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[기술 리포트] Class D 증폭기를 사용한 오디오 설계 및 측정

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[헬로티]


▷▶옌스 티보 젠슨(Jens Tybo Jensen) Class D 오디오 마케팅 & 애플리케이션 총괄, 인피니언 테크놀로지스


필자는 어려서부터 빠르게 달리는 자동차에 매료되었다. 속도가 빠르면 빠를수록 좋았다. 유치원에서 친구들하고 수퍼카 트럼프 카드놀이를 하면서 어른이 되면 어떤 차를 갖고 싶은지 떠들어댔으며, 대부분의 소년들이 그렇듯이 “최고 속도”니 “제동 마력”이니 하는 것들을 읊어댔다. 주차되어 있는 빠르고 멋져 보이는 자동차 안을 들여다보면서, 내 관심은 온통 속도계의 다이얼에 꽂혀 있었다. 이 계기판의 숫자가 높으면 높을수록 나의 흥미를 사로잡았다.


그러다 곧 속도계 다이얼이 자동차 품질을 판단하는 가장 좋은 방법은 아닐 수 있다는 것을 깨달았다. 점점 자라면서 가속 능력, 토크, 연비 같은 것들이 중요하다는 것을 이해하기 시작했다. 그리고 마침내 운전면허를 따고 내 차를 구입하고 나서는, 진짜로 중요한 것은 이러한 지표들보다도 차를 운전할 때 핸들링 같은 것임을 알게 되었다. 차와 마찬가지로, 오디오의 성능 지표에 대한 나의 견해 또한 세월이 지나면서 변화해 왔다.



FTC의 ‘증폭기 규정’

1970년대 초에 하이파이 증폭기 업체들이 출력 사양을 터무니 없이 선전하자, 공정한 비교의 장을 마련하고 소비자들이 속지 않도록 하기 위해서 1974년에 미국의 FTC(연방 거래 위원회)가 ‘증폭기 규정’이라고 하는 것을 제정했다. 이 증폭기 규정에서는 미국에서 판매되는 증폭기 광고 및 사양 표기와 관련해서, 사인파 신호를 사용해서 증폭기가 주로 설계된 임피던스로 모든 관련 채널들을 채널당 정격 전력의 3분의 1로 구동하고서 연속전력을 측정하도록 했다.


정격전력을 계산하는 것은, 클리핑이 시작될 때 1%나 혹은 10%(이 수준이면 출력이 사인파 곡선보다는 사각파에 가까워 보임)의 사전에 지정된 총 고조파 왜곡(THD) 퍼센트로 증폭기 정격에 따라서 8옴이나 4옴의 지정된 부하 저항으로 사인파 신호를 사용해서 출력 전압(RMS)을 측정해서 이뤄진다. 


그러므로 이 증폭기 규정은 테스트 조건이 이상적이지는 않을지라도, 공정한 비교의 장을 마련한다는 목적을 어느 정도 달성했으며 소비자들이 제품을 더 잘 비교하고 현명하게 구매 결정을 할 수 있도록 했다. 1998년에는 오늘날 홈 오디오나 휴대기기 애플리케이션에 흔히 사용되는 것과 같은 자체 전원 스피커를 포함하도록 증폭기 규정을 수정했다.


그런데 오늘날에는 새로운 오디오 기술이 등장하고 소비자들이 갈수록 안목이 높아짐에 따라서, 오디오 제품의 포장 상자에 출력이 몇 와트로 표기되어 있느냐 보다 실제 청취 및 사용자 경험을 더 중요시하게 됐다.


소비자들은 여전히 소리가 좋고 크게 들리는 오디오 제품을 원한다. 하지만 필자가 이 글에서 설명하고자 하듯이, 증폭기 규정이나 여타의 증폭기 성능 지표가 소비자들이나 제조업체들의 이해를 최대한 반영하고 있지는 못하다.


이번 세기로 접어들면서 Class D 오디오 증폭기가 등장했다. 이 증폭기는 이전 증폭기들에 비해서 전력 효율 면에서 훨씬 우수하다. 특히 고전력 출력으로 그렇다. 이 증폭기가 등장함으로써 이제 오디오 제조사들은 엄청나게 높은 출력 수치를 자랑할 수 있게 되었다. 그리고 마케팅을 할 때 자동차의 ‘최고 속도’에 해당되는 이 숫자를 강조하기 시작했다.


