개요: 새로운 휴대전화 설계는 오디오 사운드 압력 레벨을 유지하는 동시에 소형 폼 팩터를 요구하고 있다. 스피커는 설계의 슬림화를 제한하는 주요 부품이었지만, 세라믹 또는 압전 스피커의 새로운 개발로 두께를 줄인 새로운 설계가 가능해졌다. 세라믹 스피커의 용량성 특성(capacitive nature)으로 인해 구동할 오디오 앰프를 선택할 때에는 특별한 주의가 요구된다. 무료 웹 세미나에 등록하여, 오디오 시스템 관련 문제들을 어떻게 정의하고 측정, 해결하는 지에 대해 배워보십시오. 이 글은 Maxim Engineering Journal, vol. 62에 게재되었다(PDF, 1.3MB). 최근 휴대용 기기는 크기가 더 작고, 두께도 더 얇으면서 효율은 더 높은 전자 부품을 요구한다. 휴대전화가 더욱 얇아지면서 동적 스피커는 휴대전화의 슬림화에 걸림돌이 되어 왔다. 이에 따라 동적 스피커에 대한 실용적인 대안으로 세라믹 또는 압전 스피커가 빠르게 자리잡고 있다. 이들 세라믹 스피커는 얇은 초소형 패키지로 경쟁력 있는 사운드 압력 레벨(SPL)을 제공하여 기존의 음성 코일 동적 스피커를 대체할 수 있을 것으로 전망된다. 동적 스피커와 세라믹 스피커의 주요 차이점은 표 1과 같다. 표 1. 세라믹 스피커와 동적 스피커의 장단점 세라믹 스피커 동적 스피커 장점 단점 장점 단점  • 고효율  • 매우 얇은 폼 팩터  • 엄격한 제조 허용오차  • 더 작은 음향 공간 사용  • 큰 구동 전압 필요  • 제한된 저주파 응답  • 용량성 부하  • 저렴한 가격  • 성능이 검증된 기술  • 매끄러운 주파수 응답  • 넓은 제조 허용오차  • 비효율  • 두꺼운 솔루션 크기  • 더 큰 음향 공간 사용 세라믹 스피커를 구동하는 앰프 회로는 기존의 동적 스피커 구동과는 다른 출력 구동 요구사항을 갖는다. 세라믹 스피커의 구조는 앰프가 대형 용량성 부하를 구동하고, 높은 주파수에서 더 큰 전류를 공급하는 동시에 높은 출력 전압을 유지할 수 있도록 구성되어야 한다. 세라믹 스피커의 특성 세라믹 스피커 제조업체는 다층 세라믹 커패시터 제조 기술과 유사한 기술을 사용한다. 이 제조 기술은 스피커 제조업체에 동적 스피커에 비해 스피커 허용오차에 대한 보다 엄격한 제어를 요구한다. 엄격한 구성 허용오차는 스피커를 이퀄라이즈하거나 각 장치별로 반복 가능한 음향 특성을 얻을 때 중요하게 작용한다. 세라믹 스피커 임피던스는 구동 앰프에서와 마찬가지로 주 요소로 대형 커패시턴스를 갖는 RLC 회로로 모델링할 수 있다(그림 1 참조). 대부분의 오디오 주파수에서 세라믹 스피커는 대부분 용량성이다. 스피커의 이러한 용량성 특성은 주파수가 증가하면 임피던스가 감소한다는 것을 의미한다. 그림 2의 그래프는 세라믹 스피커의 임피던스 대비 주파수가 1µF 커패시터와 유사함을 보여준다. 임피던스는 또한 공진 지점을 갖는데, 이 공진 지점 위 부분이 스피커가 가장 효율적으로 사운드를 재생하는 영역이다. 약 1kHz에서 임피던스의 강하(dip)는 스피커의 공진 주파수를 나타낸다. 그림 1. 세라믹 스피커 임피던스는 주 요소로 대형 커패시턴스를 갖는다. 그림 2. 세라믹 스피커의 임피던스 대비 주파수는 1µF 커패시터와 매우 비슷하다. 사운드 압력 대비 주파수와 진폭 세라믹 스피커의 단자에 인가되는 교류 전압은 스피커 내부의 압전막에 변형과 진동을 일으키며, 이때 변위(displacement)의 크기는 입력 신호와 비례한다. 진동하는 압전막은 주변의 공기를 움직여 사운드를 생성한다. 스피커 전체 전압을 증가시키면 압전 요소의 편향(deflection)이 증가되고 더 많은 사운드 압력이 가해지면서 볼륨이 증가한다. 