1958년 처음 제안된 클래스 D 증폭기는 최근 몇 년 동안 더욱 더 보편화되었다. Class D 증폭기는 무엇인가? Class D 증폭기와 다른 종류의 증폭기는 어떻게 비교될 수 있을까? 오디오용으로 Class D가 왜 주목을 받고 있는가? "우수한" 오디오 Class D 증폭기를 만들기 위해 필요한 것은 무엇인가? ADI의 Class D 증폭기 제품의 특징은 무엇인가? 다음 글에서 이러한 질문에 대한 대답을 살펴보기로 하자.
클래스 D 오디오 증폭기에 대한 정의, 사용 이유 및 방법 1
글│에릭 갈라스(Eric Gaalaas), 아날로그 디바이스
오디오 증폭기 배경
오디오 증폭기의 용도는 희망 볼륨과 파워 레벨로 사운드-재생 출력 요소 및 낮은 왜곡에서 충실하면서 효율적인 입력 오디오 신호를 재현해 내는 것이다. 오디오 주파수는 20Hz~20 kHz의 범위에 해당한다. 따라서, 증폭기는 이 범위에서 우수한 주파수 응답을 갖추어야 한다(우퍼나 트위터와 같은 대역 제한 스피커를 구동할 때 범위가 더 작아진다). 출력 성능은 헤드폰의 밀리와트에서 TV나 PC 오디오의 와트를 비롯해 "미니" 홈 스테레오 및 자동차 오디오를 위한 수십 와트, 더욱 강력한 홈 시스템과 극장 및 강연장의 음향을 제공하는 상업용 사운드 시스템을 위한 수백 와트 이상에 이르기까지 애플리케이션에 따라 매우 달라진다.
오디오 증폭기의 간단한 아날로그 구현은 리니어 모드에서 트랜지스터를 사용해 입력 전압의 스케일 카피인 출력 전압을 생성하는 것이다. 순방향 전압 이득은 항상 높다(적어도 40 dB). 순방향 이득이 피드백 루프의 일부라면, 전체 루프 이득도 높아질 것이다. 피드백은 높은 루프 이득이 성능을 향상시키기 때문에 자주 사용된다. 따라서 순방향 경로에서 비선형성으로 야기되는 왜곡을 억압하고 PSR(power-supply rejection)을 증가시킴으로써 전원 공급장치 잡음을 감소시킨다.
Class D 증폭기 장점
기존의 트랜지스터나 증폭기에서, 출력단은 순간적인 연속 출력 전류를 공급하는 트랜지스터를 포함한다. 오디오 시스템을 위한 가능한 수많은 구현 방법은 클래스 A, 클래스 AB, 클래스 B가 포함된다. Class D 설계와 비교해, 출력단 전력 소비는 가장 효율적인 리니어 출력 단에서 크다. 차이점은 수많은 애플리케이션에서 Class D에 상당한 장점을 준다는 것이다. 그 이유는 저전력 소비는 열을 덜 생성시키고, 회로 보드 공간 및 비용을 절약해, 휴대용 시스템에서 배터리 수명을 연장시킨다.
리니어 증폭기, Class D 증폭기, 전력 소모
리니어 증폭기 출력 단은(커패시터를 통해 여러 경우에) 스피커로 직접 연결된다. 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)가 출력 단에서 사용되는 경우, BJT는 일반적으로 대규모 콜렉터-에미터 전압으로 리니어 모드에서 동작한다. 출력 단은 그림 1에서 보듯이 MOS 트랜지스터로 구현될 수 있다.
그림 1. CMOS 리니어 출력단
전력은 모든 리니어 출력 단에서 소비된다. 그 이유는 VOUT을 생성하는 공정이 적어도 하나의 출력 트랜지스터에서 비제로 IDS 및 VDS를 불가피하게 야기시킨다. 전력 소비량은 출력 트랜지스터를 바이어스하기 위해 사용되는 방법에 매우 의존된다.
Class A 토폴로지는 dc 전류 소스로써 트랜지스터들 중에 하나를 사용하며, 스피커가 요구하는 최대 오디오 전류를 공급할 수 있다. 우수한 음질은 Class A 출력 단으로 가능하다. 그러나 전력 소비가 과도하다. 그 이유는 대규모 dc 바이어스 전류가 출력 단 트랜지스터(우리가 원하지 않는 것)에서 항상 흐르며, 스피커로 전달되지 않는다(우리가 원하는 것).
