클래스 D 증폭기 음질: 대량 생산 전에 OEM 구매자가 확인해야 할 사항

500W 클래스 D 앰프 모듈과 유사한 전력의 클래스 AB 모듈을 동일한 12인치 파워드 스피커에 떨어뜨리면 누군가가 사운드에 대해 이야기하기도 전에 매우 다르게 작동합니다. 클래스 D 보드는 2시간 동안 프로그램 자료를 시청한 후 예열됩니다. 클래스 AB 보드는 만지면 뜨겁고 그 뒤에 있는 배터리 팩은 눈에 띄게 빨리 소모됩니다. 클래스 D 음질에 대한 질문은 일반적으로 모듈이 적절하게 측정되고 나면 나중에 발생합니다. 그리고 그 시점에서 대부분의 오래된 불만 사항은 이미 훨씬 더 짧은 목록으로 축소되었습니다.

이 짧은 목록이 이 기사의 주제입니다. 이 책은 파워드 스피커, 라인 어레이, 서브우퍼 및 휴대용 시스템용 앰프 모듈을 선택하는 엔지니어 및 구매 팀, 즉 2000년대 초반부터 단순히 상속받은 부품과 진정한 디자인 절충인 "클래스 D 사운드" 부분을 분리해야 하는 사람들을 위해 작성되었습니다.

클래스 D 음질에 대한 짧은 답변

잘 설계된 클래스 D 모듈은 현대식 파워 스피커 내부에서 동일한 전력을 가진 우수한 클래스 AB 모듈과 구별하기 어려울 정도로 투명합니다. 또한 열 안정성, 부하 시 출력 일관성, 높은 볼륨에서 장기간 성능 등 실제 배포에서 앰프를 판단하는 항목에서도 측정할 수 있을 정도로 더 좋습니다.

남아있는 차이점은 문자 D로 인한 것이 아닙니다. 이는 네 가지 디자인 결정에서 비롯됩니다.

• 스위칭 주파수와 그 주변에 출력 필터가 내장되어 있습니다.
• 전원 공급 장치 토폴로지, 특히 모듈이 역률 보정 및 LLC 공진단을 사용하는지 여부.
• DSP, EQ 및 제한을 포함하여 앰프 앞의 신호 체인입니다.
• 열 설계 및 보드 레이아웃.

실질적인 결과는 카탈로그 수준에서 "클래스 D와 클래스 AB"를 비교하면 거의 아무것도 알 수 없다는 것입니다. 전원 공급 장치, 필터 및 DSP를 비교하면 음질 문제에 대한 답이 크게 나옵니다.

클래스 D가 사운드 부문에서 나쁜 평판을 얻은 이유

그 비판은 한 번 정당화되었으며, 오늘날에도 동일한 실패 모드가 여전히 저렴한 모듈에 나타나기 때문에 그 이유를 정확히 아는 것이 가치가 있습니다.

• 출력 필터 롤오프. 초기 모듈은 대략 50~150kHz에서 전환되어 출력 필터가 20kHz보다 훨씬 아래에서 자르기 시작했습니다. 그 결과 청취자들이 둔하거나 폐쇄된 것처럼 묘사한 롤오프된 상단이 탄생했습니다.
• 데드타임 왜곡. 출력 단계에서 슛스루를 방지하는 블랭킹 간격으로 인해 비선형 오류가 발생합니다. 보상이 없으면 오류는 귀가 가장 민감한 고음역에 도달하게 됩니다.
• 개방 루프 설계에서 공급 거부가 불량합니다. 피드백 루프가 없으면 공급 레일의 리플이 출력에 직접 나타나고 부하가 걸린 레일 처짐이 가청 압축으로 변합니다.
• 부주의한 스위칭 레이아웃으로 인한 EMI. 노이즈가 프리앰프 스테이지와 입력 케이블에 결합되어 오디오 경로 자체와는 아무 관련이 없는 히스 및 버즈를 생성했습니다.

