클래스 D 오디오 증폭은 긴 배터리 수명과 소형 사이즈를 실현시킴으로써 일반사용자용 오디오 분야에 있어 선택할 만한 솔루션으로 자리잡고 있다. 하지만 디자이너들은 전력 공급, 출력 필터링 및 입력 신호 컨디셔닝 등을 포함해 시스템 내 어디서든 일어날 수 있는 복합적인 문제를 피하기 위해 주의해야만 한다.
글│에릭 하버(Eric Haber, 울프슨 마이크로일렉트로닉스)
스위칭 증폭기 또는 클래스 D 증폭기는 휴대폰 기기를 포함한 MP3 기기에서부터 게임 콘솔, LCD-TV, 홈 시네마에 이르기까지 일반사용자용 오디오 애플리케이션 분야에 있어 급속도로 시선을 끌고 있다. 클래스 D앰프의 가장 뛰어난 점은 막대한 고효율성으로, 실제 85~90%에 이르고 있다. 일반적인 청취 수준에서 선형 클래스 AB 동작은 보통 25% 내외를 달성한다.
핸드헬드 애플리케이션에서 클래스D 의 전력 손실이 낮기 때문에 설계자들은 이를 이용해 배터리 소비를 최소화시키면서 고성능 오디오를 구현할 수가 있다. 배터리 수명은 모든 개인용 커뮤니케이션 기기와 오디오 디바이스의 가장 핵심 장점 사항이다. 오디오 비주얼(AV) 제품과 게임 콘솔과 같은 주요 전력 기기에서 클래스 D의 높은 전력 효율은 방열 절감 효과가 있다. 따라서, 디자이너들은 보다 저렴한 재료비 및 조립비용뿐 아니라 보다 낮은 프로파일 스타일을 구현하기 위해서도 보다 소형의 방열판을 구체적으로 설계할 수 있다. 실제로 전력 공급장치를 보다 주의 깊게 설계하면, 출력 채널당 수 와트 범위까지 방열판 없이 동작 시킬 수 있다.
증폭기 칩 솔루션
클래스 D 증폭기의 기본 토폴로지(topology)는 PWM(Pulse Width Modulator), 파워 브릿지 출력회로 및 저역통과 필터(low pass filter) 등으로 구성돼 있다. 현재 출시돼 있는 클래스 D 증폭기 IC는 증폭기의 스위칭 동작이 만들어내는 EMI 처리와 최적의 스위칭 주파수 선택 등과 같은 설계 과정을 많이 없앴다.
스위칭 주파수를 증가시키면 출력 필터링에 필요한 사양들은 줄어들지만, MOSFET(금속산화막 전계효과 트랜지스터) 게이트 캐패시턴스로 인해 오히려 더욱 많은 손실을 가져온다. 따라서 스위칭 주파수 선택은 외부 부품과 전력 효율성간의 균형이 필요하다. 파워 브릿지의 설계는 증폭기의 필요한 출력에 의해 결정된다. 예를 들어, 클래스 D IC는 헤드폰 드라이버 또는 라우드스피커 드라이버 등에 사용되며, 출력단의 설계는 이런 다양한 설계 사양들에 의해 주요 차이점을 이룬다. 라우드스피커용으로 설계된 증폭기는 방열판 사용 없이도 1W 미만에서 수 와트까지 출력을 만들어 내는데 뛰어나다. 이런 IC 제품들은 PMP에서 게임 콘솔과 LCD TV에까지 많은 소비 애플리케이션에서 싱글 칩 솔루션을 구현한다. 이런 대다수의 애플리케이션 중에서 특히 핸드헬드 제품은 싱글 칩 솔루션이 필수적이다. 하지만 출력 전력이 매우 높은 경우, 클래스 D 증폭기IC 솔루션은 오디오 전력 MOSFET를 이용한 외장형 출력단과 함께 쓰일 수 있다. 그 클래스 D 증폭기 IC는 적절한 전치-드라이버를 지원해야 하며 선택 된 각각의 MOSFET는 디지털 오디오 동작에 최적화돼야만 한다.