Class B 토폴로지는 dc 바이어스 전류를 제거하며 전력을 매우 적게 소비시킨다. 출력 트랜지스터는 푸시-풀 방법으로 개별적으로 제어되어, MH 디바이스가 스피커에 파지티브 전류를 공급할 수 있게 하며, ML이 네거티브 전류로 싱크할 수 있다. 이것은 트랜지스터를 통해 전달된 유일한 신호 전류로 출력단 전력 소비를 감소시킨다. 그러나 Class B 회로는 출력 전류가 0으로 통과되고 트랜지스터가 온/오프 조건 사이에서 변동될 때 비선형성 동작(크로스오버 왜곡)으로 인해 음질이 좋지 않다.
Classes A와 B를 결합시킨 Class AB는 dc 바이어스 전류를 사용한다. 그러나 순수한 Class A 설계 보다 훨씬 더 작다. 소량의 dc 바이어스 전류는 크로스오버 왜곡을 방지할 정도로 충분하며, 우수한 음질을 실현할 수 있다. Class A와 Class B 사이에 제한이 있더라도, 전력 소비는 Class B에 비해 훨씬 더 근접해 있다. Class B 회로와 유사하게, Class AB 회로가 대규모 출력 전류를 공급하거나 싱크시킬 수 있도록 일정한 제어가 요구된다.
안타깝게도, 훨씬 잘 설계된 class AB 증폭기 조차 상당한 전력을 소비한다. 그 이유는 이 증폭기의 중간 범위의 출력 전압이 파지티브 혹은 네거티브 전원 레일 모두에서 매우 멀리 떨어져 있기 때문다. 대규모 드레인-소스 전압은 하락하여 따라서 상당한 IDS 3 VDS 순간 전력 소비를 생성한다. 다른 토폴로지(그림 2)로 인해, Class D 증폭기는 위의 것보다 훨씬 더 적은 전력을 소비한다. 출력단은 파지티브 및 네거티브 전원 공급장치 사이에서 변경된다. 따라서 전압 펄스의 트레인을 생성한다. 이 파형은 전력 소비에 대해 양호하다. 그 이유는 출력 트랜지스터가 스위칭되지 않을 때 제로 전류를 가지며, 전류를 유도할 때 낮은 VDS를 갖는다. 따라서 더 적은 IDS X VDS을 제공한다.
그림 2. Class D 개발형 루프 증폭기 블록 다이어그램
대부분의 오디오 신호가 펄스 트레인이 아니기 때문에 모듈레이터는 오디오 입력을 펄스로 변화하기 위해 포함되어야 한다. 펄스의 주파수 컨텐츠는 희망 오디오 신호와 모듈레이션 과정과 관련된 상당한 고주파수 에너지 모두를 포함한다. 저대역 필터는 EMI(electromagnetic interference)를 최소화하기 위해 출력단과 스피커 사이에 삽입되며 너무 높은 고주파수 에너지를 가진 스피커의 구동을 피한다. 필터(그림 3)는 스위칭 출력단의 전력 소비 장점을 보유하기 위해 손실이 없어야(혹은 거의 비슷하게) 한다. 필터는 커패시터와 인덕터를 보통 사용하며, 스피커가 되는 소비적인 요소만을 갖추고 있다.
그림 3. 차동형 스위칭 출력단 및 LC 저대역 필터
그림 4는 Class A 및 Class B 증폭기를 위한 이상적인 출력단 전력 소비(PDISS)와 AD1994 Class D 증폭기를 위해 측정된 소비를 비교한 것으로, 오디오-주파수 사인파 신호를 기준으로 스피커(PLOAD)로 제공되는 전력에 대해 좌표로 나타나있다. 전력 숫자는 전력 레벨 PLOADmax 에 표준화되어 있다. 여기서 사인은 10% THD(total harmonic distortion)을 충분히 야기할 정도로 클립 되었다. 수직 선은 클리핑이 시작되는 PLOAD를 가리킨다.
