클래스 D 증폭기로 휴대용 저전력 오디오 회로 설계 단순화

이 기사에서는 다양한 오디오 증폭기 유형의 차이점, 클래스 D 증폭기의 작동 이론 및 이러한 증폭기가 어떻게 효율을 높이며 전력 요구 사항 및 크기를 줄여주는지 설명합니다.

핸드셋 및 휴대용 IoT 장치용 오디오 회로에 필요한 중요한 특성으로는 저전력, 작은 크기 및 낮은 발열을 들 수 있습니다. 하지만 오디오 증폭기는 대형 방열판이 필요한 비효율적인 열 발산기인 경우가 많습니다. 크기와 전력 요구 사항을 줄이는 데 있어 클래스 D 또는 디지털 증폭기는 훌륭한 솔루션을 제공합니다.

스위치 모드 전원 공급 장치가 전원에 제공하는 역할을 클래스 D 증폭기가 오디오 재생에 제공합니다. 클래스 D 증폭기를 사용하면 오디오 입력은 전원 장치를 온 및 오프 수준 간에 구동하는 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 인코딩되며, 변환 도중에서 전력이 소모됩니다.

이러한 "디지털" 증폭기는 오디오 앰프의 효율을 많이 증가시켜 열 발산을 낮추고 물리적 크기도 줄여줍니다. 또한 최근 개발에 의해 변조 스키마가 변경되어 출력에 더 이상 저역 통과 필터가 불필요함에 따라 크기와 복잡성이 더욱 줄어들었습니다.

아날로그 전력 증폭기

아날로그 전력 증폭기의 개발은 충실도를 향상시키는 동시에 증폭기 효율성을 높이는 데 주력해 왔습니다. 증폭기는 작동 또는 바이어스 포인트와 전도되는 단일 신호 주기의 백분율에 따라 A, B, AB 또는 C 문자로 분류됩니다(그림 1).

그림 1: 클래스 A, B, AB 및 C 아날로그 증폭기의 작동 바이어스 및 신호 전도 (이미지 출처: DigiKey)

클래스 A 증폭기(왼쪽 위)는 입력 신호의 전체 주기 동안 전도됩니다. 입력-출력 작동 특성의 중간 지점에서 바이어스됩니다. 신호 충실도는 우수하지만, 입력 신호가 없어도 증폭기가 항상 켜져 있으므로 효율이 떨어지는 경향이 있습니다.

클래스 B(왼쪽 아래) 증폭기는 차단 시 증폭기를 바이어스하여 효율을 높이기 위한 것입니다. 증폭기는 입력 주기의 절반만 전도합니다. 일반적으로 회로는 양극 및 음극 입력 전이 모두를 증폭하기 위해 푸시풀 토폴로지로 구성됩니다. 신호가 없으면 증폭기가 전도되지 않으므로 효율성이 높아집니다. 하지만 이 장점은 입력 극성의 전이 지점에서 발생 가능한 크로스오버 왜곡으로 인한 충실도의 손실로 인해 상쇄됩니다.

크로스오버 왜곡 문제는 증폭기의 바이어스 포인트를 약간 더 높게 이동하여 해결할 수 있습니다. 이런 증폭기가 바로 클래스 AB 증폭기(오른쪽 위)입니다. 이 유형의 증폭기 역시 푸시풀 구성에서 일반적으로 사용됩니다. 클래스 AB 증폭기는 오디오 전력 응용 제품에 가장 일반적인 유형입니다.

클래스 C 증폭기(오른쪽 아래)는 입력 주기의 매우 작은 부분에서 전도되도록 설계됩니다. 효율성은 높아지지만 충실도가 낮습니다. 이러한 증폭기는 출력 부하가 올바른 파형을 복원하는 공진 회로인 RF 전력 설계에 응용됩니다.

이러한 아날로그 증폭기의 효율성을 향상시키기 위한 전략은 클래스 C 증폭기에서처럼 증폭기의 전도 단계를 가능한 짧은 기간으로 축소하는 데 집중하는 것입니다.

클래스 D 기본 사항

클래스 D 증폭기는 이와 다른 접근법을 취하여 스위치 모드 전원 공급 장치와 흡사하게 작동합니다(그림 2).

그림 2: 클래스 D 증폭기는 아날로그 입력을 PWM 파형으로 변환하여 FET 스위치 풀 온 또는 오프를 구동합니다. 출력 저역 통과 필터가 스피커에서 아날로그 파형을 복원합니다. (이미지 출처: DigiKey)

클래스 D 증폭기는 입력 아날로그 신호를 펄스 폭 변조(PWM) 파형으로 변환합니다. PWM 파형은 각 펄스에 대해 푸시풀 FET 출력단 완전히 켜기 또는 끄기를 구동합니다. FET 중 하나가 켜지면 이를 통한 전류는 높지만, 전압은 매우 낮기 때문에 켜기와 끄기 상태 사이의 짧은 전이 도중에만 전력이 소비됩니다. 마찬가지로 FET가 꺼지면 전압은 높지만, 전류는 거의 0입니다. 상태 전환을 제외하고는 내전력이 없습니다.