필터링
클래스 D MOSFET H-브리지의 출력은 오디오 신호의 구형파 표현이다. 스위칭 주파수 부품은 간섭을 방지하고 최종 제품이 EMC(Electromagnetic Compatibility) 인증을 확실히 통과하기 위해 반드시 줄어들어야만 한다. 가청 대역 바로 위를 잘라낸 저역통과 필터링이 필요하다.
따라서 이들 부품의 축소는 스위칭 주파수가 높아질수록 더욱 좋아진다. 이는 보다 소형의 외장 필터링 부품을 가능하게 한다. 이와 반대로, MOSFET 손실은 스위칭 주파수와 함께 증가하는 경향이 있으며, 이로써 효율성을 낮게 하고 방열의 증가 및 이에 결부된 열 관리 문제로 연결된다. 특히, 스위칭 손실은 동작 주파수와 함께 선형적으로 증가하며, MOSFET 게이트 캐패시턴스에서 발생한다. 따라서 클래스 D 증폭기 IC 출력단의 설계는 손실이 낮은 MOSFET를 만들어 내는 것과 스위칭 주파수를 EMI의 특정 대상에 맞는 수준까지 낮추는 것 등으로 규정될 수 있다.
휴대폰 스피커처럼, 확성기에 필터 없이 연결하는 것은 크기와 비용이 민감한 애플리케이션에서 차별화된 장점이다. 클래스 D 출력이 물리적으로 스피커에 가까우면, 스피커 코일의 기생 저항 및 인덕턴스가 출력단에서 유도자(inductor) 한 개와 콘덴서(capacitor) 한 개를 대체하면서 적절한 R-L 저역통과 필터로 활용될 수 있다. 필터 없는 형태로 활용되는 클래스 D 증폭기 칩의 사례가 바로 울프슨 WM8960이다. 만약 증폭기 출력과 스피커의 거리가 멀게 된다면, 페라이트 비드(Ferrite bead) 형태의 소량의 부가적인 인덕턴스가 EMC 성능을 개선하는 데 필요할 것이다. 그림 1은 페라이트 비드가 있을 때와 없을 때의 헤드폰 출력을 비교한 것이다. 
파워 서플라이 설계
디자이너들은 선형 증폭기를 활용할 때보다 클래스 D 증폭기 IC를 활용할 때, 파워 서플라이의 동작이 오디오 출력에 미치는 효과에 대해 보다 긴밀한 관심을 기울여야 한다. 클래스 D 출력은 공급 레일을 직접 오디오 출력에 효과적으로 연결하는 스위칭단이므로, 전원단의 오디오대역 변동 내역은 출력 신호를 직접 변조할 것이다. 따라서 디자이너들은 반드시 오디오 대역에서 높은 로드레귤레이션을 확실히 구현하거나, 또는 주요 또는 오디오 대역의 리플 효과를 줄이기 위한 과정을 밟아야만 한다.
일련의 제조사들은 필요 시 현재 전원공급장치들에 추가하면 로드레귤레이션을 개선할 수 있는 유동 전압조정기를 제공한다.
각 증폭기 출력마다 별도의 전압조정기를 사용하면 오디오 채널간의 혼선을 줄이는 부가적인 이점이 있다. 아무튼 부가적인 전압조정기나 전압조정기 한 쌍 등은 전체 실행 비용을 더욱 늘릴 것이다. 또한 전압조정기의 전력 감쇄는 클래스 D구현의 핵심적인 사유인 효율 이득을 상쇄한다.