전력 소비의 중요한 차이는 특히 높은 값과 중간 값에서 광범위한 부하로 볼 수 있다. 클리핑의 온셋에서, Class D 출력 단의 소비는 Class B보다 2.5배 더 적으며, Class A 보다 27배 더 적다. 더욱 많은 전력이 스피커로 제공되는 것보다 Class A 출력단에서 소비된다는 점을 명심하자. 대규모 dc 바이어스 전류를 사용한 결과이다.
그림 4. Class A, Class B, Class D 출력 단에서 전력 소비
출력단 전력 효율성 Eff는 다음과 같이 정의된다:
클리핑의 온셋에서, Class A 증폭기에 대해 Eff = 25%, Class B 증폭기에 대해 78.5%, Class D 증폭기에 대해 90%이다(그림 5참조). Class A 및 Class B에 대한 최고의 값은 교재에 언급된 내용에 있다.
그림 5. Class A, Class B, Class D 출력단의 전력 효율성
전력 소비와 효율성의 차이는 중간 전력 레벨에서 확대된다. 이것은 오디오를 위해 중요하다. 그 이유는 소리가 큰 음악의 장기적인 평균 레벨이 순간적인 피크 레벨보다 훨씬 더 작다(음악 유형에 따라 5~20의 계수). 이것은 PLOAD max에 도달한다. 따라서, 오디오 증폭기의 경우, [PLOAD = 0.1 3 PLOAD max]는 PDISS를 평가할 수 있는 지점에서 합리적인 평균 전력 레벨이 된다. 이 레벨에서, Class D 출력단 소비는 Class B 보다 9배 더 적으며, Class A보다 107배 더 적다.
10-W PLOAD max를 갖춘 오디오 증폭기를 위해, 1 W의 평균 PLOAD는 실질적인 청취 레벨로 고려될 수 있다. 이 조건 하에서, 282mW는 Class D 출력단 내에서 소비되며, 2.53 W는 Class B 출력 단에서, 30.2 W는 Class A 출력단에서 소비된다. 이 경우, Class D 효율성은 90% 더 높은 출력에서 78%까지 감소된다. 그러나 78%는 각각 28% 및 3%인 Class B 및 Class A 효율성 보다 더 높을 수 있다.
이러한 차이점은 시스템 설계를 위해 중요한 결과를 가져온다. 1W 이상의 전력 레벨의 경우, 리니어 출력단의 과도한 소비는 상당한 냉각 측정을 요구해 수용할 수 없는 과열을 방지시킨다. 일반적으로 히트 싱크로써 금속의 대규모 판이나 증폭기에 대한 공기를 불어넣을 수 있는 팬을 사용한다. 증폭기가 집적회로로써 구현된다면, 규모가 크고 값비싼 온도 기능이 향상된 패키지는 열 전송을 이용하기 위해 필요할 수 있다. 이러한 요구사항들은 공간이 중요한 평면 TV 혹은 더욱 많은 채널 수가 고정 공간으로 몰려 있는 자동차 오디오와 같은 소비자 제품에서 부담이 된다.
1W 미만의 전력 레벨의 경우, 낭비 전력은 과열 생성보다 더욱 많은 어려움이 존재할 수 있다. 배터리에서 전력을 받게 되면, 리니어 출력단은 Class D 설계보다 배터리 충전을 더욱 신속하게 드레인 할 것이다. 위의 예에서, Class D 출력단은 Class B보다 2.8배 더 적은 전원 전류를 소모하며 Class A보다 23.6배 더 적은 전원 전류를 소모한다. 그 결과 휴대폰, PDA, MP3 플레이어와 같은 제품에서 사용되는 배터리 수명에서 큰 차이가 나타난다.
단순함을 위해서 지금까지의 분석은 오로지 증폭기 출력단에만 초점을 맞추었다. 그러나, 증폭기 시스템에서 전력 소비의 모든 소스를 고려할 때, 리니어 증폭기는 낮은 출력 전력 레벨에서 Class D 증폭기에 더욱 선호적으로 비교될 수 있었다. 그 이유는 스위칭 파형을 생성하고 변조하기 위해 요구되는 전력은 낮은 레벨에서 중요해질 수 있다. 따라서, 잘 설계된 저-중간급 전력 Class AB 증폭기의 시스템 폭 대기 소비는 Class D 증폭기를 사용해 더욱 경쟁력을 갖출 수 있게 한다. Class D 전력 소비는 고출력 전력 범위를 위해 의심할 것도 없이 더욱 우수하다.
