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오디오 전력 증폭기 계산기

클래스 A, AB, D 앰프의 오디오 앰프 출력 전력, 효율, THD 클래스 추정치, SNR 및 입력 감도를 계산합니다.

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공식

P_{out} = \frac{V_{out,peak}^2}{2 R_L},\quad V_{out,peak} = \frac{V_{cc} \times 0.9}{2}

참고: Cordell, "Designing Audio Power Amplifiers" 2nd ed.

Vcc— 공급 전압 (V)

RL— 스피커 임피던스 (Ω)

Vout_peak— 피크 출력 전압 스윙 (V)

η— 앰프 효율성 (%)

작동 방식

이 계산기는 공급 전압, 부하 임피던스 및 증폭기 클래스를 기반으로 오디오 전력 증폭기의 최대 출력 전력, 전압 변동 및 효율을 계산합니다.오디오 엔지니어, 전자 제품 설계자 및 DIY 제작자는 이를 사용하여 스피커 부하에 맞는 증폭기의 크기를 조정하고 열 손실을 추정합니다.최대 출력 전력은 P_max = (V_peak) ^2/ (2*Z_L) 를 따르며, 여기서 V_peak은 클래스 AB에 대한 약 0.9*V_공급입니다 (출력 스테이지 포화 전압 고려).AES 측정에 따르면 클래스 A는 25% 효율 (열 75%) 을 달성하고, 클래스 AB는 50-65%, 클래스 D는 85~ 95% 의 효율을 달성합니다.12V 단일 전원 공급 클래스 AB 증폭기는 50% 효율 (1.8W를 열로 분산시킴) 으로 1.8W에서 8옴까지 전달합니다.IEC 60268-3 표준은 1% THD 임계값에서 1kHz 사인파를 사용하여 전력을 측정하도록 규정하고 있습니다.열 설계에는 IEEE 1789-2015에 따른 증폭기 클래스를 이해하는 것이 중요합니다. 효율이 50% 인 100W 클래스 AB 증폭기는 상당한 히트싱크를 필요로 하는 열로 100W를 분산시킵니다.

계산 예제

문제: IEC 표준에 따른 최대 클린 출력으로 4옴 스피커를 구동하는 자동차 12V 시스템용 클래스 AB 증폭기를 설계하십시오.

해결 방법: 1.공급 전압: Vcc = 12V (가상 접지가 있는 단일 전원 공급 장치) 2.유효 스윙: V_피크 = 0.9* (12/2) = 5.4V (하프 서플라이 레퍼런스) 3.최대 RMS 전압: V_RMS = 5.4/제곱 (2) = 3.82V 4.최대 전력: P = (5.4) ^2/ (2*4) = 29.16/8 = 채널당 3.65와트 5.브리지 타이 로드 (BTL) 의 경우: V_피크는 10.8V로 두 배로 증가합니다. 6.BTL 전력: P = (10.8) ^2/ (2*4) = 채널당 14.6W

14.6W 출력 (클래스 AB) 에서의 효율 계산:

출력 전력: 14.6W
이론적 클래스 AB 효율: 최대 출력에서 eta = (pi/4) * (V_OUT/V_Supply) = 78.5%
손실을 동반한 실제 효율: ~ 65% (일반)
전력 손실: 14.6/0.65 - 14.6 = 8.0W
히트싱크 요구 사항: 주변 온도 40°C에서 8W, 접합 온도 85°C -> RTH_JA < 5.6 C/W

더 높은 전력을 원하시면 +-25V 전원 공급 장치와 함께 TDA7293/TDA7294를 사용하십시오. P = (22.5) ^2/ (2*8) = 31.6W ~ 8옴

