개요: 이 애플리케이션 노트에서는 클래스 D (스위치 모드) 앰프를 위한 두 가지 기술, 펄스 폭 변조(PWM: pulse-width modulation)와 확산 스펙트럼 변조(spread-spectrum modulation)를 분석한다. 일반적으로 PWM 클래스 D 앰프는 rail-to-rail에 가까운 스윙과 고속 스위칭 주파수에 의해 발생되는 EMI를 감소시키기 위해 부피가 큰 고가의 필터링 부품을 필요로 한다. 그러나 이제 클래스 D 앰프를 위한 확산 스펙트럼 변조 기술을 이용하면 설계자는 필터링 부품을 사용하지 않아도 오디오 성능이나 앰프 효율을 저하시키지 않을 수 있다. 무료 웹 세미나에 등록하여, 오디오 시스템 관련 문제들을 어떻게 정의하고 측정, 해결하는 지에 대해 배워보십시오. 머리말 클래스 D 앰프는 클래스 AB 앰프보다 더 우수한 효율을 제공하므로 휴대용 오디오 애플리케이션 설계자에게 매력적인 기술이다. 그러나 기존 PWM 클래스 D 앰프는 부피가 큰 값비싼 필터링 부품을 이용하여 전자파 간섭을 감소시켜야 하기 때문에 일부 설계자들은 휴대용 애플리케이션에 클래스 D 앰프를 사용할 수 없었다. 클래스 D 앰프를 위한 Maxim의 확산 스펙트럼 변조 기술은 오디오 성능이나 앰프 효율을 저하시키지 않으면서 이러한 필터링 부품의 필요를 없애주므로 휴대용 오디오 애플리케이션에 고효율의 클래스 D 앰프의 채택을 촉진한다. 기존의 펄스 폭 변조 앰프 토폴로지 그림 1은 일반적인 PWM, 브리지 타이 로드 (BTL) 클래스 D 앰프의 토폴로지를 보여준다. 보통 PWM 구조는 입력 단에 대한 기준으로 내부에서 발생되는 톱니파형을 사용한다. 비교기는 아날로그 입력 전압을 모니터링하여 톱니파형과 비교한다. 톱니파형의 입력 크기가 입력 전압을 초과하면 비교기 출력은 Low가 된다. BTL 출력의 다른 한 축을 위해 상보(complementary)의 PWM 파형을 발생시키고자 비교기의 출력에 인버터가 사용된다. 일반적으로 PWM 앰프는 rail-to-rail에 가까운 스윙과 고속 스위칭 주파수로 인해 높은 무선 주파수 (RF) 방사와 간섭이 발생될 수 있기 때문에 출력부에 부피가 큰 필터링 부품이 필요하다. 보통 이러한 고주파 간섭을 감소시키고 PWM 신호의 듀티 사이클로부터 오디오 컨텐츠를 추출하기 위해 LC 필터가 요구된다. 그림 1. 기존의 펄스 폭 변조 토폴로지 확산 스펙트럼 변조 앰프 토폴로지 고가의 대형 출력 LC 필터를 이용하는 대신 사용할 수 있는 방법은 앰프가 고효율을 유지하면서 더 적은 EMI를 방사할 수 있도록 스위칭 프로세스를 수정하는 것이다. Maxim의 클래스 D 앰프는 이러한 목표를 정확히 달성한다. Maxim의 클래스 D 앰프는 특허를 획득한 고유의 확산 스펙트럼 변조 모드를 이용하여 광대역 스펙트럼을 평탄화함으로써 스피커와 케이블에서 발생되는 EMI 방사를 최소화한다. 그림 2는 MAX9700을 통해 Maxim 클래스 D 앰프의 토폴로지를 보여주고 있다. Maxim의 클래스 D 앰프의 변조 구조는 입력단 내부에서 발생되는 톱니파형과 상보의 신호 쌍을 사용한다. 컴플리멘터리 입력 신호를 이용할 수 없는 경우에는 IC에 내장된 차동 입력을 사용한다. 그림 2. 모노 클래스 D 앰프 토폴로지 비교기는 클래스 D 입력을 모니터링하고 컴플리멘터리 입력 전압을 톱니파형과 비교한다. 톱니파형의 크기가 입력 전압을 초과하면 비교기 A는 제로(0) 볼트 신호를 출력한다. 즉, VDD에 해당 클래스 D 출력(OUT+)을 High로 만든다. 비교기 B는 톱니파형이 입력 전압을 초과하면 제로(0) 볼트 전위를 제공한다. 마찬가지로 VDD에 해당 클래스 D 출력(OUT-)을 High로 만든다. 