Class D 증폭기 전문용어 및 차동형 vs.단일 종단형 버전
그림 3은 Class D 증폭기에서 출력 트랜지스터와 LC 필터의 다른 구현을 보여준다. 이 H-브리지는 필터에 반대 극성의 펄스를 제공하는 2개의 하프-브리지 스위칭 회로를 보유한다. 이것은 인덕터 2개, 커패시터 2개, 스피커로 구성되어 있다. 각각의 하프-브리지는 2개의 출력 트랜지스터를 포함한다. 즉 하나의 하이-사이드 트랜지스터(MH)는 네거티브 전원에 연결되어 있으며 하나의 로우-사이드 트랜지스터(ML)은 네거티브 전원에 연결되어 있다. 여기서 다이어그램은 하이-사이드 pMOS 트랜지스터를 보여준다. 하이-사이드 nMOS 트랜지스터는 크기와 커패시턴스를 감소시키기 위해 사용되나, 특정한 게이트-드라이브 기법들은 이것들을 제어하기 위해 요구된다.
풀 H-브리지 회로는 단일 전원(VDD)에서 일반적으로 동작하며, 네거티브 전원 단말기(VSS)를 위해 사용되는 접지를 갖추었다. 주어진 VDD 및 VSS의 경우, 브리지의 차동적인 속성은 출력 신호의 2배 및 단일 종단형 구현의 출력 전력 4배를 실현할 수 있다는 것을 의미한다. 하프-브리지 회로는 바이폴라 전원 공급장치나 단일 전원에서 전력을 공급받게 될 수 있다. 그러나, 단일 전원 버전은 블록킹 커패시터가 추가되지 않는 경우, 스피커에 대해 잠재적으로 유해한 dc 바이어스 전압, VDD/2를 부과한다.
하프-브리지 회로의 전원 공급장치 전압 버스는 LC 필터의 대규모 인덕터 전류로 정상적인 값 이상으로 "펌프"될 수 있다. 펌프 과도 상태의 dV/dt는 VDD 및 VSS 간의 대규모 디커플링 커패시터를 추가함으로써 제한될 수 있다. 풀-브리지 회로는 버스 펌프로 문제를 겪지 않는다. 그 이유는 하프-브리지로 흐르는 인덕터 전류가 다른 하프-브리지를 나와 흐르고, 전원 공급장치를 최소한으로 교란시키는 로컬 전류 루프를 생성하기 때문이다.
오디오 Class D 증폭기 설계 요소
저전력 소비는 오디오 애플리케이션을 위해 Class D를 사용하기 위한 강력한 동기부여를 제공한다. 그러나 설계자들이 준수해야 할 중요한 과제가 있다.
- 출력 트랜지스터 크기 선택
- 출력 단 보호
- 음질
- 변조 기법
- EMI
- LC 필터 설계
- 시스템 비용
출력 트랜지스터 크기 선택
출력 트랜지스터 크기는 광범위한 신호 조건에서 전력 소비를 최적화하기 위해 선택된다. 대규모 IDS를 전도하는 것은 출력 트랜지스터의 온저항(RON)을 작게(일반적으로 0.1V~0.2V) 요구할 때 VDS를 확실히 작아지게 한다. 그러나, 이것은 상당한 게이트 커패시턴스(CG)로 대규모 트랜지스터를 요구한다. 커패시턴스를 변경하는 게이트 구동 회로는 CV2f의 전력을 소비한다. 여기서 C는 커패시턴스이며 V는 충전 기간 동안 전압 변경이다. f는 스위칭 주파수이다. 이 "스위칭 손실"은 커피시턴스나 주파수가 너무 높을 경우 과도하게 된다. 따라서, 실질적인 상위 제한이 존재한다. 트랜지스터 크기의 선택은 전도 기간 동안 IDS X VDS 손실을 최소화하는 것과 스위칭 손실을 최소화하는 트레이드-오프에 놓여 있다. 전도성 손실은 고출력 전력 레벨에서 전력 소비와 효율성을 지배할 것이며, 반면 소비는 낮은 출력 레벨에서 스위칭 손실이 지배하게 된다. 전력 트랜지스터는 스위칭 애플리케이션에서 전체 전력 소비를 감소시키는 디바이스의 RON X CG 제품을 최소화하려고 하며, 스위칭 주파수의 선택에서 유연성을 제공하려고 시도한다.