이러한 모든 문제에는 더 높은 스위칭 주파수, 데드타임 보상, 폐쇄 루프 변조 및 엄격한 EMI 레이아웃이라는 알려진 엔지니어링 답이 있습니다. 구매자에게 중요한 것은 클래스 D가 좋게 들릴지(분명히 그럴 수 있음)가 아니라, 여러분 앞에 있는 특정 모듈에 그러한 답변이 적용되었는지 여부입니다.

실제로 클래스 D 음질을 결정하는 4가지 요소

스위칭 주파수 및 출력 필터

스위칭 주파수는 출력 필터가 작동해야 하는 공간을 설정합니다. Professional 클래스 D 모듈은 일반적으로 300kHz와 1MHz 사이에서 전환합니다. 스위칭 주파수가 높을수록 필터 모서리가 더 높게 위치할 수 있으므로 위상 및 진폭 동작이 20kHz 이상까지 깨끗하게 유지됩니다. 비용은 더 큰 스위칭 손실과 더 까다로운 EMI 설계로 인해 발생합니다.

OEM 프로젝트의 경우 실제 점검은 간단합니다.

• 모듈은 어떤 스위칭 주파수를 지정합니까?
• 20kHz를 기준으로 출력 필터 모서리는 어디에 있습니까?
• 공급업체가 인쇄된 "±3dB" 주장 대신 측정된 20Hz~20kHz 응답 곡선을 제공할 수 있습니까?

전원 공급 장치 토폴로지: PFC, LLC 및 이들이 데이터시트에 나타나는 이유

클래스 D 출력단은 스위칭 펄스에서 전류를 끌어오므로 증폭기는 증폭기에 공급되는 레일의 품질에 따라 제한됩니다. 두 가지 공급 기능은 이름으로 알 가치가 있습니다.

역률 보정(PFC) 넓은 주 전압 범위에 걸쳐 모듈을 안정적으로 유지합니다. 이는 그리드가 엄격하게 규제되지 않는 시장에 수출되는 제품에 중요합니다.

LLC 공명 소프트 스위칭 토폴로지입니다. 스위칭 손실과 EMI를 낮추고 더 깨끗한 출력 리플을 생성하며 높은 부하에서도 효율성을 잘 유지합니다. 실제로 기본 플라이백 공급 장치와 LLC 공진 공급 장치가 공급되는 동일한 클래스 D 스테이지는 동일한 앰프처럼 작동하지 않습니다. 차이점은 베이스 제어와 큰 소리가 나는 동안 시스템이 유지되는 방식에서 먼저 나타납니다.

EON520: LP400W HP100W PFC LLC 공진 넓은 전압 클래스 D 전력 증폭기 모듈 ● PFC LLC 공진을 갖춘 고효율 스위칭 전원 공급 장치: 800W ● 자체 적응형 넓은 전압 입력: 100V-240V ● 중간 및 저주파 전력 증폭기: CLASS D 40... 제품보기 →

예를 들어, 넓은 전압 입력을 갖춘 LP 400W/HP 100W 등급의 PFC와 LLC 공진 설계 등 두 가지 접근 방식을 결합한 모듈은 주 전원 공급 장치가 이동할 때 출력 품질을 안정적으로 유지하기 위해 특별히 존재합니다.

앰프 앞의 DSP 및 신호 체인

파워 스피커가 청취자에게 도달할 때쯤이면 사운드는 앰프 단독이 아닌 DSP와 앰프가 함께 만들어낸 결과가 됩니다. 그렇기 때문에 ADAU1701 칩에 내장된 DSP 모듈은 액티브 스피커에서 매우 일반적입니다. 크로스오버, EQ, 제한 및 사전 설정 전환이 모두 단일 장치에 적용됩니다.

세 가지 DSP 동작이 인지된 클래스 D 음질로 직접 변환됩니다.

