IEC 62368-1에 따른 오디오 증폭기 장비의 시험 요구사항

1000Hz를 기준 신호로 사용

ITU-R 468-4(음향 방송의 오디오 노이즈 레벨 측정)에 따르면 1000Hz에서의 주파수 응답은 0dB이므로(아래 이미지 참조), 오디오 앰프의 주파수 응답 성능을 평가하기 위한 기준 레벨 신호로 적합합니다.

피크 응답 주파수 신호

제조사에서 오디오 앰프가 1000Hz에서 작동하도록 설계되지 않았다고 명시한 경우, 오디오 신호 소스 주파수를 피크 응답 주파수로 변경해야 합니다. 피크 응답 주파수란 오디오 앰프의 작동 범위 내에서 정격 부하 임피던스(이하 스피커) 양단에 최대 출력 전력이 측정되는 신호 소스 주파수입니다. 실제로 테스터는 신호 소스 진폭을 고정하고 주파수를 스윕하여 스피커 양단에 최대 실효 전압이 나타나는 신호 소스 주파수를 확인합니다. 이 주파수가 바로 피크 응답 주파수입니다.

출력 전력 유형 및 조정 — 최대 출력 전력

최대 출력 전력은 스피커에 전달될 수 있는 최대 전력으로, 최대 실효 전압에 해당합니다. 일반적인 오디오 앰프는 클래스 AB 증폭기 원리에 기반한 OTL 또는 OCL 회로를 사용하는 경우가 많습니다. 1000Hz의 정현파 오디오 신호가 오디오 앰프에 입력되어 증폭 영역을 지나 포화 영역에 진입하면 신호 진폭이 더 이상 증가할 수 없게 되고, 최대 전압이 제한되어 파형의 최고점에서 플랫탑 왜곡이 발생합니다.

오실로스코프를 사용하여 스피커 출력 파형을 모니터링하면, 신호 진폭이 RMS 값 기준으로 더 이상 증가할 수 없을 때 피크 왜곡이 발생하는 것을 확인할 수 있습니다(그림 2 참조). 이 시점이 최대 출력 상태에 도달한 것으로 간주됩니다. 피크 왜곡이 발생할 때 출력 파형의 크레스트 팩터는 정현파 크레스트 팩터인 1.414보다 낮아집니다(그림 2 참조, 크레스트 팩터 = 피크 전압 / RMS 전압 = 8.00 / 5.82 ≈ 1.375 < 1.414).

출력 전력 유형 및 조정 — 비클리핑 출력 전력

클리핑 없는 출력 전력은 스피커가 최대 출력 전력으로 작동하고 피크 왜곡이 발생하는 상태(동작점이 증폭 영역 쪽으로 치우친 상태)에서 게인을 포화 영역과 증폭 영역의 경계까지 줄임으로써(신호를 약화시킴으로써) 얻어지는 출력 전력입니다. 오디오 출력 파형은 피크 왜곡이나 클리핑 없이 완전한 1000Hz 사인파를 나타내며, 실효 전압 또한 최대 출력 전력에서의 값보다 낮습니다(그림 3 참조).

증폭 영역과 포화 영역의 경계에서 정확히 작동하는 오디오 증폭기는 불안정하여 신호 진폭 지터(피크값이 일정하지 않을 수 있음)를 발생시킬 수 있으므로, 피크 대 피크 전압의 50%를 피크 전압으로 사용하여 크레스트 팩터를 계산할 수 있습니다. 그림 3에서 피크 전압은 0.5 × 13.10V = 6.550V이고, 실효값 전압은 4.632V이므로, 크레스트 팩터 = 피크 전압 / 실효값 전압 = 6.550 / 4.632 ≈ 1.414입니다.

출력 전력 유형 및 조정 — 전력 조정 방법

오디오 증폭기는 작은 신호 입력을 받아 증폭한 후 스피커로 출력합니다. 게인은 일반적으로 볼륨 조절을 통해 미세하게 조정됩니다(예: TV 볼륨 조절 단계는 30~100단계까지 가능). 신호 소스의 진폭을 조정하여 게인을 변경하는 방식은 훨씬 정밀한 제어가 불가능합니다. 높은 게인으로 증폭된 후에는 소스 진폭이 조금만 감소해도 스피커 출력 전력이 크게 떨어지기 때문입니다(그림 4 참조).

