Hot Tech - PA 설비에서 효율 개선을 위한 전원부/오디오부 통합형 앰프 회로 기술
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▲ 정인택 연구소장
디라직(주)
기술개발 배경
PA 앰프란 공공장소에 정보 전달을 목적으로 사용되는 앰프를 말한다.
일반적으로 BGM, 일반 방송, 시보 방송, 비상 방송, 화재 유도 방송의 목적을 가지며 음원을 증폭하고 스피커를 구동하는 역할을 담당한다. 앰프는 PA 시스템 중에서 빼놓을 수 없는 중요한 장비 중 하나이다.
수량적 측면에서 음원부와 제어부, 전원 공급부는 방송 지역이 넓을수록 수량이 증가하지 않지만 앰프, 스피커, 회로 선택부는 지역과 비례해서 계속 증가하는 장비이다. 이 PA 시스템 중 소비 전력의 80% 이상을 소비하는 장비는 앰프이다.
공간적 측면에서 PA 앰프의 설치 장소는 방송실이나 관제 센터 등 통합적으로 관리할 수 있는 곳에 설치된다. 이 중 앰프의 수량에 따라 시스템 사이즈를 결정하게 되어 대출력화. 소형화가 중요한 요소로 작용한다.
성능적 측면에서 음질도 중요하지만 멀리 떨어져 있는 스피커의 배선LOSS를 줄이기 위해 고압 출력인 100V 출력이 가능해야 하고, 정전시에 대비하여 DC24V 비상 배터리로 30분 정도의 동작이 가능해야 한다.
기술적 측면에서 예전 아날로그 앰프는 전원부의 파워 트랜스와 출력 전압의 증폭을 위해 OPT 트랜스를 내장하였고, 전류 증폭 방식의 기술이 적용돼 낮은 효율의 무거운 앰프를 사용하였다.
최근 추세는 전원부의 SMPS 방식과 출력단의 OPT가 없는 D-CLASS 앰프 증폭 기술이 적용된 디지털 앰프를 사용한다. 이 디지털 앰프는 아날로그 앰프에 비해 좀 더 고효율화, 소형화할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 아날로그 PA 앰프의 효율 특성은 30~50% 정도의 효율을 가지며, 디지털 앰프의 효율 특성은 75~81% 정도까지 갖는다.
디지털 앰프를 사용하면서 아날로그 앰프에 비해 상당한 많은 효율 개선을 했지만 전원부의 SMPS와 오디오 증폭단이 캐스케이드 형태로 결합되어 더 이상의 효율을 개선할 수 없는 구조적인 한계가 있다.
PA 앰프 기술개발 트렌드
PA 앰프의 해외 선진사들로는 BOSCH, TOA 등을 들 수 있으며 대부분 D-CLASS 증폭 방식을 채용한 PA 앰프를 생산하고 있다.
이는 디지털 앰프의 최대 장점인 효율이 기존 아날로그 앰프에 비해 월등히 높고, 작은 부피로 높은 출력을 구현할 수가 있기 때문이다. 해외 선진사들은 각사의 넓은 판매 네트워크를 통해 해외 시장을 지속적으로 개척하고 있다.
PA 앰프는 공연을 위한 앰프와 달리 수 ㎾의 대출력이 필요하진 않는다. 건물 내의 공간 특성이 그리 크지 않고 다수의 스피커가 설치되는 특성 때문이다.
그러한 이유로 한 채널의 높은 출력보다는 한 제품에 다 채널과 500W 미만의 앰프들이 사용 효율성이 높다.
다만 여러 채널을 내장할 경우 전원부의 분리, 회로공간의 부족, 가격 상승 등 개선해야 할 사항들이 많이 존재하게 된다.
디지털 앰프의 높은 효율 개선, 소형화 등에 대해 해외 선진사 및 국내 PA 업체들은 기술력을 투자하고 있다.
통합형 앰프 주요 기술(개요)
통합형 앰프란 PA 앰프가 갖는 AC SMPS, DC SMPS, CLASS-D 3가지의 회로 기술을 통합하고 기존 디지털 앰프의 스위칭 구조를 개선하여 효율을 87% 이상으로 개선하고 대출력을 소형화한 기술이다. 당사에서 개발한 통합형 앰프는 아래와 같은 특장점을 갖는다.
[통합형 앰프의 특장점]
① 기존 디지털 앰프의 효율을 5% 이상 개선하여 에너지를 절감
② 동등 사이즈에 출력을 1,000W 이상 증대
③ 공간 효율성을 1/4 이상 향상시킴
④ 가격 경쟁력을 높임
⑤ A/S 편의성 증대
⑥ 멀티채널 구조로 4원화 방송 지원 가능
⑦ 전원부 분리 구조로 전원회로의 신뢰성 증대
또한 효율 개선을 위한 디지털 앰프의 스위칭 구조개선 및 소형화를 위해 AC와 DC SMPS 트랜스 및 정류부를 통합하는 등 주요 핵심 기술을 세계 최초로 독자 기술을 통해 구현함으로써 해외 선진사 등에 비해 한 발짝 앞선 기술을 개발하였다.
통합형 앰프의 주요 핵심 기술
통합형 앰프의 주요 핵심 기술은 FET 스위칭 손실 개선, AC/DC 트랜스 및 정류부 통합, 출력의 왜곡 특성 개선 기술이며 이 기술들이 접목되어 고효율, 소형화, 대출력 앰프를 개발할 수 있었다.
FET 스위칭 손실 개선 기술은 기존의 PWM 스위칭 구간을 분리하여 동작시킴으로써 FET ON 저항과 Shoot Through 손실을 개선하였다.
AC/DC 트랜스 및 정류부 통합 기술은 앰프 전원 회로 구성으로 이용하던 AC 트랜스와 DC 구동용 트랜스를 통합하고 정류부를 단일화함으로써 소형화와 효율을 개선할 수 있었다.
또한 출력 왜곡 개선 기술은 전원부와 오디오부를 통합하면서 발생하던 크로스 오버 왜곡을 개선하고 출력 선형 특성을 안정화시킨 개선 기술이다.
통합형 앰프 기술개발 파급 효과
(1) 에너지 절감 효과
건물 내 방송 설비는 소방법상 의무적으로 들어가는 필요 설비이며, PA 시스템의 소비 전력 중 80% 이상이 앰프에서 소비하는 전력량이다. 현재 디지털 앰프에서 최대 5% 이상의 효율 개선을 통해 에너지 절감 및 비용 절감 효과가 매우 크다.
(2) 융복합 통합 회로 기술개발 증대
오디오 앰프를 비롯한 몇몇 전자 회로 등은 같은 제품 내 분리된 구조를 갖는다. 이는 불필요한 공간 및 회로 구성으로 제품 단가 상승 요인이 되기도 한다. 이를 효과적으로 통합함으로써 가격 경쟁력 확보 및 기술개발에 영향을 미칠 것으로 기대된다.
(3) 수출 증대
현재는 음향 산업의 침체로 인한 앰프의 수출 상태는 아주 미미한 상태이다. 해외의 단가 경쟁 및 브랜드 인지도로 인한 영향으로 볼 수 있다. 본 기술을 바탕으로 가격 경쟁력 확보를 통해 해외 시장 진출을 전망하고 있다.