면서도 효율이 떨어지지만 특유의 고충실도 성능으로 인해 첨단 오디오 시장을 석권해왔다. 하지만 클래스 D 시스템은 아날로그 증폭기를 능가하는 충실도를 제공하면서도 보다 단순하고 효율적인 디자인을 통해 이러한 격차를 빠른 속도로 좁혀가고 있다.

아쉬쉬 고칼레(Ashish Gokhale) / 실리콘 래버러토리스, 절연 제품 사업부 마케팅 매니저



클래스 D 증폭기
일반적인 클래스 D 오디오 시스템은 입력되는 오디오 신호를 디지털 PWM 신호로 변환하고 디지털 도메인에 전력 증폭을 추가한 다음 디지털 신호를 다시 아날로그로 변환하여 출력한다. 그림 1에서처럼 들어오는 오디오 신호는 연산 증폭기와 비교기로 구성된 펄스 폭 변조기(PWM)에 적용된다. 이 변조기는 오디오 입력 신호의 순서값에 정비례하게 변조기의 듀티 사이클을 변화시키는 방식으로 오디오 입력을 디지털화한다.
그런 다음 이 PWM 신호는 적절한 레벨로 변이되고 게이트 드라이버에 적용되어 MOSFET(M1 및 M2)으로 구성된 2상 전력 회로를 스위칭한다. 그러면 이를 통해 증폭되는 신호가 출력 필터를 통과하여 PWM 반송파 주파수가 제거되고 최종적으로 스피커를 구동하는 증폭된 아날로그 오디오 신호만 남게 된다. 오디오 출력 충실도는 필터 입력에서 오류 증폭기 입력에 이르는 외부 피드백 루프를 통해 더욱 향상되어 왜곡과 잡음이 줄어든다.

클래스 D 증폭기 디자인
■ 전력 효율
아날로그 전력 증폭기는 그간 고전력 손실에 취약한 선형 증폭 회로에 의존해왔다. 이와 비교해 클래스 D 증폭기의 전력 효율은 디자인에 따라 90% 이상일 수 있다. 이처럼 높은 효율은 증폭 메커니즘이 바이너리 스위치(대개 전력 MOSFET)인 클래스 D 기술 특유의 이점이다. 이러한 스위치는 완전히 켜지거나 꺼지며 이 두 상태 사이를 전환하는 데 소요되는 시간이 매우 적다.
이러한 별개의 스위치 동작과 낮은 MOSFET 온저항으로 인해 I2R 손실이 최소화되고 효율이 증가하게 된다. 하지만 실제로 스위치 전환 시간(데드 타임)은 효율을 떨어뜨리는 슛스루 전류(Shoot-through Current)로 인해 두 스위치가 동시에 켜지지 않도록 하기에 충분할 만큼 길어야 한다.

■ 고충실도
오디오 충실도는 소리가 재생되는 충실도로 정의할 수 있다. 오디오 시스템의 경우 충실도는 모든 것을 아우르는 단어인 ‘음질’을 대신하는 의미로 사용된다. 충실도를 정량화하기 위해 다양한 사양이 사용되지만 이러한 측정치 중 일부는 디자이너에게 까다로운 문제로 작용한다. 가장 어려운 사양 중 두 가지는 총 고조파 왜곡(THD)과 잡음(N)이며 이를 통칭해서 THD+N으로 나타낸다.
THC는 오디오 시스템의 정확도에 대한 측정치이며 고충실도 자체에 매우 가깝다고 할 수 있다. 재생되는 신호에 부정확한 부분이 있으면 입력 주파수의 몇 배에 이르는 고조파에 추가 신호 요소가 생성되어 출력 신호의 순도를 떨어뜨리게 된다. THD는 입력의 기본 주파수 에너지에 대한 모든 고조파 주파수의 원치 않는 에너지의 비율로, 대개 특정 시스템에 대해 전체 전력의 절반으로 측정된다.
출력 잡음 레벨은 신호 입력이 없는 상태에서 증폭기 출력의 잡음 플로어 레벨을 측정한 결과이다. 대부분의 스피커에서 100~500μV의 잡음 플로어는 일반적인 청취 거리에서 들을 수 없지만 1mV 정도로 높은 잡음 플로어는 상당히 거슬리게 들린다. 이를 조합한 THD+N은 특정한 증폭기의 오디오 충실도를 알 수 있는 매우 훌륭한 지표이다.

클래스 D 드라이버 IC: 사양 및 이점
■ 프로그래밍 가능한 데드 타임
클래스 D 증폭기의 데드 타임(즉, 두 스위치가 모두 꺼져 있는 기간)은 THD는 물론 효율에도 직접적인 영향을 준다. 데드 타임이 너무 짧으면 효율을 떨어뜨리는 슛스루 전류가 발생하고 너무 길면 THD가 증가하여 오디오 충실도에 좋지 않은 영향이 발생한다.
전력 효율과 THD를 모두 최적화하는 ‘최상의 지점’에 도달하려면 데드 타임 기간을 정확하게 설정해야 한다. 현재 출시된 일반적인 고전압 오디오 드라이버는 데드 타임 설정이 정확도가 떨어질 뿐 아니라 서로 중복되어 있다(즉, .N분의 1 지연 값). 그 결과 대부분의 디자이너들은 이산 부품을 사용하여 데드 타임 기간을 구현하는데, 이로 인해 비용과 시간이 많은 소요될 수 있다. 좀 더 명쾌하면서도 경제적인 해결책은 게이트 드라이버와 높은 정밀도의 데드 타임 생성기를 통합하는 것이다.