• 제한. 적절하게 설정된 리미터는 앰프의 하드 클리핑을 방지하여 앰프 자체 보호에 의존하는 모듈에 비해 높은 볼륨에서 저음 왜곡을 줄여줍니다.
• 보호 논리. 출력을 갑자기 차단하는 대신 출력을 낮추는 스피커 및 열 보호 장치는 제품을 신뢰할 수 없게 만드는 청각적 드롭아웃을 방지합니다.
• 캐비닛과 일치하는 사전 설정입니다. 사전 설정된 EQ 모드는 참조 설계에서 복사된 것이 아니라 특정 드라이버 및 인클로저에 맞게 조정된 경우에만 유용합니다.

DSP1903: 4개의 맞춤형 프리셋 EQ 모드 2.1CH 선형 어레이 스피커 ADAU1701 기반 DSP 기능 ● ADAU1701 사운드 오디오 시스템을 기반으로 설계되었습니다. 시그마 스튜디오 DSP 소프트웨어를 사용하여 신호 처리 매개변수를 구성하십시오. ● 4가지 맞춤형 사전 설정 모드를 선택할 수 있습니다. 제품보기 →

여러 맞춤형 사전 설정 EQ 모드를 제공하는 다중 채널 DSP 프런트 엔드가 전형적인 예입니다. 앰프 스테이지는 동일하게 유지되지만 완성된 스피커의 톤 동작은 완전히 변경됩니다.

열 설계 및 보드 레이아웃

클래스 D는 클래스 AB보다 훨씬 적은 열을 발생하지만 여전히 열을 발생합니다. 20분 후에 열 롤백에 들어가는 모듈은 벤치 측정 결과가 아무리 좋아도 부드럽고 압축된 소리를 냅니다.

확인할 사항:

• 방열판 영역과 공기 흐름 경로가 실제 인클로저와 일치합니다.
• 보호 임계값은 일반 프로그램 자료가 절대 트리거하지 않을 정도로 충분한 여유를 두고 설정됩니다.
• 짧은 벤치 실행이 아닌 장기간의 전체 부하 테스트에서 얻은 번인 데이터입니다.

이는 데이터시트로는 할 수 없는 평가 부분이기도 하다. 자체 SMT 라인, 조립 라인 및 오디오 테스트 룸을 운영하는 공급업체는 번인 로그 및 임피던스 부하 테스트 결과를 생성할 수 있습니다. 무역 회사는 일반적으로 할 수 없습니다. 모듈 뒤의 제조 설정 생산을 시작하기 전에 현장을 방문할 가치가 있습니다.

클래스 D, 클래스 AB 및 클래스 H 나란히

어떤 클래스가 고립되어 있을 때 가장 잘 들리는지에 대한 선택은 거의 없습니다. 제품의 열 봉투, 배터리 예산, 무게 목표 및 가격대에 적합한 것이 무엇인지에 관한 것입니다.

효율성 격차는 마케팅 수치가 아닙니다. 이는 배터리 구동 스피커가 저녁 내내 작동할 수 있는 이유이자 라인 어레이 캐비닛이 더 작은 상자에 더 많은 채널을 전달할 수 있는 이유입니다. 실제 제품에서 이러한 절충안이 어떻게 작용하는지 더 자세히 알아보고 싶다면 이 비교를 참조하세요. 클래스 D 및 클래스 AB 효율성 및 음질 디자인 관점에서도 같은 영역을 다루고 있습니다.

구매 계약서에 작성할 만한 사양

모듈 카탈로그 페이지에는 전력, 임피던스 및 몇 가지 기능이 나열되는 경향이 있습니다. 음질이 계약상 요구 사항인 경우 대신 다음 사항을 요청하세요.