아날로그 파형을 PWM 파형으로 변환하는 작업은 원하는 스위칭 주파수에서 삼각 또는 램프 파형이 다른 입력에 적용될 때 비교기의 입력 하나에 아날로그 파형을 적용하여 수행됩니다(그림 3). 상단 트레이스는 입력 파형을 나타내며 이 경우 비교기의 입력 하나에 적용되는 10kHz 사인파입니다. 중앙 트레이스는 다른 비교기 입력에 적용되는 250kHz 삼각파입니다. 비교기의 출력은 하단 트레이스에 표시된 PWM 파형입니다. 펄스 폭은 입력 신호의 증폭에 따라 달라집니다.

그림 3: 아날로그 입력에서 PWM 신호를 만들려면 입력 신호(위쪽) 및 삼각 또는 램프 기능(가운데)이 필요합니다. 그런 다음 둘 모두 비교기의 입력에 적용되어 입력 신호 진폭(아래쪽)에 따라 달라지는 펄스 폭의 PWM 신호를 생성합니다. (이미지 출처: DigiKey)

FET 푸시풀 전력 스테이지의 출력 역시 PWM 신호입니다. 이 신호가 간단한 인덕터-커패시터(L-C) 저역 통과 필터에 적용되어 증폭된 아날로그 파형을 복원합니다. 삼각파의 주파수는 저역 통과 필터의 코너 주파수보다 높아야 합니다.

PWM의 대안은 펄스 밀도 변조(PDM)입니다. PDM은 밀도가 아날로그 입력 진폭의 기능에 따라 달라지는 일련의 단기 사각 펄스를 사용합니다. 이 펄스는 시그마-델타 변조를 사용하여 생성됩니다.

클래스 D 증폭기의 이득은 버스 전압의 영향을 받습니다. 전력 공급 제거율은 낮지만 증폭기 주위의 피드백을 사용하여 교정됩니다. 필터 입력에서 피드백을 가져오는 그림 2의 제품 구성도에서 이를 볼 수 있습니다.

클래스 D 증폭기의 주요 이점은 약 90%에 달하는 높은 효율입니다. 가장 근접한 아날로그 증폭기인 클래스 AB 증폭기(효율 50~70%)보다 훨씬 효율이 높습니다.

효율이 높아 물리적으로 크기를 줄일 수 있으며 방열판 및 냉각 팬도 제거할 수 있습니다. 휴대용 장치에 적용할 때는 효율이 높으면 배터리 수명이 길어집니다. 효율은 출력 전력 수준에 따라 달라지며 전력 저하에 따라 낮아집니다.

클래스 D 증폭기 토폴로지

일반적으로 클래스 D 증폭기에는 두 개의 토폴로지가 사용되며 둘 중 더 간단한 토폴로지가 그림 4에 표시된 하프브리지 회로입니다.

그림 4: 널리 사용되는 두 가지 클래스 D 토폴로지인 하프브리지와 풀브리지 구성 (이미지 출처: DigiKey)

BTL(Bridge-Tied Load)이라고 하는 풀브리지 토폴로지는 하프브리지 구성과 동일한 공급 전압에 대해 출력 전력이 더 높은 이점을 제공합니다. 하프브리지에는 양극 또는 음극 전력 레일 사이에 필터 입력 스윙이 존재하지만, BTL 회로는 양극 및 음극 레일 사이에 동시에 부하가 존재하여 로드로의 인가 전압이 두 배가 되며 전력 출력은 네 배가 됩니다. 또한 BTL 작동은 단일 단극 전원 공급 장치를 사용할 수 있도록 해줍니다.

필터없는 클래스 D 증폭기

AD 변조라고 하는 기존 클래스 D 스위칭 시스템을 사용할 경우, 듀티 사이클은 평균값이 입력 아날로그 신호 전압에 해당하도록 사각 파형을 변조합니다. BTL 출력은 서로를 보완합니다. 출력에 공통 모드 스위칭 콘텐츠가 없습니다. 하지만 PWM 스위칭의 평균값 때문에 공통 모드 DC 전압이 존재합니다. 이 DC 전압 수준이 부하의 양쪽 모두에 적용되므로, 내전력에 추가되지 않습니다.