실용적인 팁

✓클래스 AB의 경우 열 설계가 중요합니다. 50% 효율에서는 입력 전력의 절반이 열이 됩니다.100W 증폭기는 최대 100W까지 소산되므로 Rth < 0.5C/W의 히트싱크 (대형 핀형 방열판 또는 강제 통풍) 가 필요합니다.90% 효율의 클래스 D는 동일한 출력에서 11W만 손실되며, 일반적인 레퍼런스 설계에 따르면 방열판이 없는 경우가 많습니다.
✓이 가이드라인에 따라 앰프 파워를 스피커 감도 및 공간 크기에 맞추십시오. 30m2 공간에 3m 거리의 90dB/W/m 스피커의 경우 50W는 100dB 피크를 제공합니다 (대부분의 음악에 적합).85dB/W/m 스피커의 경우 동일한 시나리오에 160W가 필요합니다. 스피커 감도 계산기를 사용하여 요구 사항을 결정하십시오.
✓클래스 D 앰프 (TPA3116, TPA3255, IcePower) 는 90-95% 의 효율을 달성하지만 커패시티브 스피커 케이블로 링할 수 있는 LC 출력 필터가 필요합니다.TI 애플리케이션 노트에 따라 스피커 케이블을 3m 미만으로 유지하거나 Zobel 네트워크 (접지에 10ohm+100nF 시리즈) 를 추가하십시오.
✓배터리로 구동되는 애플리케이션의 경우 클래스 D는 필수입니다. 50% 효율에서 10W를 공급하는 클래스 AB 증폭기는 배터리에서 20W를 소모하고, 90% 효율에서 클래스 D는 11.1W만 소모하므로 배터리 수명이 거의 2배에 달합니다.최신 클래스 D THD+N은 0.01~ 0.05% 에 달하며 오디오 정밀 측정당 AB 등급과 경쟁할 만합니다.

흔한 실수

✗실제 값 (50~ 65%) 대신 이론적인 AB 등급 효율 (78.5%) 을 사용하면 출력단 대기 전류, 드라이버 단계 손실 및 전원 공급 장치 저항이 효율이 15-25% 포인트 감소합니다.AES 지침에 따라 최악의 경우 50% 의 열 계산 효율을 책정하십시오.
✗피크 파워와 연속 (RMS) 파워의 혼동 - 마케팅 사양에서는 연속 등급보다 4~8배 높은 피크 또는 PMPO 등급을 인용하는 경우가 많습니다.IEC 60268-3에서는 1kHz 사인파에서 RMS 전력을 1% THD로 지정합니다.'200W PMPO' 증폭기는 일반적으로 25-50W RMS 연속만 제공합니다.
✗스피커 임피던스 변동을 무시하면 공칭 8옴 스피커가 특정 주파수에서 3-4옴으로 떨어질 수 있으며, 이로 인해 2~3배의 전류가 필요할 수 있습니다.이로 인해 최소 8ohm으로 설계된 앰프의 전류 제한이 발생하여 해당 주파수에서 클리핑과 왜곡이 발생합니다.스피커 데이터시트에서 최소 임피던스를 확인하십시오.
✗연산 증폭기/드라이버 스테이지의 전압 헤드룸은 잊어버리세요. 레일 투 레일 출력 IC는 레일당 0.5-1.0V, 기존 연산 증폭기는 레일당 2-3V의 손실이 발생합니다.24V 전원 공급 장치가 장착된 '레일 투 레일' TPA3116 제품은 실제로 최대 22~23V까지 회전하므로 계산된 전력이 10~ 15% 까지 감소합니다.

자주 묻는 질문

어떤 앰프 클래스가 최고의 음질을 제공합니까?

블라인드 리스닝 테스트 (Harman, AES 규칙) 에 따르면 현대의 클래스 D 앰프는 둘 다 선형 범위 내에서 작동하는 경우 클래스 AB와 구별할 수 없습니다.클래스 A는 0.001% 미만의 THD에서 가장 낮은 크로스오버 왜곡 (제로 크로싱 아티팩트 없음) 을 제공하지만 20-50W 이상에서는 25% 효율이 비실용적입니다. THD 0.01-0.1% 에서는 클래스 AB가 기존 선택입니다.< 0.001% and SNR >최신 클래스 D (퓨리파이, 하이펙스, 파스칼) 는 대부분의 클래스 AB 설계를 능가하는 120dB를 달성합니다.

앰프 클래스는 전력 출력에 어떤 영향을 미칩니까?

등급은 최대 전력 (공급 전압 및 부하에 따라 다름) 에 직접적인 영향을 미치지는 않지만 효율성은 지속 가능한 전력을 결정합니다.50% 효율에서 50W 출력을 갖는 클래스 AB 증폭기는 50W를 열로 발산합니다. 즉, 90% 효율에서 클래스 D와 동일한 공급/부하에서는 5.5W의 열만 소산됩니다.따라서 클래스 D 증폭기는 열 제한 없이 정격 전력을 지속적으로 제공할 수 있으며, 클래스 AB는 AES2-1984 전력 압축 테스트에 따라 지속적으로 최대 전력 작동 시 열 성능이 30-50% 감소할 수 있습니다.