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글/ 스티브 콜리노(Steve Colino) 전략적 기술 세일즈 부문 부사장, EPC(Efficient Power Conversion Corporation)

스킵 테일러(Skip Taylor) CEO 겸 창업자, EAS(Elegant Audio Solutions, Inc.)

클래스-D 오디오 증폭기는 전통적으로 오디오 애호가들에 의해 경시되는 경향이 있는데, 대체로 공감되는 부분이다. 클래스-D 증폭기용 스위칭 트랜지스터는 가장 민감한 청취자들을 만족시킬 만큼 충분한 개방-루프(Open-Loop) 선형성을 가진 증폭기가 만들어내는 적절한 성능 파라미터 조합을 갖춘 적이 없었다. 이로 인해 전통적인 아날로그 모듈레이터 클래스-D 시스템은 낮은 출력의 저품질 음향 시스템에 한정되게 되었다.

필요한 THD+N 성능 목표를 달성하기 위해 클래스-D 증폭기는 열악한 개방-루프 성능을 보상하는데 대규모 피드백을 이용해 왔다. 대규모 피드백은 자체적으로 TIM(Transient Intermodulation Distortion)을 도입하게 되는데, 이는 청취감을 위해 만들어진 음악의 컬러나 따뜻한 느낌이 가려지고 불쾌감이 유발된다.

실리콘 MOSFET은 지난 25년 동안 클래스-D 시스템의 스위칭 트랜지스터로 사용되어 왔다. 보다 효율적인 증폭기가 생산되고는 있지만, 이러한 제품들 또한 불완전한 스위칭이나 높은 온-스테이트 저항, 매우 높은 축적 전하로 인한 왜곡으로 어려움을 겪고 있다.(그림 1 참조) 축적 전하의 복구는 전력을 낭비하고, 울림현상을 유발하기 때문에 각 스위칭 사이클마다 추가로 왜곡을 발생시키며, 일반적인 출력 필터 방식으로 제거할 수 없다.

실리콘 MOSFET의 불완전한 스위칭이나 느린 스위칭 전환은 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 주파수를 제한하게 된다. 또한 낮은 PWM 스위칭 주파수는 출력 필터 구현을 제한하기 때문에 오디오 대역폭 상단에 제약이 따른다. 높은 PWM 스위칭 주파수는 더 높은 오디오 대역폭을 가능하게 하기 때문에 고주파수 출력 필터를 사용할 수 있다. 이러한 높은 주파수 출력 필터는 음파 성능을 저하시키지 않으면서도 보다 작은 출력 필터 컴포넌트(특히 인덕터)를 사용할 수 있도록 함으로써 부가적인 혜택을 제공한다.

높은 오디오 대역폭(새로운 HD(High-Definition) 오디오에서 더욱 중요함)과 더불어, 증가된 PWM 스위칭 속도는 더 많은 중간 출력 필터 슬로프를 가능하게 함으로써 잔류 스위칭 잡음을 증가시키지 않고도 더욱 뛰어난 선형 성능을 제공한다.

PWM 변조기로 거의 완벽한 파워의 소형 오디오 신호를 만들 수 있고, 이러한 대규모 피드백의 필요성을 완전히 제거하거나 줄일 수 있는 정밀 스위칭이 가능한 트랜시터 기술이 있다면 어떨까? EMI/EMC 증가 문제를 걱정할 필요없이 HD 오디오를 위해 출력 필터 대역폭이 두 배가 될 수 있다면 어떨까? 클래스-D 오디오 증폭기의 스위칭 기술이 뛰어난 ‘온’ 저항 및 전력 소비를 무시할 정도의 낮은 스위칭 손실 특성을 가질 수 있다면 어떨까? 이러한 트랜지스터 기술은 바로 질화갈륨(GaN; Gallium Nitride)이며, 현재 EPC(Efficient Power Conversion Corporation)가 제공하고 있다.

EPC의 eGaN®(Enhancement-Mode GaN) 트랜지스터는 실리콘 MOSFET 보다 10배 빠르게 스위칭이 가능하며, 축적 전하는 ‘제로’에 가깝다. eGaN FET의 증가된 스위칭 속도는 증폭기 설계자가 PWM 스위칭 주파수를 높이고, 데드-타임과 피드백을 획기적으로 줄임으로써 기존에는 대형의 복잡한 클래스-A 증폭기 시스템에 한정되었던 뛰어난 음질을 생성할 수 있도록 해준다.

eGaNAMP2016 증폭기로 eGaN 기술의 탁월한 성능을 입증한 텍사스 오스틴에 위치한 엘리건트 오디오 솔루션(Elegant Audio Solutions)은 8Ω으로 200W의 연속 파워 출력과 4Ω 스피커 부하에서 400W의 출력이 가능하고, 0.005%의 THD+N과 매우 낮은 피드백의 증폭기를 만들었다. 또한 이 제품은 히트싱크 없이도 동작이 가능하며, eGaN 기반 증폭기는 대부분의 기존 시스템의 표준 증폭기에 직접 플러그가 가능하다.