두 클래스 D 출력이 모두 High로 되면 타이머는 단순한 NOR 게이트의 출력에서 1 / (RTON * CTON)과 같은 시간 상수 tau로 시작한다. 고정 시간(tau)에서 두 클래스 D 출력은 모두 GND로 되고 각 비교기는 리셋된다. 이 시퀀스는 2차 비교기의 출력에서 최소 폭 펄스 tON(MIN)을 발생시킨다. 입력 전압이 증가 또는 감소함에 따라 하나의 출력(트립하는 1차 비교기)에서 펄스 시간이 증가하는 반면, 다른 출력 펄스 시간은 tON(MIN)에서 그대로 유지된다. 이에 따라 스피커를 통과하는 순 전압(VOUT+ - VOUT-)이 변한다. 그림 3. FFM 모드에서 입력 신호가 인가된 Maxim 클래스 D BTL 출력 고정 주파수 변조와 확산 스펙트럼 변조의 비교 Maxim의 클래스 D 기술은 (1) 고정 주파수 변조 (FFM) 모드와 (2) 확산 스펙트럼 변조 모드의 두 가지 변조 모드를 사용한다. FFM 모드(그림 3)에서 톱니파형의 시간은 기존 PWM 기술에서와 마찬가지로 일정하게 유지된다. 확산 스펙트럼 변조 모드(그림 4)에서 톱니파형의 시간은 사이클마다 변한다(일반적으로 ±10%). 그림 4에서 표시된 톱니파형의 시간의 변동은 효과를 보여주기 위한 것이다. 그림 4. 확산 스펙트럼 변조 모드에서 입력 신호가 인가된 Maxim 클래스 D BTL 출력 확산 스펙트럼 변조 모드는 사이클마다 변하므로 지정된 대역폭(nfo ±10%, 여기서 n은 양의 정수)에 걸쳐 고조파 성분이 유사하게 확산되도록 하여 기본 주파수(fo ±10%)에서 에너지를 감소시킬 수 있다. 스위칭 주파수의 배수에서 많은 양의 스펙트럼 에너지가 존재하는 대신, 이제 에너지는 주파수와 함께 증가하는 대역폭에 걸쳐 확산된다. 조금 더 높은 메가헤르츠(MHz)에서 광대역 스펙트럼은 EMI 목적을 위해 화이트노이즈(white noise)처럼 보인다. FFM 모드에서 에너지는 높은 피크와 함께 협대역 안에 포함된다(그림 5a). 확산 스펙트럼 모드에서 에너지는 더 넓은 대역으로 확산되는 반면 피크 에너지는 줄어든다(그림 5b). 그림 5b에서 3차 고조파는 잡음 플로어에서 거의 손실된다. 그림 5a. Maxim의 FFM 모드 그림 5b. Maxim의 확산 스펙트럼 변조 모드 EMI 방사를 최소화하는 확산 스펙트럼 변조 Maxim의 확산 스펙트럼 기술은 스피커 케이블이 너무 길지만 않으면 클래스 D 앰프의 진정한 "필터리스" 동작을 구현한다. 기존의 PWM 구조의 경우 클래스 D 앰프가 내장된 일반 소비자용 제품이 EMI 규정을 통과하기 위해서는 보통 대형 출력 LC 필터가 필요하다. Maxim의 독자적인 확산 스펙트럼 기술은 클래스 D 앰프에서 방출되는 방사를 감소시키므로 출력 필터링 없이 또는 최소의 출력 필터링으로 EMI 규정을 만족시킬 수 있다(부록 참조). EMI 규정은 무선 장해를 최소로 유지하기 위해 최종 제품이 CE(Communaute Europeene, 유럽 표준) 및 FCC(Federal Communications Commission, 미국 표준) 등에서 지정하고 있는 규정된 준 피크 (quasi-peak) 검출 제한을 통과하도록 요구하고 있다. 이러한 규제 기관은 전자파 간섭을 전자장치 또는 전기기기의 유효 성능을 방해, 교란 또는 저하시키는 모든 무선 장해로 정의하고 있다. 준 피크 검출은 측정된 신호 레벨을 신호의 스펙트럼 성분의 반복 주파수로 나타내도록 요구한다. 반복 주파수가 낮을수록 준 피크 기록도 낮아진다.1 확산 스펙트럼 변조는 준 피크 검출의 "평균" 특성을 이용하며 EMI를 크게 감소시킨다(표 1). 확산 스펙트럼 변조 모드에서 클래스 D 앰프의 피크 기본 주파수는 대역폭에 걸쳐 랜덤화된다(일반적으로 기본 스위칭 주파수의 ±10%). 