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Class-AB에서 Class-D로 전환하는 것을 망설이고 있는가?


당신은 무슨 일인가를 하고는 싶은데 너무 어려울 것 같아서 망설인 적이 있지 않은가? 그리고 막상 용기를 내서 그 일을 하고 난 다음에는 너무 쉬워서 놀란 적이 있지 않은가?

최근에 필자가 만나 본 자동차 오디오 설계 엔지니어들이 자동차 라디오 솔루션을 전통적인 Class-AB 증폭기에서 Class-D 증폭기로 전환하면서 그렇다고 얘기한다. 엔지니어들이 이렇게 전환하는 것을 망설이는 데에는 두 가지 이유를 들 수 있다. PCB 크기에 미치는 영향과 EMI(전자기 간섭) 문제 때문이다.

“Class-D 증폭기는 PCB 풋프린트를 키운다”
통상적인 Class-D 오디오 증폭기는 400kHz 대로 증폭기를 온 및 오프로 스위칭하며 적절한 오디오 성능을 달성하기 위해서 8.2H 또는 10H 인덕터를 필요로 한다.

TI의 TPA6304-Q1 Class-D 증폭기는 2.1MHz 스위칭 주파수로 스위칭한다. 리플 전류를 낮춤으로써 그림 1에서 보는 것처럼 훨씬 더 작고 가벼운 3.3H 인덕터를 사용할 수 있다.

스위칭 주파수에 따른 인덕터 크기 비교
그림 1: 스위칭 주파수에 따른 인덕터 크기 비교

TPA6304-Q1은 TI의 최신 혼성신호 제조 기술을 채택하고 3.3H 인덕터를 사용함으로써, 그림 2에서 보듯이 전체적인 4채널 증폭기 솔루션의 크기를 272mm2으로 줄일 수 있다(모든 필요한 수동 소자 포함).

TPA6304-Q1 4채널 Class-D 증폭기
그림 2: TPA6304-Q1 4채널 Class-D 증폭기

그림 3을 보면, 전체적인 TPA6304-Q1 솔루션이 기존의 Class-AB 증폭기보다도 작다는 것을 알 수 있다.

TPA6304-Q1 Class-D 증폭기 솔루션과 Class-AB 증폭기 크기 비교
그림 3: TPA6304-Q1 Class-D 증폭기 솔루션과 Class-AB 증폭기 크기 비교

“Class-D 증폭기는 EMC 문제를 발생시킨다”
특성적으로 Class-D 오디오 증폭기는 매 클록 사이클에 출력을 온 및 오프로 스위칭하는데, Class-AB 증폭기는 스위칭을 하지 않는다. 그렇다고 해서 Class-D 증폭기가 반드시 까다로운 EMC(전자기 호환성) 문제를 일으킨다는 뜻은 아니다. TPA6304-Q1 증폭기 디자인이 어떻게 EMC 문제를 완화시키는지 구체적으로 살펴보겠다.

  • TPA6304-Q1을 사용함으로써 전반적인 EMC 동작을 적절히 관리할 수 있다. 또한 위에서 언급한 3.3H 인덕터가 인덕터-커패시터(LC)
    필터를 이룸으로써, Class-D 증폭기 출력 스테이지로 고속 스위칭 트랜션트로 인한 EMC를 최소화한다.
  • 그림 4에서 보듯이, 400kHz 대로 스위칭하는 기존의 Class-D 증폭기는 바로 AM 대역으로 고조파를 발생시킨다. 이 고조파가 간섭
    신호를 발생시킴으로써 AM 리시버 감도를 떨어트리고 AM 라디오 방송 수신을 방해한다. 그러므로 이러한 400kHz Class-D 증폭기
    디자인으로는 AM 대역 고조파의 영향을 완화하기 위해서 일정한 형태의 EMI 회피 기법을 사용해야 한다.

  • 그림 4: 통상적인 400kHz Class-D 증폭기 고조파

  • TPA6304-Q1은 훨씬 더 높은 2.1MHz 스위칭 주파수로 동작함으로써 AM 대역으로 EMI 회피 기법을 사용할 필요가 없다.
    TPA6304-Q1증폭기는 AM 대역 위로 상당한 여유가 가능하기 때문이다. AM 대역으로 간섭을 일으키는 저주파 스파이크
    또한 발생시키지 않는다. 그림 5는 이를 보여준다.


그림 5: TPA6304-Q1은 AM 대역 위로 높은 스위칭 주파수로 동작한다.

EMI가 문제가 될 수 있는 일부 PCB 레이아웃 디자인의 경우에는 TPA6304-Q1으로 Kilby Labs에서 개발한 고유의 확산 스펙트럼 기법을 사용할 수 있다. 그림 6은 이 기능을 사용해서 협대역 에너지를 훨씬 더 넓은 주파수 범위로 확산시킴으로써 피크 에너지를 낮출 수 있다는 것을 보여준다.


그림 6: 확산 스펙트럼 기법

맺음말
2.1MHz의 높은 스위칭 주파수로 동작하는 자동차용 Class-D 오디오 증폭기인 TPA6304-Q1은 차세대 자동차 라디오 및 외부적 증폭기 용으로 업계의 요구를 충족한다. 시스템으로 열 부하를 낮출 뿐만 아니라, Class-AB 증폭기에서 Class-D 증폭기로 전환하고자 하는 엔지니어들을 위해서 PCB 크기와 EMC 문제를 해결한다.

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