하지만 [그림 1]에서 보듯이, 이전 증폭기들에 비해서 효율이 훨씬 높기는 하지만 기존의 Class D 증폭기는 낮은 출력 전력으로는 효율이 그렇게 좋지 않다. 그런데 문제는, 실제적으로 음성이나 음악 같은 입력 신호는 많은 시간 동안에 휴지(Idle)이거나 Idle에 가까운 상태라는 것이다(다시 말해서 평균 출력 전력이 피크보다 훨씬 낮다). 그러므로 Idle에 가까운 때의 효율이 중요하며 증폭기의 전반적인 전력 효율을 좌우한다.

  

그림 1.


효율이 낮다는 것은 가용 에너지 전부를 스피커 코일을 움직이고 소리를 발생시키는 전류로 변환하는 것이 아니라, 상당 부분의 에너지가 증폭기 내부와 주변으로 열로서 낭비된다는 뜻이다. 증폭기 전력 효율을 유의미하게 평가하기 위해서는 일상적인 음악 및 음성 시나리오로 테스트해야 한다. 자동차 연비를 연구실에서 최대 속도에 가깝게가 아니라 일상적인 운전 조건으로 측정해야 하는 것과 같다. 


최근에는 향상 기술로서 멀티레벨 Class D 증폭기가 등장했다. 이 증폭기는 뛰어난 오디오 품질을 달성하고 음악 신호를 효율적으로 증폭하도록 설계됐다. 이 증폭기를 사용해 오디오 디자이너들이 소비자들을 위해서 더 우수한 제품을 개발할 수 있다.

만약에 전력 효율을 1KHz 사인파 입력 소스를 사용해서 정격 출력 전력으로만 측정하고 스피커 부하가 순수하게 저항성이라고 간주하고 측정한다면, 이 새로운 증폭기의 중요한 특성들을 간과할 수 있다. 그러면 오디오 성능에 있어서나 전반적인 솔루션 비용에 있어서나 최상의 디자인을 달성할 수 있는 기회를 놓치는 것이 된다. 왜 그런지 살펴보자.


멀티레벨 Class D 증폭기란 무엇인가?

기존의 Class D 증폭기는 Idle이거나 Idle에 가까운 모드일 때도 스위칭 동작을 계속한다. 출력 스테이지의 각기 하프 브리지가 듀티 사이클을 변화시켜서 원하는 출력을 발생시킨다. 그런데 스피커로부터 출력이나 소리가 없는데도 내부적으로 스위칭 동작이 계속된다. 이것은 스위칭 손실로 이어진다. [그림 2]에서 음영으로 표시된 것이 이러한 손실에 해당된다.


이와 비교해서 고유의 특허기술 회로 아키텍처를 적용한 멀티레벨 증폭기는 8개 소형 MOSFET을 사용해서 스위치 주파수나 출력 레벨에 있어서 출력을 훨씬 더 세밀한 입도로 조절할 수 있다. 결과적으로 전력 손실을 크게 줄이고, 훨씬 더 세밀한 출력 신호 입도를 가능하게 하고, 그 밖의 많은 부수적인 이점들을 제공한다.


그림 2.


음악의 역동성

실제 오디오 신호 사례로서 [그림 3]과 같은 일상적인 음악 입력 신호라고 하자(출처: Norah Jones, “Come away with me”). 

이 입력 신호의 피크 값은 1V이고, RMS 값은 0.125V이다. 다시 말해서 피크/RMS 비가 8이고, 이것은 18dB의 파고율에 해당된다. 이와 비교해서 사인파 입력은 피크 대 RMS 비가 √2이고, 이것은 3dB 파고율에 해당된다.


4옴 공칭 부하로 레일 전압이 20V인 Class D 증폭기를 사용해서 음악 입력 신호를 증폭한다면(다시 말해서 5암페어 최대 피크 전류, 100W 순간 전력), 이 증폭기가 발생시키는 순간 출력 전력 파형 평균 값 PAVG는 약 1.6W에 불과할 것이다. 