그림 3에서 볼륨을 조절하면 스피커 출력이 최대에서 클리핑이 발생하지 않는 출력으로 줄어들며, 이때 실효 전압은 4.632V입니다. 그림 4에서는 신호 소스의 진폭을 조절하면 출력이 클리핑이 발생하지 않는 수준으로 줄어들 때 실효 전압은 4.066V에 불과합니다. 전력 공식에 따르면 다음과 같습니다.

출력 전력 = (실효 전압)² / 스피커 임피던스

그림 3의 클리핑 없는 출력 전력은 그림 4보다 약 30% 더 높으므로 그림 4는 클리핑 없는 출력 전력 상태를 제대로 나타내지 못합니다.

따라서 최대 출력에서 ​​클리핑이 발생하지 않는 출력으로 줄이는 올바른 방법은 신호 소스의 진폭을 변경하는 것이 아니라 신호 소스의 진폭을 고정하고 오디오 앰프의 게인(즉, 볼륨)을 조정하는 것입니다.

출력 전력 유형 및 조정 — 1/8 비클리핑 출력 전력

오디오 앰프의 정상 작동 조건은 스피커의 최적 실제 작동 상태를 모방하도록 설계되었습니다. 실제 음향 특성은 매우 다양하지만, 대부분의 소리는 크레스트 팩터가 4 이내입니다(그림 5 참조).

그림 5의 음파 파형을 예로 들면, 크레스트 팩터 = 피크 전압 / RMS 전압 = 3.490 / 0.8718 ≈ 4입니다. 왜곡 없이 목표음을 출력하려면 오디오 증폭기는 최대 피크가 잘리지 않도록 해야 합니다. 왜곡이 없고 3.490V의 피크가 제한되지 않도록 1000Hz 사인파를 기준으로 사용하면 신호의 RMS 전압은 3.490V / 1.414 = 2.468V가 됩니다. 그러나 목표음의 RMS 전압은 0.8718V에 불과하므로 1000Hz 사인파 기준에 대한 RMS 전압 감소율은 0.8718 / 2.468 = 0.3532입니다. 전력 공식에 따르면, RMS 전압 감소율 0.3532는 전력 감소율 0.3532² ≈ 0.125 = 1/8에 해당합니다.

따라서, 스피커 출력 전력을 1000Hz 사인파 신호에 대응하는 1/8 비클리핑 출력 전력으로 조정하면 크레스트 팩터 4의 목표음을 왜곡 없이 출력할 수 있습니다. 즉, 1000Hz 사인파에 대한 1/8 비클리핑 출력 전력은 오디오 앰프가 손상 없이 크레스트 팩터 4의 목표음을 출력할 수 있는 최적의 작동 상태입니다.

스피커에 1/8의 비클리핑 출력 전력을 전달하는 것을 기준으로 오디오 앰프의 작동 조건을 설정하십시오. 비클리핑 상태에서 RMS 전압이 약 35.32% 값으로 떨어지도록 볼륨을 조정하십시오. 이것이 1/8 비클리핑 출력 전력입니다. 핑크 노이즈는 실제 소리와 더 유사하므로 1000Hz 사인파로 비클리핑 출력 전력을 얻은 후 신호 소스를 핑크 노이즈로 변경하십시오. 핑크 노이즈를 사용할 때는 노이즈 대역폭을 제한하기 위해 대역 통과 필터(아래 그림 참조)를 추가하십시오.

정상 및 비정상 작동 조건 — 정상 작동 조건

다양한 종류의 오디오 앰프 장비에 대한 정상 작동 조건을 설정할 때는 다음 사항들을 모두 고려해야 합니다.

• 오디오 앰프 출력은 정격 부하 임피던스 중 가장 불리한 값에 연결되거나, 스피커(제공된 경우)에 연결됩니다.
• 모든 오디오 앰프 채널이 동시에 작동합니다.
• 오르간이나 톤 제너레이터 장치가 있는 유사 악기의 경우 1000Hz 사인파를 사용하지 마십시오. 대신 베이스 페달 두 개(있는 경우)와 건반 키 열 개를 임의로 조합하여 누르십시오. 출력 전력을 증가시키는 모든 스톱과 키를 작동시키고 악기의 출력 전력을 최대치의 1/8로 조정하십시오.
• 오디오 증폭기의 의도된 기능이 두 채널 간의 위상차에 따라 달라지는 경우, 두 채널의 신호 사이에 90°의 위상차를 적용하십시오.
• 일부 채널이 독립적으로 작동할 수 없는 멀티채널 오디오 앰프의 경우, 정격 부하 임피던스를 연결하고 출력 전력을 앰프에 맞게 설계된 1/8 비클리핑 출력 전력으로 조정하십시오.
• 연속 작동이 불가능한 경우, 오디오 앰프를 연속 작동에 허용되는 최대 출력 레벨로 작동시키십시오.