출력단 보호하기
출력단은 잠재적인 수많은 조건으로부터 보호되어야 한다.
과열
Class D의 출력단 전력 소비는 리니어 증폭기의 출력단 전력 소비보다 낮더라도 증폭기가 오랜 시간 동안 매우 높은 전력을 제공해야 할 경우 출력 트랜지스터를 위험에 빠뜨리는 레벨에 여전히 도달할 수 있다. 위험한 과열을 방지하기 위해, 온도 모니터링 제어 회로가 필요하다. 간단한 보호 회로에서, 출력단은 온-칩 센서로 측정될 때 온도가 열 셧다운 안전 임계값을 초월할 경우 셧 오프 되며, 냉각 될 때까지 보존된다. 온도가 셧다운 임계를 초과하는지에 관해 간단한 2진 표시를 제외하고, 센서는 추가적인 온도 정보를 제공할 수 있다. 온도를 측정함으로써, 제어 회로는 볼륨 레벨을 점차적으로 감소시킬 수 있으며, 열 셧다운 상황에 상당한 정도의 기간이 강요되는 것 대신 제한 내에서 전력 소비를 감소시키고 온도를 유지시킨다.
출력 트랜지스터에서 과도한 전류 흐름
출력 트랜지스터의 낮은 온 저항은 출력단과 스피커 단말기가 적절하게 연결되어 있다면 문제가 되지 않는다. 그러나 상당한 양의 전류는 이러한 노드가 다른 노드로 단락되게 할지 또는 파지티브나 네거티브 전원 공급장치로 단락되게할 지의 결과를 제공할 수 있다. 점검되지 않는 경우, 이러한 전류를 트랜지스터나 주변 회로에 손상을 줄 수 있다. 결과적으로, 전류 감시 출력 트랜지스터 보호 회로가 필요하다. 간단한 보호 회로도에서, 출력단은 출력 전류가 안전 임계값을 초과할 경우 셧 오프된다. 더욱 정교한 회로도에서, 전류 센서 출력은 증폭기로 다시 제공되어, 최대 안전 레벨로 출력 전류를 제한하려고 하면서 증폭기가 셧다운 없이 연속적으로 동작할 수 있게 한다. 이러한 회로도에서, 셧다운은 시도된 제한인 비효율적인 것으로 검증되는 경우 마지막 보류가 될 수 있다. 효율적인 전류 리미터는 스피커 공진으로 인한 잠깐의 대규모 과도 전류가 나타날 때 증폭기를 안전하게 동작시켜 줄 수 있다.
과전압
대부분의 스위칭 출력단 회로는 파지티브 전원 공급장치 전압이 충분히 높을 경우에만 잘 동작한다. 과전압 조건이 발생할 경우 문제가 발생한다. 여기서 전원 공급장치는 너무 낮다. 이 문제는 과전압 록아웃 회로로 보통 조정된다. 이것은 전원 공급장치 전압이 과전압 록아웃 임계값 이상일 경우에만 출력단이 동작할 것을 허용한다.
출력 트랜지스터 턴-온 타이밍
MH 및 ML 출력 단 트랜지스터(그림 6)는 매우 낮은 온 저항을 갖고 있다. 따라서 MH 및 ML 모두가 동시에 존재하는 상황을 피하는 것이 중요하다. 그 이유는 이것은 트랜지스터와 대규모 슛-쓰루 전류를 통해 VDD에서 VSS의 낮은 저항 경로를 생성할 것이기 때문이다. 최상으로, 트랜지스터는 과열될 것이고 전력을 소비하게 될 것이다. 최악의 경우, 트랜지스터가 손상될 수 있다. 트랜지스터의 브레이크-비포-메이크(Break-before -make) 제어는 턴온 하기 전에 트랜지스터 모두를 끄게 함으로써 슛-쓰루 상황을 방지한다. 트랜지스터가 모두 오프되는 시간 간격을 비오버랩 타임(nono-verlap time) 혹은 데드 타임(dead time)이라고 부른다.
그림 6. 출력단 트랜지스터의 브레이크-비포-메이크 스위칭