세라믹 스피커 제조업체는 보통 최대 단자 전압인 약 15VP-P로 스피커 정격을 정한다. 이 최대 전압은 세라믹 요소가 편위 제한(excursion limit)에 도달하는 지점이다. 정격 전압보다 더 높은 전압을 인가해도 사운드 압력은 증가하지 않지만 음향 출력 신호에 존재하는 왜곡의 양은 증가한다. 그림 3은 최대 전압으로 구동할 때 세라믹 스피커의 출력 사운드 압력 레벨 (SPL) 대비 주파수 그래프를 보여준다. SPL 대비 주파수와 임피던스 대비 주파수 그래프를 비교해 보면 압전 스피커가 자체 공진 주파수 위에서 가장 효율적으로 높은 SPL을 생성한다는 것을 알 수 있다. 그림 3. 스피커의 정격 전압보다 큰 전압이 인가될 때 출력 신호 왜곡이 증가한다. 세라믹 스피커 구동 시 앰프 요구사항 세라믹 스피커 제조업체는 최고 레벨의 사운드 압력을 생성하기 위해 최대 전압을 14VP-P ~ 15VP-P로 규정하고 있다. 문제는 어떻게 단일 배터리 전원으로부터 이러한 전압을 생성할 것인가 하는 데 있다. 한 가지 해결책은 스위칭 레귤레이터를 사용하여 배터리 전압을 5V로 증가시키는 것이다. 시스템 설계자는 레귤레이트된 5V 전원을 이용하여 브리지 타이 로드(BTL)를 필요로 하는 단일 전원 앰프를 선택할 수 있다. 이러한 브리지 타이 로드는 스피커가 감지하는 전압을 자동으로 두 배 증가시키지만, BTL 앰프에 단일 5V 전원을 인가하여도 이론상 출력은 10VP-P로 스윙할 수 있을 뿐이다. 이 전압은 세라믹 스피커가 최고의 SPL을 출력할 수 있는 충분한 수준이 아니므로, 더 높은 SPL을 생성하기 위해서는 전원을 더 높은 전압으로 레귤레이트해야 한다. 또 부스트 컨버터를 사용하여 배터리 전압을 최대 5V 이상으로 레귤레이트하는 방법이 있지만, 이 방식은 필요한 부품의 크기로 인해 자체적인 문제를 안고 있다. 큰 피크 인덕터 전류는 전체 솔루션 크기를 줄이는 데 제약 요인이 된다. 코어가 포화되지 않도록 하려면 인덕터가 물리적으로 커야 하기 때문이다. 대전류, 소형 프로파일 인덕터를 사용할 수도 있지만, 이러한 인덕터의 코어 포화 전류 정격은 고주파에서 고전압으로 스피커를 구동하는 데 필요한 부하 전류를 처리할 수 있을 만큼 충분히 높지 않다. 세라믹 요소를 구동하기 위해서는 높은 구동 전류(high current drive)와 전류 제한 방지 기능(current limit avoidance)이 필요하다. 이는 세라믹 스피커가 고주파에서 매우 낮은 임피던스를 갖는다는 사실에서 기인한다. 세라믹 스피커 구동에 사용되는 앰프는 대량의 고주파 성분이 스피커로 구동되는 중에 전류 제한 모드로 전환되지 않게 하기 위해 충분한 가용 구동 전류(current drive)를 가져야 한다. 그림 4는 MAX9788 클래스 G 앰프를 사용하는 애플리케이션 회로를 보여준다. 클래스 G 앰프에는 고전압과 저전압 레일이 각각 1개씩, 2개의 전압 레일이 있다. 저전압 레일은 출력 신호가 작을 때 사용되며, 고전압 레일은 출력 신호가 더 높은 전압 스윙을 필요로 할 때 출력단으로 스위칭된다. 클래스 G 앰프는 클래스 AB보다 전원 레일이 낮기 때문에 출력 신호가 작을 때 클래스 AB 앰프보다 더 효율적이다. 클래스 G 앰프는 또한 고전압 레일도 이용할 수 있으므로 피크 과도상태도 처리할 수 있다. 그림 4. 일반적인 세라믹 스피커 애플리케이션 회로에 사용된 MAX9788 그림 4에 보이는 MAX9788은 온 칩 차지 펌프를 사용하여 VDD와 반대 극성의 네거티브 레일을 생성한다. 이러한 네거티브 레일은 출력 신호가 더 높은 레일을 요구할 때 출력단에만 인가된다. 