1. 정격 전력 및 1W에서 THD N. 1W 수치는 유휴 노이즈 플로어와 크로스오버 동작을 나타내는 수치입니다.
2. 스피커 터미널에서 측정된 주파수 응답 , 출력 필터와 부하가 상호 작용하기 때문에 라인 입력이 아닙니다.
3. 20Hz~20kHz에 걸친 출력 임피던스 또는 감쇠 계수. 이것이 저음이 단단한 모듈과 느슨하게 들리는 모듈을 구분하는 요소입니다.
4. 전원 공급 장치 토폴로지 및 스위칭 주파수. PFC 존재 여부에 관계없이 LLC 공진형 또는 하드 스위치형입니다.
5. 보호 임계값 및 복구 동작. 단순히 보호가 존재하는지 확인하는 것이 아니라 실제 트리거 포인트를 요청하세요.
6. 최소 1시간 동안 최대 부하에서 열 테스트 데이터입니다.

자체 모듈을 설계하고 구축하는 공급업체는 일반적으로 테스트 데이터를 통해 이러한 질문에 답할 수 있습니다. 재판매를 할 수 없는 공급업체는 샘플이 승인된 후에도 오랫동안 현장에 그 차이가 나타납니다.

클래스 D 모듈이 가장 적합한 곳

클래스 D는 절대적인 열 여유 공간보다 효율성과 크기가 더 중요한 모든 애플리케이션에서 더 이상 절충안이 아니며 그 목록은 계속해서 늘어나고 있습니다.

• 휴대용 및 배터리 구동 스피커. 효율성은 전체 설계 제약 조건입니다. 클래스 AB 모듈은 동일한 재생 시간 동안 훨씬 더 큰 배터리 팩이 필요합니다.
• 액티브 라인 어레이 시스템. LLC 공진 공급 장치가 포함된 다중 채널 모듈은 이러한 시스템이 사용하는 2.1 및 2.2 채널 구성에 적합하며 낮은 열 출력으로 인해 설계자는 더 작은 캐비닛에 더 많은 채널을 넣을 수 있습니다.
• 파워 서브우퍼. BTL 클래스 D 출력 스테이지는 선형 설계에 필요한 방열판 질량 없이 낮은 임피던스 부하에 높은 전력을 전달합니다. LP 1500W(8옴) 정격의 전용 서브우퍼 모듈은 프로덕션 하드웨어에서 이러한 모습을 보여줍니다.
• 컬럼 스피커 및 설치된 사운드. 열이 낮다는 것은 추가 환기 없이 앰프를 인클로저 내부에 밀봉할 수 있다는 것을 의미합니다.

EON521 1500:LP 1500W/8ohm Pro 오디오 BTL 서브우퍼 전력 증폭기 모듈 ●LLC 공진 고효율 및 고신뢰성 스위칭 전원 공급 장치: 1800W ●BTL 전력 증폭기: CLASS D 1500W-8Ω ●U자형 알루미늄 라디에이터, 안정적인 전력 출력... 제품보기 →

제작 프로젝트를 위한 실무 평가 체크리스트

클래스 D 모듈을 생산 자재 명세서로 확정하기 전에 매번 동일한 순서로 실행하십시오.

1. 헤드라인 사양에 사용된 임피던스가 아닌 스피커의 실제 부하 임피던스에서 정격 전력을 확인하십시오.
2. 실제 부하를 연결한 상태에서 스피커 단자의 주파수 응답을 측정합니다.
3. 보호 활동과 함께 1시간 동안 전체 전력 번인을 실행하고 방열판 온도를 기록합니다.
4. 무거운 저주파 콘텐츠가 포함된 프로그램 자료를 높은 레벨에서 재생하고 특히 압축 및 리미터 펌핑을 들어보세요.
5. 입력이 단락된 상태에서 유휴 소음을 확인하십시오. 여기에는 저렴한 모듈이 노출됩니다.
6. 제품이 공급이 불안정한 상태로 시장에 출시되는 경우 주전원 전압 범위의 낮은 끝에서 동작을 확인하십시오.
7. 사전 설정된 EQ 모드와 보호 임계값을 캐비닛에 맞게 사용자 정의할 수 있는지 확인하십시오. 맞춤화는 모듈 사업의 일반적인 부분입니다. , 이는 예외가 아니며 사전 설정을 조정하지 않는 공급업체는 출시 후 제품을 지원할 가능성이 없습니다.

자주 묻는 질문