개요: Maxim은 클래스 G 기술을 이용한 혁신적인 차지 펌프 기반 부스트 앰프를 출시했다. 기존보다 높은 출력 레벨을 필요로 하는 휴대용 애플리케이션용으로 설계된 이들 앰프는 효율 또는 PCB 공간 활용 측면에서도 뛰어나다. 이 애플리케이션 노트에서는 라우드스피커 구동에 차지 펌프와 클래스 G 기술을 이용하는 데 있어 장점을 설명한다. 새로운 설계의 예로 MAX9730 및 MAX9788 스피커 앰프가 제시되었다.
휴대용 오디오 애플리케이션의 공통적인 문제는 스피커 앰프에 사용 가능한 전원 전압이 제한적인 데 있다. 이러한 휴대용 오디오 시스템에는 일반적으로 3.7V를 발생시키는 리튬 이온 (Li+) 배터리가 사용된다. 3.7V 전원은 대부분의 시스템 요소를 구동하는 데 충분하지만, 스피커 앰프의 경우 허용 가능한 수준의 사운드 압력 레벨을 발생시키기 위해서는 더 많은 전압이 필요하다. 그 결과, 대부분의 스피커 앰프는 브리지 타이 로드 구성으로 트랜스듀서에 전력을 공급하여 스피커에 인가되는 전원 전압을 두 배로 증가시킨다.
대부분의 경우에는 스피커의 전원 전압을 두 배로 증가시키는 것으로 충분하지만, 이보다 더 높은 출력 전력을 요구하는 애플리케이션들이 있다. 대표적인 두 가지 예가 고전압 구동이 필요한 압전 스피커를 사용하는 시스템 또는 GPS 장치와 같이 높은 사운드 압력 레벨을 요하는 시스템이다. 이와 같이 까다로운 오디오 애플리케이션의 유일한 해결책은 전원 전압을 높이는 방법밖에 없으며, 이렇게 하기 위해서는 별도의 DC-DC 부스트 컨버터가 필요하기 때문에 시스템이 복잡해지고 비용이 추가된다.
MAX9730 및 MAX9788 클래스 G 전력 증폭기는 차지 펌프를 사용하여 전원 전압을 상승시킴으로써 이러한 문제를 해결한다. MAX9730은 특히 기존의 동적 스피커 문제를 해결하며, MAX9788은 세라믹 스피커 문제를 해결한다.
새로운 차지 펌프 방법
MAX9730 및 MAX9788 앰프는 차지 펌프 기술을 사용하여 표준 5V 앰프에 비해 출력 레벨을 최대 두 배까지 증가시킬 수 있다. 앰프에 완전히 통합된 차지 펌프는 2개의 외부 커패시터만 있으면 되고, 이들 커패시터는 0603 세라믹 표면 실장 커패시터 정도로 작다. 내장된 차지 펌프는 전원과 동일한 크기의 네거티브 전압을 발생시켜 효율적으로 전원 전압을 증폭시킴으로써 가능한 출력 전압을 두 배로 증가시킨다.
DC-DC 부스트 컨버터와 달리 차지 펌프는 부하가 인가될 때 네거티브 전원을 드루핑(droop)하는 감지할 수 있는 출력 저항을 갖는다. 따라서 MAX9730 및 MAX9788은 차지 펌프의 출력 저항을 충분히 낮추어 출력 전력을 큰 폭으로 증가시키도록 설계되었다. 3.7V로 동작하는 기존 앰프는 8Ω 부하로 700mW를 출력할 수 있는 반면, MAX9730은 동일한 조건에서 1.3W를 출력할 수 있다.
클래스 G 기술
MAX9730 및 MAX9788은 휴대용 기기에 주로 사용되는 5V 앰프 대신 10V 앰프를 사용하므로 배터리 수명을 극대화하기 위해서는 높은 효율 유지가 필수적이다. 클래스 D 기술은 높은 효율로 인해 휴대 기기에 종종 사용되지만 세라믹 스피커와 호환되지 않는다. 따라서 세라믹 스피커 대신 어떤 대안을 사용할 것인지가 핵심 설계 과제가 되었으며, 비교적 덜 알려진 앰프 기술인 클래스 G가 완벽한 대안으로 떠올랐다.
클래스 G 앰프는 단일 고정 전압 대신 다중 전원 전압을 사용하는 점만 제외하면 클래스 AB 앰프와 동작이 거의 유사하다. 입력 신호가 진폭에 따라 달라짐에 따라 클래스 G 방법은 적절한 전원을 자동 선택하여 출력 트랜지스터에서 전압 강하를 최소화하므로 효율이 상당히 향상된다. 일반적으로 클래스 G 앰프는 2개의 포지티브 전원과 접지로 동작한다. 큰 출력 레벨에는 높은 전원이, 작은 출력 레벨에는 낮은 전원이 사용된다.
MAX9730 및 MAX9788은 고유한 방식으로 클래스 G 기술을 이용함으로써 높고/낮은 포지티브 전원 대신 차지 펌프에서 반전된 전원을 사용한다. 앰프가 작은 출력 신호를 발생시키면, 이들 소자는 전원으로 배터리 전압과 접지를 사용한다. 이 모드에서 소자는 일반 5V 클래스 AB 앰프와 마찬가지로 동작한다(그림 1a). 출력 신호가 전원 능력을 초과하면, 앰프는 배터리 전압 및 반전된 차지 펌프 출력을 이용하도록 전환함으로써(그림 1b) 기존 앰프보다 훨씬 높은 신호를 출력할 수 있다.
그림 1a 및 1b. 낮은 전원(a) 및 높은 전원(b)에서 동작하는 MAX9788 클래스 G 출력단
MAX9730 및 MAX9788은 전원 간 변환 시 가청 잡음이 발생되지 않도록 보장한다. 출력 신호가 VCC와 GND를 사용하여 가능한 제한에 도달하면, 네거티브 전원은 자동으로 출력단에 연결되어 네거티브 스윙에서는 더 이상 출력 신호가 클리핑되지 않지만, 포지티브 스윙에서는 여전히 클리핑이 존재한다. 이를 교정하기 위해 앰프는 반대편 출력에 추가적인 교정 신호를 추가한다. 이러한 효과는 그림 2에 나와 있다. 포지티브 및 네거티브 출력을 개별적으로 살펴보면, 파형의 포지티브 스윙이 명백하게 클리핑되어 있으며, 네거티브 스윙은 확실히 왜곡되어 있다. 이러한 신호는 과도하게 왜곡되어 있는 것처럼 보이지만 실제로는 구조를 이용하기 위해 신중하게 조작된 것이다. 부하에 인가되는 실제 출력 신호는 왜곡되지 않은 신호이다.
그림 2. MAX9788 앰프를 사용하여 생성된 클래스 G 출력 파형
요약
MAX9730 및 MAX9788은 클래스 G 기술과 반전 차지 펌프를 사용하여 일반적인 문제에 고유한 솔루션을 제공한다. 대부분의 부스트 앰프 솔루션에서는 부피가 큰 인덕터가 필요하지만, MAX9730 및 MAX9788은 단 2개의 소형 세라믹 커패시터만 사용하면 되므로 PCB 공간과 비용을 모두 절감한다. 또한 전류 소비가 적은 효율적인 클래스 G 구조를 이용함으로써 기존 설계를 향상시킨다.
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