정상 및 비정상 작동 조건 — 비정상 작동 조건

오디오 앰프의 비정상 작동 조건은 정상 조건을 기반으로 하지만, 스피커가 0에서 최대 출력 사이의 가장 불리한 지점에서 작동하도록 볼륨을 조정하거나 스피커에 단락 조건을 설정하는 등 가능한 가장 불리한 상황을 시뮬레이션합니다.

정상 및 비정상 작동 조건 — 온도 상승 테스트 배치

오디오 앰프의 온도 상승 테스트 중에는 제조업체에서 명시한 위치에 장비를 배치하십시오. 특별한 명시가 없는 경우, 장비를 앞면이 열린 나무 테스트 상자에 넣고 상자 앞쪽 가장자리에서 5cm, 측면 또는 상단에 1cm의 여유 공간을 두고, 상자 뒷면에서 장비 뒷면까지 5cm의 간격을 두십시오. 이는 일반적인 가정용 TV 장식장과 유사한 배치입니다.

정상 및 비정상 작동 조건 — 노이즈 필터링 및 기본파 복구

일부 디지털 증폭기 회로는 오디오 신호와 함께 노이즈를 스피커로 전달하여 오실로스코프에서 스피커 출력 파형을 모니터링할 때 잡음이 심하게 나타나는 문제를 일으킵니다. 아래 그림과 같은 간단한 신호 필터링 회로를 사용하는 것이 좋습니다(연결 방법: A와 C 지점은 스피커 출력 단자에, B 지점은 오디오 증폭기 기준 접지/리턴 접지에, D와 E 지점은 오실로스코프 프로브에 연결). 이 회로를 사용하면 대부분의 잡음을 제거하고 1000Hz 정현파 기본 파형을 상당 부분 복원할 수 있습니다(참고: 그림의 1000F는 오타이며 1000pF로 수정해야 합니다).

피크 왜곡 문제를 해결하여 최대 출력에서도 눈에 띄는 왜곡이나 클리핑이 발생하지 않는 고성능 오디오 앰프의 경우, 클리핑이 발생하지 않는 출력은 최대 출력과 같습니다. 클리핑이 육안으로 확인되지 않는 경우에는 최대 출력1을 클리핑이 발생하지 않는 출력으로 간주하십시오.

[이미지 위치: 간단한 신호 필터링 회로]

오디오 신호 전기 에너지원 분류 및 안전 보호

오디오 앰프는 고전압 오디오 신호를 증폭하여 출력하므로, 오디오 신호는 전기 에너지원으로 분류되어야 하며 안전 보호 장치가 마련되어 있어야 합니다. 분류 과정에서 톤 컨트롤을 밸런스 위치로 설정하여 오디오 앰프가 스피커에 클리핑 없이 최대 출력 전력을 전달하는 상태로 작동하도록 한 후, 스피커를 제거하고 개방 회로 전압을 측정하십시오. 오디오 신호의 전기 에너지원 분류 및 안전 보호에 대한 자세한 내용은 아래 표를 참조하십시오.

FAQ – IEC 62368-1 오디오 증폭기 테스트 요구사항 – 일반적인 질문과 답변

Q1: 왜 반드시 1000Hz를 기준 신호로 사용해야 합니까? 만약 증폭기의 1000Hz 응답이 좋지 않다면 어떻게 해야 합니까? A: ITU-R 468-4에 따르면 1000Hz에서의 주파수 응답은 0dB로 정의되어 있으며, 이는 오디오 노이즈 측정 및 앰프 주파수 응답 성능의 일관된 비교를 위한 표준 기준점입니다. 만약 제조사에서 앰프가 "1000Hz에서 작동하도록 설계되지 않았다"고 명시한 경우(예: 일부 전문 악기 앰프 또는 특정 주파수 대역에 최적화된 설계), 최대 응답 주파수 대신 다음과 같은 방법을 사용할 수 있습니다. 신호 소스의 진폭을 고정하고 주파수를 스윕하여 정격 부하(스피커) 양단에 최대 실효 전압이 나타나는 주파수를 선택합니다. 이 주파수가 대체 기준 신호가 됩니다.

