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왜 자동차 인포테인먼트 시스템에 클래스D 오디오 증폭기 사용해야 하나?

오늘날 신형 자동차에 얼마나 많은 첨단 기술이 사용될까? 놀라울 정도의 기술들이 사용되고 있으며 이 중 일부는 엔트리급 차량이나 이코노미 차량에까지 도입되고 있다.

응급 제동 시스템을 갖춘 전방 충돌 경고 기능은 전방의 차량이 갑자기 속도를 줄일 경우 충돌을 방지하기 위해서 차를 자동으로 제동할 수 있다.

첨단 주차 유도 시스템은 평행 주차 공간에 주차하기 위해서 자동으로 완벽하게 후진할 수 있다.

차선 유지 보조 기술은 차선을 이탈했을 때 좌석이 진동하게 만들어서 차선 이탈을 알려준다. 더 나아가서 스티어링을 자동으로 제어하여 자동차가 차선 안으로 들어오도록 할 수도 있다.

첨단 자동차의 최신 인포테인먼트 시스템인 [그림1]은 자동차에서 내비게이션, 음악, 라디오, 스트리밍 서비스를 제공한다. 소비자들은 중형 또는 엔트리급 차량의 인포테인먼트 시스템도 스마트폰이나 태블릿과 같이 대형 LCD 터치스크린을 갖추기를 바라고 있다.

또 음악, 팟캐스트, 뉴스 등을 스트리밍 할 수 있게 블루투스나 와이파이를 지원하기를 기대한다.

[그림1] 자동차 인포테인먼트 시스템 <제공: TI코리아>

이 글에서는 최신 자동차 인포테인먼트 시스템에 사용되는 오디오 증폭기와 관련해서 중요한 설계상의 고려사항을 살펴보려고 한다.

크기 = 어떤 첨단 기능들은 자체적인 전용적인 프로세서와 센서를 필요로 하며 통상적으로 대시보드 후면의 자체적인 별도의 ECU(electronic control unit) 박스 안에 탑재된다.

대시보드 뒷편의 공간은 매우 제한적이고 밀집돼 있기 때문에 ECU 협력사들은 계속해서 첨단 기능을 추가하기 위한 공간을 확보하기 위해서 인포테인먼트 헤드 유닛의 크기를 비롯한 이러한 박스의 크기를 축소할 수 있는 방법을 찾고 있다.

발열 = 새로운 기능을 추가하기 위해서는 점점 더 높은 프로세싱 성능이 요구되고 있다. 고성능 시스템온칩(SoC) 프로세서는 훨씬 더 빠르게 실행되며 통상적으로 더 많은 전력을 소모하고 더 많은 열을 발생시킨다.

마찬가지로 인포테인먼트 시스템에 사용되는 대형의 LCD 터치스크린 역시도 인포테인먼트 헤드 유닛 박스 안에서 발생되는 열 때문에 영향을 받을 수 있다. 그러므로 이러한 ECU 협력사들은 인포테인먼트 헤드 유닛 내에서 전반적인 열 부하를 낮출 수 있는 방법을 찾고 있다.

ECU 업체들은 인포테인먼트 헤드 유닛에 클래스 AB 오디오 증폭기를 사용해 왔다. 하지만 [그림2]를 보면 클래스 AB 증폭기는 새로운 클래스 D 증폭기 디자인에 비해서 효율이 훨씬 떨어진다.

자동차의 오디오 증폭기는 헤드 유닛 내에서 SoC에 이어서 두 번째로 많은 열을 발생시킨다. 헤드 유닛 박스 안에서 더 많은 열이 발생된다는 것은 더 많은 수동 복사 히트 싱크나 기계식 팬을 포함해야 한다는 의미이다. 이는 전반적인 솔루션 크기를 줄이는 데 방해가 된다.

[그림2] 클래스 AB 대 클래스 D의 효율 비교 <출처: www.audioholics.com>

텍사스인스트루먼트(TI)는 CES 2018에서 2.1MHz 고속 스위칭 주파수 클래스 D 아날로그 입력 자동차용 오디오 증폭기 제품을 선보였다. TPA6404-Q1은 인포테인먼트 헤드 유닛의 크기 및 열 부하와 관련된 문제들을 해결할 수 있도록 설계됐다.

클래스 D 증폭기는 통상적으로 최대 400kHz로 증폭기를 온오프로 스위칭한다. TPA6404-Q1 클래스 D 증폭기는 2.1MHz의 훨씬 더 높은 스위칭 주파수로 동작함으로써 출력 필터용으로 훨씬 더 낮은 인덕턴스 값을 사용할 수 있다.

[그림3] 인덕터 크기 비교 <제공: TI코리아>

[그림3]에서 2.1MHz 설계는 새로운 3.3mH 금속 합금 타입 인덕터를 사용함으로써(400kHz 증폭기에는 훨씬 더 대형의 10mH/8.2mH 필요) 4채널 솔루션의 모든 8개 인덕터를 하나의 8.2mH 인덕터와 동일한 풋프린트 안에 집어넣을 수 있다는 것을 알 수 있다.

TPA6404-Q1이 소형화된 4채널 증폭기 솔루션을 달성할 수 있는 또 다른 특징적인 점은 오디오 신호가 곧바로 통과하도록 설계됐다는 것이다.

[그림4]에서는 어떻게 디바이스 한쪽에서 아날로그 입력 신호가 증폭기로 들어오고 또 다른 편에서 오디오 신호 증폭이 일어나고 신호가 외부 출력 필터로 흐르는지를 보여준다.

금속 합금 3.3mH 인덕터를 사용하고 신호가 곧바로 통과하도록 설계됨으로써 업계에서 가장 소형화된 크기의 4채널 자동차 클래스 D 증폭기 크기를 달성할 수 있다.

[그림4] 신호가 곧바로 통과하도록 설계된 TPA6404-Q1 <제공: TI코리아>

[그림5]는 TPA6404-Q1을 사용한 전체적인 솔루션(증폭기와 모든 필요한 수동 소자 포함)의 크기가 불과 4.5cm2밖에 되지 않는다는 것을 알 수 있다.

엔트리급 인포테인먼트 헤드 유닛 시스템으로 전반적인 솔루션 크기와 열 발생을 줄이고자 할 때 TPA6404-Q1 2.1MHz 클래스 D 증폭기는 유용한 솔루션이 될 것이다.

[그림5] 4채널 클래스 D 증폭기 솔루션 크기 <제공: TI코리아>

또 TPA6404-Q1 평가 모듈(EVM)을 사용함으로써 개발 시간을 단축할 수 있다. 이와 함께 스키매틱, 설계 파일, 레이아웃 가이드를 제공한다.

최태우 기자  taewoo@internews.kr

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