이 소자는 부스트 컨버터와 클래스 AB 앰프를 사용하는 기존 방식보다 세라믹 스피커를 구동하는 더 효율적인 방법을 제공한다. 스피커 제조업체는 항상 그림 4와 같은 세라믹 스피커와 직렬로 연결된 고정 저항(RL)을 권장한다. 이 저항은 신호에 고주파 성분이 많을 때 앰프의 전류 출력을 제한하는 역할을 한다. 그러나 일부 애플리케이션에서 스피커에 전달되는 오디오 신호의 주파수 응답 대역폭을 제한할 수 있다면, 고정 저항이 필요하지 않을 수도 있다. 이 경우 스피커가 앰프에 단락 회로처럼 보이지 않게 해준다. 현재 출시되고 있는 세라믹 스피커는 약 1µF의 커패시턴스를 갖는다. 그림 4의 스피커 임피던스는 8kHz에서 20Ω, 16kHz에서 10Ω이다. 앞으로는 앰프가 동일한 신호 주파수에서 훨씬 더 많은 전류를 공급할 수 있도록 더 큰 커패시턴스를 갖는 세라믹 스피커가 나올 것이다. 세라믹 스피커와 동적 스피커 애플리케이션의 효율 비교 기존의 동적 스피커 애플리케이션에서의 효율 계산은 간단하다. 음성 코일 권선은 고전압 인덕턴스와 직렬로 연결된 고정 저항으로 전기적으로 모델링할 수 있다. 부하에 공급되는 전력(P)에 대한 계산은 스피커의 저항값을 사용하는 옴의 법칙 문제로, P = I²R, or P = V × I이다. 스피커에 공급되는 전력의 대부분은 스피커 코일에서 열로 소모된다. 세라믹 스피커는 용량성 특성으로 인해 전력을 소모할 때 그렇게 많은 열을 발생시키지는 않는다. 세라믹 스피커는 이른바 "블라인드" 전력을 소비한다. 세라믹 요소의 손실 계수(dissipation factor)에 따르면 이는 매우 작은 양의 전력이다. 블라인드 전력이 소모될 때 극히 적은 열이 발생된다. "블라인드" 전력의 계산은 P = V × I 만큼 간단하지 않다.1 "블라인드" 전력은 다음과 같이 계산할 수 있다. P = (πfCV2) × (cosΦ + DF) 여기서, C = 스피커의 커패시턴스 값 V = RMS 구동 전압 f = 구동 전압의 주파수 cosΦ = 스피커를 통과하는 전류와 스피커에 흐르는 전압 간의 위상 각 DF = 스피커의 손실 계수. 이 값은 매우 낮으며 신호의 주파수와 세라믹 스피커의 ESR에 의해 결정된다. 이상적인 커패시터에서 전압과 전류 간의 위상각은 90°이며 세라믹 스피커는 대부분 용량성이기 때문에 cosΦ는 제로이다. 따라서 세라믹 스피커 모델의 용량성 부분에서는 전력 소모가 전혀 발생하지 않는다. 그러나 실제로 세라믹 재료와 유전체는 완벽하지 않기 때문에 위상각이 정확히 90°가 되지 않으며, 이에 따라 스피커에 흐르는 전압이 스피커를 통과하는 전류보다 지연된다. 이와 같이 이상적인 90° 위상각과 실제 위상각 간의 작은 차이를 나타내는 것이 손실 계수(DF)이다. 세라믹 스피커에서 DF는 이상적인 커패시터와 직렬로 연결된 작은 유효 직렬 저항(ESR)으로 모델링할 수 있다. 이 직렬 저항을 앰프와 스피커 사이의 절연 저항과 혼동하지 않도록 한다. DF는 해당 주파수에서 용량성 리액턴스에 대한 ESR의 비로 표시된다.2, 3 DF = RESR/XC 예를 들어, 1.6µF의 커패시턴스와 1Ω의 ESR을 갖는 세라믹 스피커를 5VRMS로 구동할 경우 5kHz 신호는 다음과 같은 블라인드 전력을 갖는다. P = (π × 5000 × 1.6e-6 × 52) × (0 + 0.05) = 31.4mW 실제 전력 소모 세라믹 스피커 자체는 동적 스피커와 같이 실제 전력을 열로 소모하지는 않지만, 구동 앰프의 출력단과 앰프 및 스피커 사이의 외부 저항(RL)에서 열이 발생된다(그림 4). 외부 저항이 클수록 앰프에서 더 많은 전력 소모가 발생하며 저주파 응답이 나빠진다. 10Ω 직렬 저항으로 세라믹 스피커를 구동할 경우 블라인드 전력이 전체 부하 전력에 미치는 영향은 적은 것을 볼 수 있다. 