이 제품은 eGaN FET의 향상된 스위칭 성능의 혜택을 활용한 최초의 클래스-D 증폭기는 아니다. 파나소닉(Panasonic)은 지난해 eGaN 기술을 도입해 하이-엔드 오디오 애호가용 기술 브랜드[2]를 재출시했으며, 이 증폭기는 전세계 오디오 애호가들을 사로잡고 있다. eGaN 기술을 이용하면, 전통적인 클래스-D 증폭기의 문제들을 걱정할 필요없이 HD 오디오를 위한 높은 96kHz 대역폭 요건을 쉽게 실현할 수 있다. 증대된 대역폭을 통해 복잡한 사운드의 미묘한 소리도 크고 선명하게 제공할 수 있다.

일반적으로 증가된 오디오 대역폭에서도 청취자에게 들어오는 의도치 않은 왜곡은 허용되기 때문에, 새로운 클래스-D 시스템에서 깨끗한 오디오 신호를 생성한다 하더라도 이러한 문제는 항상 존재한다. 실제로, 오디오 대역폭 증가와 더불어, 관련 PWM 스위칭 주파수가 증가하면서 2개의 상당한 위협요소들이 발생했다. MOSFET 스위치 고유의 비효율성으로 인해 증가된 열과 스위칭 파형의 증가된 왜곡(더 큰 문제를 유발하는 데드-밴드(Dead-Band) 포함)이다. 따라서 높은 품질의 PWM 스위칭 파형을 출력 필터에 보낼 수 있어야 한다.

이를 위해서는 훨씬 더 완벽한 스위칭 파형이 요구된다. 하지만 왜곡과 각 사이클에서 유발되는 잡음, 그리고 추가로 발생하는 열은 어떻게 할 것인가? 그렇다면 음질을 저하시키지 않기 위해 더 크고, 복잡한 시스템을 만드는 것이 효과적일까? 실리콘 MOSFET 기술의 경우 대답을 제시하기 어려울 것이다. eGaN 기술의 경우, 전력소비를 증가시키지 않고, 복잡함 없이 향상된 음질을 얻을 수 있다. 사운드-바나 유사한 애플리케이션에서 96kHz 출력 필터 기반 50W HD 오디오 증폭기의 경우, +32V 공급전압으로 2MHz에서 동작하는 eGaN FET는 풀-브리지 출력 스테이지에서 전력소비가 2W 미만에 불과하다. 이는 열 용량이 뛰어난 FET 스위치의 절반 미만에 불과한 것이다. 또한 높은 출력 필터 주파수는 출력 필터 설계 비용을 절감할 수 있으며, 높은 스위칭 주파수는 보다 쉽게 EMI/EMC 규격을 준수할 수 있도록 해준다.

언급한 것처럼, eGaN FET의 스위칭 에지는 매우 깨끗하고, 울림현상이 적으며, EMI(Electromagnetic Interference) 또한 쉽게 관리할 수 있다. eGaN 기술의 웨이퍼 레벨 패키지는 매우 낮은 인덕턴스를 갖는다. 이러한 뛰어난 레이아웃을 통해 오버슛이나 링잉은 거의 제거될 수 있다.[3] 출력 필터 비용 절감 및 히트싱크 비용 삭감으로 eGaN FET 기반 HD 오디오 시스템은 뛰어난 음질은 물론, 소형화가 가능하며, 전통적인 MOSFET 기반 시스템에 비해 전반적인 시스템 비용을 줄일 수 있다.

높은 PWM 스위칭 주파수와 피드백 절감, 높은 대역폭을 갖춘 HD eGaN FET 기반 시스템은 오디오 애호가들이 선호하는 따뜻한 소리를 가진 음향을 구현할 수 있으며, 최상의 선형 클래스-AB 시스템도 넘볼 수 없는 탁월한 오디오 경험을 선사할 수 있다. 이제 홈 씨어터는 물론, 자동차, 보트, 휴대형 무선 스피커와 하이파이 홈 시스템에서도 HD eGaN 기반 시스템을 기대할 수 있다.

고속 스위칭 eGaN 기술은 이동통신, TV, 자동차를 비롯한 다른 수많은 산업 분야에 영향을 미치고 있으며, eGaN 기술은 하이-엔드 오디오 시장에도 진출하고 있다. 클래스-AB의 전통을 이은 소형 클래스-D 또한 eGaN 기술의 시대로 나아가고 있다.

[1] J. Honda and J. Adams, “How Class D audio amplifiers workfile://localhost/,” EETimes, Jan. 23, 2006 http/::www.eetimes.com:document.asp%3Fdoc_id=1274757

[2] http://www.dealerscope.com/article/panasonic-premieres-new-technics-audio-products-ifa-show/

[3] http://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/papers/Optimizing%20PCB%20Layout%20with%20eGaN%20FETs.pdf

[4] http://www.gizmag.com/panasonic-technics-hi-fi/33676/pictures