이 수치를 구하기 위해서는 순간 전압과 전류(스피커 부하가 순수하게 저항성이 아니라면 반드시 동위상일 필요 없음)를 곱하고 이것을 시간으로 평균화한다.



또한 ~1.6W 평균 출력 전력이 절대 최대 음량 설정으로 그렇다는 점에 유의해야 한다. 음악 소스에 상관없이 보통의 청취 상황으로는 얌전한 고조파 왜곡 수준(다시 말해서 클리핑을 일으키지 않는 신호)로 파고율이 다소 낮고 결과적인 평균 출력 전력이 훨씬 낮다.


가령 꽤 큰 소리인 70dB SPL을 발생시키는 보통 효율의 스피커로 보통의 음악 청취 레벨을 실제로 측정하면 100W 순간 전력 증폭기를 사용해서도 평균 출력 전력이 약 0.25W에 불과하다(순간 전력 수치보다 400배나 작다).


이것을 고려하지 않고 사인파 입력 소스로 순수하게 저항성 부하를 사용해서 전력 효율을 측정하면 위의 적분 공식을 다음과 같이 축약할 수 있다. 이 공식에서 R은 저항성 부하 임피던스이다.



그런데 음악 신호나 파고율이 높은 여타의 입력 소스 대신에 사인파 입력을 사용하고 스피커 대신에 순수하게 저항성 부하를 사용하면(전류와 전압이 항상 동위상인 것으로 간주) 증폭기의 평균 출력 전력을 50W로 잘못 계산할 수 있다. 이것은 4옴 부하로 20V 피크 사인파 전압의 RMS(제곱 평균 제곱근)로부터 도출된 순간 전력 수치의 절반이다.



이 수치를 “연속 RMS 전력” 또는 “와트 RMS”라고 하며, 이것들이 전자 제품에 표기하기 위해서 CEA(Consumer Electronics Association)에서 정한 규정의 기준이 된다.


그런데 “RMS 전력”이라고 하는 용어는 다소 오해의 소지가 있다. 실제로 우리가 계산하는 전력 출력의 RMS 값이 아니기 때문이다(이 수치가 더 클 수 있는데, 다소 오해의 소지가 있을 수 있는 숫자이다).


“순간”에 대해서 “연속”은 디바이스가 장시간 이 전력 수준으로 연속적으로 동작할 수 있다는 것을 의미한다. 그렇다면 여기서 예를 들고 있는 증폭기는 사인파 입력 소스로부터 저항성 부하로 1kHz로 장시간 50W의 연속 출력을 발생시켜야 할 것이다. 그런데 실제 음악을 재생할 때 보통 평균은 1.6W 미만이다. 그러므로 평균 출력 전력이 31.25배나 과하게 계산됐다.


그림 3. 


1.6W 평균 출력 전력으로 기존의 Class D 증폭기 IC의 효율은 약 20%에 불과하다. 다시 말해서 80%의 에너지가 스피커 코일을 움직이고 소리를 발생시키는 데 쓰이는 것이 아니라 증폭기에서 열로 낭비되는 것이다. 그런데 멀티레벨 증폭기로서 인피니언의 MERUS™ MA12070은 이 출력 레벨로 효율이 50%를 훨씬 넘는다.


휴대형이고 배터리로 작동되는 오디오 애플리케이션이 갈수록 늘어나고 있기 때문에, 작동 시에 효율 차이가 점점 더 중요해지고 있다. 멀티레벨 증폭기를 사용함으로써 실제적으로 배터리 재생 시간을 두 배로 늘릴 수 있다(달리 말해서 배터리 용량을 절반밖에 소모하지 않는다). 그런데 전력 효율을 실제적인 측정 셋업을 가지고 측정하지 않는다면, 다시 말해서 음악 입력이나 파고율이 높은 여타의 신호와 실제적인 스피커 부하 또는 적어도 유도성 부하를 가지고 측정하지 않는다면, 측정이 무의미할 것이다.


또한 사용하고자 하는 증폭기가 높은 출력 전력으로 전력 효율이 적당히 높다고 하더라도, 과도한 연속적 RMS 전력 정격으로 인한 결과적인 열을 발생과 동시에 제거해야 한다. 그래야 증폭기 셧다운을 일으킬 정도로 온도가 상승하는 것을 막을 수 있다. 그러기 위해서 열을 완화하기 위한 설계를 과잉으로 할 수 있다. 필요보다 더 많은 PCB 레이어를 사용하거나 부피가 크고 비싼 히트싱크를 불필요하게 사용하는 것이다. 