그림 5의 필요한 앰프 전력 공급과 주파수 그래프에서 볼 수 있듯이 대부분의 전력은 외부 저항에서 소모된다. 그림 5. 블라인드 전력은 전체 세라믹 스피커 부하 전력에서 매우 작은 부분을 차지한다. 전력의 대부분은 외부 저항에서 소모된다. 저주파 응답이 우수할수록 외부 저항이 더 적지만, 앰프의 출력단에서는 더 많은 전력이 소모된다. 앰프의 효율은 앰프의 출력단에서 전력이 얼마나 소모되는가를 나타낸다. 앰프에서 불가피하게 발생되는 전력 소모는 클래스 D 및 클래스 G 앰프를 포함하여 보다 효율적인 솔루션에 대한 요구로 이어진다. 부하는 직렬 저항으로 구성되며, 이로 인해 스피커가 아니더라도 부하 네트워크에서 전력 소모가 발생하게 된다. 심지어 100% 효율의 앰프일지라도 직렬 저항은 스피커를 위해 공급되는 전력에 손실을 가져온다. 그림 5의 예에서 부하에 인가되는 전체 전력은 5kHz에서 629mW이다. 53% 효율을 갖는 앰프는 558mW를 소모하게 된다. 앰프가 소모해야 하는 전력량은 애플리케이션이 사용할 수 있는 패키지 크기를 결정한다. 세라믹 스피커로 고주파 사인파를 구동해야 할 경우에는 상당한 양의 전력 소모가 필요하다. 결론 휴대용 기기가 점점 얇아지면서 로우 프로파일 세라믹 스피커에 대한 요구가 높아지고 있다. 세라믹 스피커는 기존의 동적 스피커와는 다른 특성을 가지므로 그에 따른 설계 고려사항을 적용해야 한다. 세라믹 스피커의 용량성 특성은 주파수에서 고전압을 유지할 수 있도록 앰프가 높은 출력 전압과 큰 출력 전류를 갖도록 요구한다. 세라믹 스피커를 구동하기 위해 선택하는 앰프는 블라인드 전력뿐 아니라 실제 전력을 복합적인 부하에 공급할 수 있어야 한다. 또한 저렴한 가격과 작은 솔루션 크기를 구현할 수 있도록 앰프 효율도 충분히 높아야 한다. 이러한 요구사항을 종합해 볼 때 기존의 클래스 AB 앰프와는 다른 앰프 토폴로지가 필요하다. 따라서 클래스 G 또는 클래스 D 앰프와 같이 보다 효율적인 솔루션이 대안으로 주목받고 있다. 특히 클래스 G 앰프는 솔루션 비용과 부품 수, 효율 간에 최상의 균형을 제공한다. 참고 자료 "Blind Power Dissipation in a Piezo Ceramic Load (for a Sine Wave)," Sonitron NV. "Piezoelectric Transducers: Distributed Mode Actuators," National Semiconductor, www.techonline.com/learning/techpaper/193600345 "Application Notes for Multilayer Ceramic Capacitors," Kemet Electronics, www.kemet.com/kemet/web/homepage/kechome.nsf/weben/6FB56FCB5EBB9053CA2570A500160913/$file/F3101ECerLdPerfChar.pdf 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. 추가 정보   APP 4164: May 05, 2008 MAX9730 2.4W, 단일 전원 클래스 G 전력 증폭기 전체 데이터 시트 (PDF, 304kB) 무료 샘플 MAX9738 반전형 부스트 컨버터가 내장된 16VP-P 클래스 G 앰프 MAX9788 14VP-P, 클래스 G 세라믹 스피커 드라이버 전체 데이터 시트 (PDF, 308kB) 무료 샘플   다운로드, PDF 형식 (83kB)  AN4164, AN 4164, APP4164, Appnote4164, Appnote 4164