Q2: 최대 출력 전력과 클리핑이 발생하지 않는 출력 전력을 정확히 어떻게 구분합니까? A:

• 최대 출력 전력1000Hz 사인파를 입력하면 증폭기가 포화 영역에 진입하고 출력 파형은 평탄한 클리핑을 보이며 크레스트 팩터가 1.414 미만(일반적으로 1.37~1.38)으로 떨어집니다. 오실로스코프로 스피커 단자를 모니터링하여 클리핑이 발생하는지 확인하십시오.
• 클리핑 없는 출력 전력최대 출력 상태에서부터, 물러나 다 증폭기가 증폭 영역과 포화 영역의 경계에서 작동할 때까지 이득을 감소시킵니다. 파형은 눈에 띄는 클리핑 없이 깨끗한 정현파가 되고, 크레스트 팩터는 약 1.414로 돌아갑니다. (정확한 경계에서 약간의 진폭 변동이 발생하는 경우, 피크 대 피크 전압의 50%를 크레스트 팩터 계산의 피크 값으로 사용합니다.) 이 시점의 실효 전압은 최대 출력 전력일 때보다 낮습니다. 이는 동일한 테스트 절차에서 순차적으로 발생하는 두 가지 상태입니다. 클리핑이 없는 출력 전력은 안전 테스트에서 "정상 작동 조건"을 나타내는 가장 일반적인 기준입니다.

Q3: 최대 출력에서 ​​클리핑이 발생하지 않는 출력으로 줄일 때 신호 소스 진폭 대신 볼륨(게인)을 조정하는 이유는 무엇입니까? A: 신호 소스 진폭을 조정하면 대략적인 제어가 가능합니다. 증폭기의 이득이 높기 때문에 소스 진폭이 조금만 변해도 출력 전력이 크게 증가합니다(예: 원래 그림 4에서 소스 진폭을 줄여 출력을 낮추면 4.066V RMS에 도달하는 반면, 볼륨을 조정하면 4.632V RMS에 도달하여 약 30%의 전력 차이가 발생합니다). 올바른 방법: 신호 소스의 진폭을 고정하고 클리핑이 완전히 사라질 때까지 장비 자체의 볼륨 컨트롤/게인을 조정하십시오. 이는 실제 사용 환경을 더 잘 반영하며 부록 E.1의 취지에 부합합니다.

Q4: 1/8 비클리핑 출력 전력은 어디에서 나온 것입니까? 왜 다른 비율이 아닌 1/8입니까? A: 실제 음악 및 음성 신호는 일반적으로 크레스트 팩터가 ≤4입니다(원래 그림 5의 예는 약 4를 보여줍니다). 크레스트 팩터가 4인 신호를 왜곡 없이 재생하려면 증폭기는 피크를 클리핑 없이 처리해야 합니다. 1000Hz 사인파(크레스트 팩터 = 1.414)를 기준으로 할 때, 목표 신호의 피크가 3.490V라면 피크 클리핑을 방지하기 위해 필요한 사인파 RMS는 3.490 / 1.414 ≈ 2.468V입니다. 그러나 실제 목표 신호 RMS는 0.8718V에 불과합니다. 전압비는 약 0.3532이고, 이에 해당하는 전력비는 0.3532² ≈ 0.125입니다. 1/8따라서 앰프를 다음과 같이 설정하면 출력이 달라집니다. 1/8 비클리핑 출력 전력 (1000Hz 사인파를 기준으로 함) 이는 크레스트 팩터가 약 4인 일반적인 실제 신호를 왜곡 없이 재생하기 위한 최적의 작동 지점에 해당합니다. 실제 적용 방법: 먼저 사인파(최대 비클리핑 RMS의 약 35.32%)를 사용하여 1/8 비클리핑으로 조정한 다음, 핑크 노이즈와 대역 통과 필터로 전환합니다.

