일요일, 1월 26, 2020
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소출력 D-클래스 앰프와 굼뜬 SMPS 어댑터

글쓴이 : SOONDORI

내용과 이유는 익히 알고 있었지만 현상을 직접 목격한 것은 이번이 처음이다. 이 글의 핵심 멘트를 쓰기 전에 벌어진 상황을 정리해보자면…

○ 15V/4A SMPS 정전압 어댑터가 소출력 D-클래스 앰프에 물려 있다.
○ DIY族에게 별다른 수단이 없으니까 어댑터 출력 즉, 앰프에 공급되는 DC 전원의 전위를 오실로스코프(1mS)로 관찰한다.
○ DC이므로 관찰파형은 당연히 깨끗한 수평선.
○ 볼륨 최대 조건에서 쿵~! 저음이 재생될 때 오실로스코프 파형이 잠깐씩, 아주 조금씩이라도 하강한다면?

마치 공급전력이 딸려 전압강하가 일어나는 것처럼 보이는 상황이다. 오호라… 어댑터 제조사가 무려 4A를 흘릴 수 있다고 장담함에도? 실측하여 보니 불과 전류량 몇 백 mA에 불과함에도?

충분히 그럴 수 있다. 어댑터 전압, 전류, 전력량 많고 적고 때문이 아니라 태생적으로 느릿한 정전압 SMPS의 Feedback 제어구조가 원인이다. 내부 피드백 반응이 늦으니까 순간 부하변화 즉 에너지가 많이 소요되는 음 Peak에 대한 보정반응이 늦은 것.

그 굼뜬 SMPS 안에 무엇이 들어 있을까? 속내 확인을 위해 폐기를 작정하고 예의 SMPS를 분해해보았다.

(본드의 흩뿌림은 곧 다시는 뚜껑을 열어보지 않겠다는 의도)

(600V/3A급 브릿지다이오드 KBP-306)

(스위칭 동작의 핵심부품인 PSA10N60C MOSFET)

이야기의 전개를 위해 대상 SMPS의 것과 유사한 그러면서 SMPS 원론을 충실히 따르고 있는 회로를 예시하자면 아래와 같다.

(이 회로에서 프로세스의 흐름은… 220V 인가 → 4개 IN4007를 이용한 브릿지 정류 → 맥류 포함된 고압 DC를 100uF/400V 커패시터로 평활 → IRF840 MOSFET 중심 회로가 100Khz 내외 펄스 스위칭 → PWM → 작은 크기의 출력 트랜스포머 → 낮은 전압의 스위칭 전력 즉, 교류상태 SMPS 출력전력을 6A4 다이오드로 정류하고 2200uF 커패시터로 평활 → 동시에 4N35 포토-커플러(전기적으로는 격리되어 있다)와 제너다이오드로 구성되는 회로가 출력전압을 IRF840 중심 회로로 피드백 → IRF840 스위칭부 동작점 변경 → 출력부 DC 전압의 안정화(=DC Regulation) → 전 과정의 무한순환 순. 출처 : https://electronics.stackexchange.com/questions/207940/smps-schematic-transformer-calculator)

위 회로도 기준, 오실로스코프 등락 즉, SMPS 출력전압 등락을 만들어 냈던 원인은 현물 EL34 포토-커플러 피드백(=전압변화)을 받은 현물 PSA10N60C MOSFET가 스위칭 동작을 조정하고 다시 최종 DC 전원을 보정하기까지 소요되는 ‘절대시간’이다. 가정하건데 그 절대시간 즉, 출력응답이 충분히 짧은 시간 안에 이루어졌다면 등락관측 불가능했을 것이고 반대로 느리면 느릴 수록 등락관측은 쉬워질 것.

* 관련 글 : 오디오와 SMPS 전원공급기

이쯤에서”순간피크 대응 전력공급의 안정도는 최대공급능력과 무관한 항목” 그런 정도로 정의해 두고… 위와 대비되는 사례 하나를.

