더 높은 출력 전력과 Class-H 제어를 통해 몰입감 넘치는 오디오 경험 제공

자동차 연비 기준이 계속 증가함에 따라 환경보호청(EPA)에 의하면 2026년 연비는 늘리고(갤런당 최대 40마일 / 1갤런=약 3.8L, 1마일=1.6km), 차량 무게를 줄이고 전반적인 효율을 높이는 동시에 몰입감 넘치는 오디오 경험을 어떻게 제공할지가 자동차 오디오 디자이너가 해결해야 할 과제로 떠올랐다.

자동차 외부 증폭기를 설계한다면, 출력 전원을 높이고 임피던스가 더 높은 스피커를 활용하고 Class-H 제어를 시스템에 구현하는 등 사용자 경험을 향상시키기 위해 오디오 시스템 아키텍처를 새로 공급할 수 있다. 본 기고문에서는 오디오 시스템 무게와 성능에 미치는 영향을 포함하여 각 접근 방식에 대해 자세히 다룰 것이다.

자동차 오디오 디자인에 Class-H 제어 구현

더 높은 공급 전압과 더 높은 출력 전류를 사용하여 더 높은 출력 전력 지원

OEM(original equipment manufacturer)의 차량 중량 감소 요구와 함께 소비자들은 차량에서 몰입감 넘치는 경험을 만들어내는 최상급 오디오 성능을 원하고 있다. 이러한 경험을 제공하는 시스템을 개발하기 위해, 설계자는 창문이 덜컥거리는 저음을 끊임없이 낼 수 있는 더 강력한 서브우퍼를 통합하고 소리 복제 시에 더 훌륭한 다이내믹 레인지(데시벨 단위로 측정한 가장 조용한 소리와 가장 시끄러운 소리의 차이)를 제공하고자 한다.

더 높은 출력 전력과 함께 다이내믹 레인지를 증가시키려면 입력 공급 전압을 높이는 것이 좋다. 표 1은 스피커 임피던스 증가에 맞추어 75W의 출력 전력을 유지하는 데 필요한 공급 전압 및 출력 전류 값을 나타낸다.

표1: 다양한 채널 요구 사항 사이의 관계(동일 출력)

표2는 출력 요구량 증가와 공급 전압/출력 전류 사이의 상관관계를 나타낸다. 이 경우, 동일 스피커 임피던스에 대해 더 높은 출력 전력이 요구되면 공급 전압과 출력 전류 모두 증가해야 한다.

표 2: 다양한 채널 요구 사항 사이의 관계(출력 증가)

더 높은 임피던스의 스피커로 총 중량을 줄일 수 있는 이유

표 1에서 보는 바와 같이 더 높은 임피던스의 스피커를 사용하면 동일 출력 전력을 유지하면서 출력 전류가 크게 줄어드는 이점이 있다. 그리고 요구되는 출력 전류를 낮추기 때문에 구리선의 상대적 크기(직경)를 줄일 수 있다. 예를 들어 직경이 작은 전선이 동일 출력 전력으로 4Ω 스피커나 2Ω 스피커 대신 8Ω의 스피커를 지원할 수 있어 오디오 케이블 중량 감소에 도움이 된다.

그림 1의 단순화된 설치를 보면 각 자동차 도어에 있는 중음 스피커 1대와 뒷좌석에 있는 추가 스피커 2대를 지원하는 총 6대 스피커의 카 오디오 시스템이 그려져 있다. 모든 스피커를 연결하려면 약 23미터의 구리선이 필요할 것이다.

그림 1: 스피커 6대의 일반 카 오디오 시스템을 연결하는 데 필요한 구리선의 길이

스피커 임피던스를 높이면 케이블 직경을 줄일 수 있다는 긍정적인 효과가 있다. 이 케이블 직경에 모든 스피커를 오디오 외부 증폭기에 상호 연결하는 데 흔히 사용되는 케이블의 전단량을 곱하면 실질적으로 오디오 시스템의 총 중량을 낮출 수 있다.

시스템 효율을 최적화하고 나아가 중량까지 줄여주는 Class-H 제어 구현

기존 오디오 시스템의 전원 공급 솔루션은 그림 2와 같이 오디오 부하에 필요한 최대 출력을 전달하기 위해 보통 모든 스피커에 설치된 오디오 증폭기의 공급 전압(PVDD라고 표시)을 필요한 최고 전압으로 설정한다.

그림 2: Class-H 제어가 없는 기존 오디오 시스템의 PVDD

TAS6584-Q1 등의 Class-D 오디오 증폭기를 사용하여 Class-H 제어라는 기술을 구현하면 증폭기에 공급되는 PVDD 전압을 최적화하고(그림 3 참조) 오디오 파형의 엔벨로프를 동적으로 추적할 수 있다. Class-H 제어는 오디오 설계의 효율을 크게 개선함은 물론, PVDD 전압이 42V에 고정되었다면 달리 분산되었을 전력을 절약할 수 있다.

그림 3: Class-H 제어를 사용한 PVDD

표 3은 Class-H 제어를 켜거나 끌 수 있는 TAS6584Q1 기반의 자동차 Class-H 오디오와 추적 전원 공급 레퍼런스 디자인을 사용하여 소모 전력(P_out) 대비 시스템 내 입력 전력(P_in)을 비교하고 있다. Class-H 제어를 사용하면 부스트 공급 컨트롤러와 오디오 증폭기 사이의 시스템 효율 게인(Gain)이 거의 10%나 된다.

표 3: Class-H 제어를 통한 효율성 개선

효율성을 개선하면 그림 4와 같이 외부 증폭기의 전력 손실도 줄어든다.

그림 4: Class-H 제어를 사용하여 감소한 총 전력 손실

이 부분은 Class-H 제어를 켰을 때와 껐을 때 TAS6584-Q1 오디오 증폭기와 LM5123-Q1 부스트 컨트롤러 전원 공급의 카메라 열화상을 살펴보고 열 신호를 비교하면 더 잘 알 수 있다. 그림 5는 Class-H 제어 구현을 통해 총 열부하를 크게 낮춘 모습을 보여준다.

그림 5와 같이, (전력 손실 감소를 통한) Class-H 제어의 효율성 개선은 열부하를 낮추는 데 도움이 되므로, 내부 열을 방출하는 더 작은 히트 싱크를 선택할 수 있게 된다.

그림 5: Class-H 제어의 유무에 따른 열 감소

그림 4: LM15123-Q1 및 TAS6584-Q1의 열화상에 따른 온도 비교 표

결론

이 글을 통해 임피던스가 더 높은 스피커를 활용하고 Class-H 제어를 구현하면 경량 오디오 시스템 개발에 어떤 도움이 될 수 있는지, 그리고 증폭기 무게를 줄이면 다음 이점 중 하나로 어떻게 바뀔 수 있는지를 효과적으로 보여주었기를 바란다. 이러한 이점에는 주행 거리 연장과 함께 전체 오디오 설계에 더 많은 수의 스피커 채널을 포함하고 기존 개수의 자동차 스피커로 채널당 전체 평균 출력 전력을 높일 수 있다는 부분이 포함된다.

그렉 벅 (Gregg Burke), TI Automotive 임베디드 프로세스 책임자

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