입력이 없는 경우 증폭기는 부하에 적용되는 50% 듀티 사이클로 공칭 PWM 주파수에서 스위칭됩니다. 이로 인해 부하에서 전류 흐름 및 내전력이 큽니다. 효율을 높이기 위해 전류를 "리플"로 낮추려면 L-C 필터가 필요합니다. 이 리플 전류가 낮을수록 부하에서 손실이 감소하고 출력 FET의 R_DS(on)에서 전도 손실이 감소하므로 효율이 향상됩니다.

BD 또는 필터리스 변조라고도 하는 대체 변조 스키마는 평균값이 입력 아날로그 신호에 일치하도록 출력 신호 차이의 듀티 사이클을 변조하여 스위칭 시스템을 사용합니다. BTL 출력은 유휴 상태일 때 상호 동위상에 있으며 상보적이지 않습니다. 이로 인해 부하 간에 전압 차이가 없어서 필터가 없어도 정지 상태 전력 소비가 최소화됩니다. BD 변조의 출력에는 큰 공통 모드 콘텐츠가 있습니다. 이 변조 스키마는 스피커의 고유 유도 용량과 인간 귀의 대역 통과 필터 특성을 사용하여 오디오 신호를 복원합니다.

클래스 D 증폭기 집적 회로

Texas Instruments TPA3116D2DADR은 효율이 90% 이상이며 50W에서 2채널 21V에서 4Ω BTL 부하를 포함하여 다중 출력 전력 구성을 지원하는 클래스 D 스테레오 증폭기입니다. 제품군의 다른 모델은 30W 2채널 24V 8Ω, 15W 2채널 15V 8Ω을 지원합니다. 최고 전력 장치에만 방열판이 필요합니다.

장치는 전파 방해를 방지하기 위한 AM 회피 사용 시 최대 1.2MHz의 스위칭 주파수를 지원합니다. AD 또는 BD 변조 스키마의 선택은 단일 입력 제어를 통해 선택 가능합니다. 과전압, 부족 전압, 과온, DC 감지 및 오류 보고 기능을 갖춘 단락을 포함한 통합 자가 보호 회로가 포함되어 있습니다. TI의 TINA-TI 시뮬레이션 도구를 사용한 일반적인 구성을 그림 5에서 볼 수 있습니다.

그림 5: BD 변조에 대한 원시(VM3) 및 필터링된(VM1) 출력 파형을 보여주는 TI TPA3116D2DADR 클래스 D 스테레오 증폭기 시뮬레이션 (이미지 출처: DigiKey)

회로는 단일 12V 공급을 사용하면 4Ω으로 12.5W의 출력 전력 수준을 보여 줍니다. 가상 오실로스코프에 원시 디지털 출력(VM3)과 필터링된 출력(VM1)이 표시됩니다.

Texas Instruments TPA3126D2DAD는 TPA3116D2 계열의 성능 업그레이드입니다. 장치는 이전 IC와 핀 대 핀 호환되며 전용 하이브리드 변조 스키마를 사용하여 유휴 전류를 70% 줄이도록 크게 개선되었습니다. 스키마는 저전력 수준에서 유휴 전류를 줄여서 배터리 수명을 늘립니다.

클래스 D 증폭기의 설계에서는 저전력 작동에 더 많은 주의가 필요합니다. 앞서 언급한 것처럼 효율은 전력 수준에 비례하며 저전력 수준의 경우 일반적으로 효율이 더 낮습니다. Texas Instruments TPA2001D2PWPR은 3세대 클래스 D 설계인 채널 스테레오당 1W 클래스 D 증폭기입니다. 공급 전류가 낮고, 잡음 플로어가 낮고, 효율이 높습니다. 클래스 D 필터리스 변조 스키마를 기반으로 설계되어 출력 필터가 필요 없으므로 설계자 부품 비용 및 기판 공간이 절감됩니다. 5V 공급을 사용하여 8Ω으로 채널당 1W 이상을 공급할 수 있습니다.

참조 설계는 평가 기판 TPA2001D2EVM으로 플러그 앤 플레이 클래스 D 오디오 증폭기를 구성하여 사용할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: TPA2001D2 클래스 D 증폭기에 기반한 채널당 1W 스테레오 증폭기 (이미지 출처: Texas Instruments)

BTL 토폴로지를 사용하는 증폭기는 기본적으로 독립형이어서 필요한 외부 부품이 많지 않습니다.

결론

클래스 D 증폭기는 휴대용 및 배터리 전원 설계를 위한 작은 패키지로 낮은 손실과 매우 높은 전력 효율을 제공합니다. 기성 제품 IC를 사용하면 이러한 증폭기를 쉽고 빠르게 적용할 수 있으며, 최근 기술의 발전으로 필터의 필요성이 사라지면서 비용이 절감되고 콤팩트해집니다.