이렇게 하기 위해서는 비용이 들기 때문에, 또 다르게는 증폭기 레일 전압을 이상적인 것보다 낮추고 전력 정격을 낮추어서 열 문제를 해결하고자 할 수도 있다. 예를 들어서 원래 설계하고자 했던 20V(100W 피크 용량)가 아니라 12V 레일 전압(4옴으로 36W 순간 피크 용량)을 사용하고자 할 수 있다. 그런데 증폭기의 순간 출력 전력 용량을 낮추면 오디오 시스템의 주관적인 청취 경험에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.


충분히 높은 레일 전압을 확보해서 충분한 여유와 우수한 동적 범위를 달성하는 것은 Class D 증폭기를 사용할 때 사운드 품질을 위해서 무엇보다도 중요하다. 추가적인 에너지를 제공할 수 있는 능력은 꼭 오디오 애호가가 아니더라도 주관적으로 더 깊고 풍부한 사운드를 경험할 수 있도록 한다. 엔진에 따라서 자동차를 운전하는 것이 다르게 느껴지듯이 말이다.


멀티레벨 증폭기는 효율적인 고성능 “오디오 엔진”으로서, 전적으로 음악 재생 용으로 적합하도록 설계되었다. 왜곡되지 않은 높은 SPL 출력과 뛰어난 사운드 품질을 달성하면서 히트싱크를 사용할 필요가 없다. 입력 레벨이 높거나 낮게 변하더라도 전력 효율을 계속해서 높게 유지하며, 동시에 실제 오디오를 형성하는 높은 출력 피크들을 재생하도록 충분한 에너지를 제공할 수 있다.


그러므로 실제 음악 신호와 실제 스피커 부하로 증폭기를 테스트했을 때 확실한 차이를 만들어낸다. 그런데 FTC에서 정의하고 있듯이 저항성 부하로 사인파 입력 소스를 사용해서만 테스트를 한다면, 새로운 기술의 이점을 활용하지 못할 것이며, 이것은 마치 나사에 망치를 사용하는 격이 될 것이다.


사인파 신호 소스는 최악 상황 연속 출력 스트레스 테스트나 여타 테스트에 사용하기에 훌륭하다. 하지만 과잉 설계를 피하기 위해서는 설계 사양과 스트레스 테스트 조건을 별개로 취급할 것을 권장한다. 경험적 원칙으로서, 스트레스 테스트 목적으로는 최대 사인파 피크 출력 전력의 8분의 1이면 충분하다. 여기서 예로 들고 있는 20V PVDD, 4옴 공칭 부하 임피던스, 100W 순간 피크 출력 전력이면 6.25W 연속 전력에 해당된다. 이 정도이면 전력 효율적인 증폭기로 다루기에 알맞으며 히트싱크도 필요하지 않다.


인피니언은 실제적인 활용 사례로 멀티레벨 Class D 증폭기를 어떻게 시험하고, 측정하고, 스트레스 테스트를 할지에 대해서 추가적인 정보들을 제공한다. 다시 한 번 자동차에 빗대어서 말한다면, 어떤 것도 실제로 시운전을 해보는 것만 못하다.


직접 체험해 보기

멀티레벨 Class D 증폭기가 어떻게 유용한지 알아보기 위해서는 오디오 정밀 측정 장비를 사용해서 실제적인 활용 사례로 자신의 귀로 직접 비교 시험을 해볼 것을 권한다. 최종 소비자들이 듣는 바로 그 음악 소스를 사용해7서 테스트를 하는 것이 바람직하다. 음악을 동일한 SPL 레벨로 재생해 본다면 그 차이를 확실히 듣고 느낄 것이라고 확신한다.


실제적인 활용 사례로 Class D 증폭기가 얼마나 효율적으로 작동하는지 판단하기 위한 좋은 지표가 순간 피크 전력과 Idle 전력 소모의 비율을 살펴보는 것이다. 대체로 이 수치가 높을수록 좋다.











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