대신, 증폭기에서 전원전압 변동거부비(Power Supply Rejection Ration, PSRR)를 증가시키면 오디오 출력 신호에 대한 로드 레귤레이션효과는 감소한다. PWM 출력의 피드백을 아날로그 오디오 입력에 넣게 되면 공급 전압의 변화를 보충함으로써 PSSR을 올리게 된다. 이는 최대 80dB까지 PSSR을 획득할 수 있으며, 이는 휴대용 애플리케이션용 디퍼렌셜 클래스 AB 증폭기의 PSSR에 매우 근접한 것이다.
하지만 만약 클래스 D 입력 신호가 온전한 디지털 오디오 신호라면, 이 기술은 적용될 수 없다. 모든 디지털 클래스 D 증폭기의 PSRR는 0dB이며 설계 디자이너들은 공급 전압의 정밀한 레귤레이션 구현을 확실히 해야만 한다.
전력 공급의 일시적 성능도 고려돼야만 한다. PWM 파형을 정확히 재생하기 위해서 파워 서플라이는 갑작스런 전류 공급의 변화에도 반드시 신속히 대응할 수 있어야만 한다. 선형 증폭기는 이런 점에서 출력단의 대역이 오디오 범위로 한정되기 때문에 비교적 손쉬운 편이다. 클래스 D 증폭기의 파워 서플라이에서 일시적인 낮은 반응에서 발생하는 오디오 대역 외의 전압 변동은 오디오 출력을 통해 들을 수 있는 고조파의 일그러짐(Harmonic Distortion)을 나타내면서 PWM 신호를 변조할 것이다.
물론, 고용량의 콘덴서를 활용하면 이런 변동 현상을 처리할 수 있다. 하지만 물리적으로 큰 콘덴서는 핸드헬드 제품에는 적합하지 않다. 이와 반대로, 소형 외장 패키지에 들어 있는 고용량 콘덴서는 비싸다.
도움이 될 만한 테크닉으로는 MOS-FET을 다른 출력단에 배치해 최고 공급 전류를 감소시키면서 다른 시기에 스위치하는 것이다. 예를 들어, 울프슨의 5~7.1 채널 디지털 파워 증폭기 컨트롤러인 WM8608은 각 출력 채널당 PWM 신호 사이에서 160ns의 지연 시간을 갖게 해주는 `PWM 출력 상태`(PWM output phase) 기능을 내장하고 있다. 이 기능은 비록 160ns가 출력 상태에서 들을 수 있을 만한 차이를 만들기에는 너무 짧은 시간이긴 하지만, 스위칭 변화를 PWM 주파수 근처에서 확산시키는 효과를 갖고 있다. 6채널 멀티 채널 시스템에서 이 테크닉은 최대 순간 로드 전류를 감소시키고 혼선을 줄인다. 
스위칭 서플라이: 스위칭 증폭기
스위칭 서플라이의 잠재적인 문제점 중에 하나는 대용량의 전류를 빨리 스위칭함으로써 발생하는 EMI다. 이 문제는 스위칭 서플라이와 스위칭 증폭기가 서로 다른 스위칭 주파수에서 동일한 시스템 내에서 동작할 때 더욱 심각해진다. 상호변조는 출력단에서 들을 수 있는 톤을 만들어낸다. 파워 서플라이 스위칭을 클래스 D PWM 변조기와 동기화하면 이런 효과를 제거할 수 있다. 일례로, 울프슨 WM8608은 통합 및 개별적인 스위칭 출력단과 호환되며, 이런 동기화 기능을 제공하는 현재 유일한 PWM 컨트롤러다.
대안으로 클래스 D 증폭기는 제한된 선형 서플라이에서 전원을 얻을 수 있다. 이는 매우 저렴한 가격이 디자인에 앞서는 분야에서 매력적일 수 있다. 하지만 파워 서플라이를 스위칭하는 것은 클래스 D 증폭기를 일반사용자용 오디오 영역으로 이끌었던 것과 똑같은 효율성과 소형화란 장점 때문에 흔히 선호되고 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 9월호>