예를 들어 정전압 SMPS와 전혀 다른 구조 즉, NON-Switchnig 방식으로서 강압 트랜스포머 + 정류기 + 평활회로 + 아날로그 레귤레이터 IC가 조합되는 정전압 리니어전원(Linear Power Supply, 연속제어 전원공급회로)을 상정해보면…

대뜸 떠오르는 Fairchild LM7815 IC의 Load Regulation 특성은… 아래에서 15V 정전압 기준, 30uS 안에 부하전류 250mA를 그 세 배인 750mA로 만들었을 때의 순간적인 전압변동(=피드백 제어의 Error)은 Typical 5mV 즉, 15V의 0.033%로 제시되어 있다. 그런 민첩함을, 극미 오차를 10Mhz 아날로그 오실로스코프로 육안 관측하여 잡아내기는 어렵고 평범한 DSO의 1초 단위 파형로깅으로도 파악하기 힘들다.

위 어설픈 비교에서 핵심은, 예의 SMPS 어댑터가 지천에 널려 있어 별 볼일 없어 보이기까지 하는 리니어타입 LM7815 Regulator IC보다 “반응이 느리다”는 사실.

느리다는 의미는 앰프 상태변화에 추종하는 능력이 떨어진다는 뜻, 고주파 잡음 유입 등 저가형 SMPS 어댑터들이 갖는 여러가지 문제점들에 더하여 전원부 반응의 신속함, 그 좋고 나쁨이 꽤 중요한 인자로 작용한다는 뜻이다. 낮은 전압에서 출력 쥐어짜기 하는 D-클래스 BTL앰프에서는 더 그렇겠고… 결국에는 음 찌그러지고 Pure Sound 추구개념에서 멀어진다. 왜? 스피커 유닛의 자기장 반발은 전류에 종속되고 앰프는 그 구동전류를 제어하는 도구이니까.

“앰프가 문을 활짝 열었는데 전류가 뭉그적거리면 어쩌란 말입니까?”

(금잔디음향 칼라스 PM103 액티브 스피커 설명문구 예시. 오디오를 잘 아는 설계자가 앰프와 리니어파워 조합의 강점에 착안하고 적절히 배려한 것이다. 제조단가가 높아짐에도 Pure Sound를 지향했다는 점에서 가점을 주고 싶다)

아무래도 저가형 SMPS 어댑터는 LED 조광, 모니터 전원, 기타 전류변동에 둔감한 용도로만 사용하는 것이 좋겠다. 개인의견은 그러한데… 어댑터 특성을 소비자가 전혀 알 수 없다는 것이 문제. 사실 “리니어 어댑터로 주세요”라고 말하고 가끔은 방열구가 가공되어 있고 안쪽 트랜스포머 때문에 크고 무거운 물건을 받는 방법 밖에는 없다. 인터넷 여기저기에서 팔고는 있는데… 시대가 바뀌어 이제는 리니어전원 어댑터가 흔치 않은 물건이 되어 버렸고 오히려 엉망이거나 엉망이 아니라면 더 비싼 것도 고민이다.

오해가 없도록 부언. 이상은 흔해 빠진 가격 몇 천 원짜리 저가형 SMPS 어댑터들이 소모전류 일정한 소스기기가 아닌 등락 많은 앰프에 사용되었을 경우에 대한 이야기이다.

그리고 한편에서는 “내가 잘 만들면 되지?” 변환 효율성 등 SMPS 강점을 적극 활용하려는 사례들도 있다. 참고삼아 정리해보면…

(80년대 소니 PPS. 전원부 체적이 작아지면 나머지 설계가 편하다. 물류비도 절감되고… 관련 글 : 무모했던 도전? Sony Pulse Power Supply)

(최근의 Primare I25 Prisma(100W급 D-클래스앰프 사용). 기술발전으로 모든 게 작아지고 보여줄 것 없어서 차별화가 어려운 세상이니 아무래도 남들과 다른 길을 가야 살아남는다. 프라이메어가 정책적으로 D-클래스 앰프에 목을 메는 이유가 아닐까? 그런데 절반이 SMPS 전원부라면… 개발자원의 배분을 생각할 때 다소 억지스럽다)

 

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