Q5: 핑크 노이즈를 사용할 때 대역 통과 필터가 필요한 이유는 무엇입니까? A: 핑크 노이즈는 매우 넓은 주파수 대역(20Hz~20kHz)을 가지고 있습니다. 이를 직접 입력하면 특정 주파수에서 증폭기에 과부하가 걸리거나 과도한 고주파 노이즈가 발생하여 오실로스코프 파형이 혼란스럽게 보이고 클리핑 여부를 판단하기 어려워집니다. 대역 통과 필터(일반적으로 원래 회로도에 표시된 것처럼 유효 오디오 대역으로 제한)를 추가하면 대역 외 노이즈가 제거되어 파형이 깨끗해지고 실제 오디오에 더 가까워져 정확한 RMS 측정 및 클리핑 평가가 가능해집니다.

Q6: 멀티채널 앰프 또는 독립적으로 작동할 수 없는 채널의 정상 작동 조건은 어떻게 설정해야 합니까? A:

• 정격 부하 임피던스가 가장 불리한 채널을 모든 채널에 연결하십시오.
• 모든 채널을 동시에 작동시키십시오.
• 다른 채널에 의존하는 채널(예: 전력 IC 내부 연결)의 경우에도 정격 부하를 연결하고 설계된 1/8 비클리핑 출력 전력으로 설정하십시오.
• 최대 출력으로 연속 작동이 불가능한 장비(예: 과열 보호 기능이 있는 일부 전문가용 앰프)의 경우, 제조업체에서 명시한 최대 연속 작동 전력을 정상 작동 조건으로 사용하십시오.

Q7: 비정상적인 운전 조건에서 시뮬레이션되는 주요 최악의 시나리오는 무엇입니까? A: 비정상적 조건은 정상적 조건을 기반으로 하지만, 다음과 같은 가장 심각하고 발생 가능한 단일 결함을 추가합니다.

• 볼륨을 0에서 최대값 사이의 임의의 지점(특히 온도가 가장 크게 상승하는 위치)으로 설정합니다.
• 스피커 단락 사고 발생;
• 스피커 회로가 개방되었습니다.
• 비정상적인 신호 발생원(예: DC 오프셋);
• 과열, 과부하 또는 제어되지 않는 에너지 방출로 이어질 수 있는 기타 결함. 이러한 결함은 온도, 절연 및 보호가 여전히 안전 요구 사항을 충족하는지 확인하는 데 사용됩니다(부록 E.2, B.3, B.4 참조).

Q8: 어떻게 해야 하나요? 장비 온도 상승 테스트 중에 어떤 위치에 배치해야 할까요? A: 제조업체에서 명시한 설치 위치에 장비를 배치하십시오. 특정 설치 지침이 없는 경우, 다음 지침을 따르십시오. 일반 가정용 TV 장식장 시뮬레이션:

• 앞면이 열리는 나무 시험 상자;
• 장비의 앞쪽 가장자리는 상자의 앞쪽 가장자리에서 5cm 떨어져 있어야 합니다.
• 측면과 상단에 1cm의 여유 공간이 있습니다.
• 장비 후면과 박스 후면 벽 사이에 5cm의 간격을 두십시오. 이는 일반적인 가정 설치 환경을 모방한 것입니다.

Q9: 디지털 증폭기는 스위칭 노이즈가 많은 지저분한 파형을 출력합니다. 오실로스코프에서 클리핑을 명확하게 확인하는 방법은 무엇입니까? A: 원문에서 권장하는 간단한 필터링 회로를 사용하십시오(A 및 C 지점은 스피커 단자에, B 지점은 기준/접지에, D 및 E 지점은 오실로스코프 프로브에 연결하고, 1000pF 커패시터도 포함). 이 회로는 대부분의 고주파 스위칭 노이즈를 제거하여 1000Hz 기본 사인파를 명확하게 복구하여 클리핑 여부를 판단할 수 있도록 합니다. 참고: 원문의 회로도에 "1000F"라고 표시된 것은 오타이며, 1000pF로 수정해야 합니다.

Q10: 앰프가 최대 출력에서도 눈에 띄는 클리핑 현상이 나타나지 않는다면 어떻게 해야 할까요? A: 일부 고성능 클래스 D 앰프 또는 기타 잘 설계된 앰프는 최대 정격 출력에서도 눈에 띄는 클리핑/왜곡 현상이 나타나지 않습니다. 이러한 경우, 측정된 최대 출력 전력을 클리핑이 발생하지 않은 출력 전력으로 간주하십시오. — 더 이상의 출력 감소는 필요하지 않으며 — 해당 값을 사용하여 후속 테스트(1/8 출력, 온도 상승 등)를 진행하십시오.

IEC 62368-1 부록 E 핑크 노이즈 발생기