■ 레벨 변이
2상 클래스 D 증폭기를 구현하는 일은 입력 레벨 변이 요구 사항으로 인해 까다로울 수 있다. 고전력 클래스 D 증폭기에서는 전력 MOSFET 스테이지에 대해 고전압 전원 레일(± VSS)을 구성하는 것이 바람직하다. 실제로 사용되는 클래스 D 증폭기 디자인의 경우 ±100Vdc의 전압이면 8Ω에 600W나 되는 오디오 전력을 공급할 수 있다.
출시된 대부분의 고전압 IC(HVIC) 클래스 D 드라이버에는 저전압 변조 섹션에서 고전압 전력 섹션으로 레벨 변이를 수행하는 기능이 없다. 레벨 변이를 제공하는 드라이버는 다른 부분이 부족하여 클래스 D 작동에 적합하지 않다. 예를 들어 드라이버 출력 접지 단자는 음의 전압 레일로 기준 전압이 설정되므로 입력 구동 신호의 레벨 변이를 음의 전원에 대해 수행해야 한다.
이 기능은 이산 부품을 통해 추가되는데, 이렇게 하면 디자인 비용이 많이 들고 디자인하기가 까다로울 뿐 아니라 공간을 과도하게 차지할 수 있다. 고전압 바이폴라 전원 레일에 대한 인터페이스를 제공하는 레벨 변이 솔루션은 클래스 D 디자인에서 중요한 이점을 제공한다.
일반적으로 대부분의 드라이버 솔루션은 입력 간 절연이나 드라이버 간 절연을 제공하지 않는다. 따라서 추가 부품을 통해 레벨 변이 메커니즘을 제공해야 한다.

■ 안정도 및 잡음 내성
현재 나와 있는 일반적인 게이트 드라이버 IC는 20V/ns 이상의 고전압 과도 상태에서 래치업(Latch-up) 현상이 발생하는 경향이 있으며, 대개 전력단에서 정밀한 디지털 입력 측으로 다시 커플링되는 슬루율이 높은 잡음과도 상태에 대한 내성이 없다. 이는 최상의 오디오 충실도를 얻기 위해 잡음 플로어를 가능한 한 낮게 유지하려고 할 때 불리하게 작용하는 부분이다.

■ 고주파 작동
클래스 D 게이트 드라이버에서 제공할 수 있는 최상의 특성 중 하나는 전파 지연을 최소화한 상태로 높은 스위칭 주파수에서 작동하는 기능이다. 이러한 특성은 피드백 경로의 전체 루프 지연을 매우 낮게 유지하여 잡음 성능을 극대화할 수 있다. 고주파 작동 역시 ‘루프 게인’을 개선하여 대개 증폭기의 왜곡 성능을 향상시킨다. 현재 출시된 대부분의 HVIC 드라이버는 변조 주파수를 1MHz까지만 지원한다.

■ 통합
오늘날처럼 경쟁이 치열한 글로벌 시장에서, 이러한 사양이 모두 통합된 솔루션은 클래스 D 증폭기 디자이너에게 꼭 필요한 이점을 제공하여 많은 비용이 드는 디자인 시간, 부품 수, 삽입 비용 그리고 많은 부품 수와 관련하여 은연 중에 나타나는 안정성 저하 문제를 최소화함으로써 제품의 출시 시간을 단축시킬 수 있도록 한다.

요약
클래스 D 증폭은 보다 낮은 THD, 보드 공간 절감, 더 높은 전력 주파수, 줄어든 BOM 비용을 비롯하여 기존 아날로그 증폭기를 훨씬 뛰어넘는 특성을 갖추고 있다. 높은 통합률의 게이트 드라이버 IC는 시스템 아키텍처와 오디오 성능 모두에 매우 좋은 영향을 줄 수 있다.
실리콘 랩(Silicon Labs)의 Si8241/8244 오디오 드라이버는 고전력 클래스 D 솔루션에 필요한 모든 사양을 단일 IC 패키지에 통합한 최초의 디바이스이다. 이러한 게이트 드라이버의 이점에는 THD를 최소화하고 효율을 극대화하기 위한 높은 정밀도의 데드 타임 설정, 디자인의 복잡도를 높이고 부품 수를 늘리는 입력 신호 레벨 변이 회로에 대한 필요성 제거, 절연 출력 드라이버를 통한 손쉬운 2상 스위처 구현, 파워 서플라이 과도 상태에 대한 높은 내성 등이 있다.
Si824x 클래스 D 오디오 드라이버에 대한 자세한 정보와 이러한 게이트가 어떻게 고충실도 오디오 시장에 새로운 패러다임을 제시하는지를 확인하려면 www.silabs.com/audio-driver를 방문하면 된다.