준 피크 검출이 분석기에서 120kHz 분해능 대역폭을 사용하여 구현될 경우, 기본 스위칭 주파수와 일부 1차 고조파를 제외한 스위칭 에너지는 모든 단일 중앙 주파수에서 일부 시간 동안만 존재할 것이다. 표 1. MAX9759 방사 데이터 (MAX9759EVKit, 확산 스펙트럼 변조 모드, 3인치 트위스트 페어 스피커 케이블, "필터리스") 결론 클래스 D 앰프의 인접 rail-to-rail 스윙과 고속 스위칭 주파수는 높은 RF 방사와 간섭을 발생시킬 수 있다. 일반적으로 트랜스듀서에서 오디오 컨텐츠를 재생하기 전에 이러한 고주파 간섭을 감소시키기 위해 부피가 큰 고가의 LC 필터가 사용된다. 그러나 Maxim의 확산 스펙트럼 변조 기술은 효과적인 PCB 레이아웃과 상대적으로 짧은 스피커 케이블을 이용하여 보다 낮은 전력의 진정한 ‘필터리스’ 동작을 구현한다. 1준 피크 검출에 대한 보다 자세한 내용은 IEC(International Electrotechnical Commission)의 국제전무선장해특별위원회(CISPR)의 Reference Publication 16을 참조한다. 부록 필터 토폴로지의 개요 클래스 D 전력 앰프에는 다음 3 종류의 필터 토폴로지가 이용된다. (1) FB-C, 페라이트 비드(ferrite bead)와 커패시터 (2) LC, 인덕터와 커패시터 (3) "필터리스"가 그것이다. 특정 설계에 선택되는 필터링 종류는 애플리케이션의 스피커 케이블 길이와 PCB 레이아웃에 의해 결정된다. 이 세 가지 필터 토폴로지의 장단점은 아래에 간략히 설명되어 있다. FB-C 필터링 중간 길이의 스피커 케이블을 사용하는 애플리케이션에서 FB-C 필터링은 규정된 EMI 제한에 충분한 여유를 제공한다. FB-C 필터 토폴로지는 LC 필터링 보다 작고 경제적인 솔루션을 제공한다. 그러나 FB-C 필터링은 10MHz 이상의 주파수에서부터 효율적이 되므로 많은 애플리케이션에 실용적이지는 못하다. 더욱이 10MHz 미만의 주파수에서 스피커 케이블 라우팅이 불량하면 전도성 방사항목의 불합격을 초래할 수 있다. LC 필터링 반대로 LC 필터링은 약 30kHz에서부터 노이즈 억제(suppression)가 가능하다. 긴 스피커 케이블을 사용하면서 PCB 레이아웃이 노이즈 억제를 위해 최적화되지 못한 설계에서 필터링을 위한 '안전한' 선택이다. 그러나 LC 필터링은 부피가 큰 고가의 외부 부품이 필요하므로 휴대용 애플리케이션에는 적합하지 않다. 또한 주 인덕터가 자체 공진되는 30MHz보다 높은 주파수에서 노이즈 억제를 보장하기 위해서는 추가 부품이 필요할 수 있다. "필터리스" 필터링 "필터리스" 앰프 토폴로지는 추가 필터링 부품에 대한 필요를 없애주므로 가장 경제적인 솔루션이다. 클래스 D 앰프는 짧은 트위스트 페어 스피커 케이블을 사용하여 방사 표준을 통과할 수 있다. 그러나 FB-C 필터링과 마찬가지로 빈약한 스피커 케이블 라우팅으로 인해 전도성 방사에 실패할 수 있다. 또한 스피커가 앰프의 스위칭 주파수에서 유도성이라면 Maxim의 클래스 D 앰프를 "필터리스"로 동작하게 만들 수 있다. 스위칭 주파수의 높은 인덕턴스는 출력 전압이 스위칭하는 동안 과전류를 상대적으로 일정하게 유지한다. 의견을 보내주세요! 위 내용이 도움이 되셨나요? 여러분의 의견을 기다립니다 — Maxim은 보내주신 정정이나 제안사항을 반영하고 있습니다. 이 페이지를 평가하고 의견을 보내주십시오. 자동 업데이트 관심있는 분야의 애플리케이션 노트가 나올 때 자동으로 업데이트 받고 싶으세요? 그렇다면 EE-Mail™을 신청하십시오.   다운로드, PDF 형식 (99kB)  AN3881, AN 3881, APP3881, Appnote3881, Appnote 3881