오늘날 시장에서 블루투스 스피커는 흔하게 볼 수 있다. 다수의 업체들이 아주 기본적인 시스템의 저렴한 스피커부터 고사양의 고가 스피커까지 다양한 성능의 제품을 출시하고 있어 블루투스 시장경쟁이 치열하다. 이러한 이유로 합리적인 가격대 성능비의 제품을 개발하기 위해 솔루션 크기, 부품 수, 비용, 효율, 배터리 크기 등 여러 설계 제약 사항에 대해 고려해야 한다. 그림 1에서 블루투스 스피커 내부의 기본적인 구성 요소들을 확인할 수 있다.

▲ 그림 1. 블루투스 스피커 블록 다이어그램

휴대용 애플리케이션으로 배터리는 필수다. 따라서  제약적인 비용과 크기로 합리적인 가격에 크기가 작고 가벼워야 하고, 최소한의 배터리 셀을 사용하여 최대의 사용 시간을 제공해야 한다.

전원관리 블록은 블루투스 회로의 나머지 부분에 필요한 전력을 제공한다. 배터리의 제약적인 비용과 크기 때문에 1개 혹은 2개 배터리 셀로부터 제공되는 전압은 매우 낮을 것이다. 그러므로 시스템 나머지 부분의 사용 가능한 전압을 높이기 위해서 부스트 컨버터가 필요하다. 또한 전원 관리 블록은 휴대용으로 사용한 후에 배터리를 재충전하기 위해서 충전 회로를 포함해야 한다.

블루투스 시스템 블록은 스마트폰, 태블릿, 여타 블루투스 가능 기기로부터 스피커로 무선 통신을 제공해야 한다. 오늘날의 블루투스 모듈은 휴대용 오디오 시스템을 위한 완벽한 솔루션을 제공하여 기본적으로 유/무선 오디오를 지원한다. 

오디오 블록은 시스템의 스피커를 구동하기 위한 모든 전자 장치를 포함한다. 블루투스 모듈로부터 들어오는 신호는 저전압, 저전류일 수 있으므로, 오디오 증폭기를 사용해서 스피커 시스템의 드라이버를 구동하기 위해 필요한 더 높은 전압 및 전류를 제공할 수 있다. 이 블록은 오디오 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 포함할 수 있어 블루투스 모듈의 디지털 오디오 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 또한 디지털 도메인에 추가된 오디오 프로세싱의 고사양 시스템으로 더욱 풍부한 사용자 경험 제공이 가능하다.

오디오 증폭기: 클래스 AB 대 클래스 D 

블루투스 스피커 시스템을 위해 선택할 수 있는 오디오 증폭기로는 클래스 AB와 클래스 D 증폭기가 있다.

클래스 AB 오디오 증폭기는 선형 증폭기로 전자파 간섭(EMI)을 발생시키지 않으며 외부 전자 부품을 많이 필요로 하지 않지만 매우 비효율적이므로 히트 싱크나 팬 형태로 상당히 수동적이거나 능동적인 열 관리가 요구된다. 반면, 클래스 D 오디오 증폭기는 열관리가 거의 필요 없는 고효율적인 스위칭 증폭기이지만 출력 인덕터를 필요로 하며, 이 인덕터는 EMI 문제로부터 자유롭지 못하다는 단점을 가지고 있다.

사용 시간, 배터리 및 효율을 둘러싼 절충 문제 

휴대용 시스템은 설계 시에 매우 도전적인 문제를 제기한다. 각기 다른 배터리 소재의 하나 이상의 개별 셀을 구성하는데 필요한 (비쌀 가능성 있는) 배터리를 채택하면서 비용을 절감하는 방법을 제시해야 한다.

앞서 언급했듯이 클래스 AB 오디오 증폭기는 EMI를 유발하지 않고 많은 외부 전자 부품을 필요로 하지 않으므로 블루투스 스피커와 같이 가격에 민감한 시스템에 사용하기 적합하다.

하지만 클래스 AB 오디오 증폭기는 효율이 매우 낮으므로 블루투스 스피커에 사용했을 때 배터리 백업으로부터의 전하가 대부분 열로 낭비된다. 이처럼 낮은 효율은 높은 비용을 유발시키므로 클래스 AB 증폭기를 사용하는 시스템은 요구량을 충족하기 위해서 추가적인 배터리 셀들이 요구된다.

클래스 D 증폭기는 고효율로 휴대용 오디오 시스템에 사용이 적합하다. 효율이 높기 때문에 아주 적은 수의 셀로 이루어진 배터리를 사용해서(적합한 소재를 선택한다면 단일 배터리 셀도 가능) 블루투스 스피커 시스템을 구동할 수 있어 전체적인 시스템 비용, 무게, 크기를 크게 줄일 수 있다.

재생 및 유휴전력 손실: 모두가 다 같지는 않은 클래스 D 오디오 증폭기 

오디오 시스템은 출력과 피크 전력 정격으로 선정하는데, 이러한 사양들은 오디오 시스템의 일반적인 사용방식을 정확하게 반영하지는 못한다. 대부분의 사용자들은 홈 오디오 시스템으로 그렇게 높은 출력으로 음악을 듣지 않으며 블루투스 스피커 같은 휴대 애플리케이션으로는 더욱 그러하다. 블루투스 스피커의 경우에 소비자들이 가장 크게 신경 쓰는 부분은 사용 시간이다.

블루투스 스피커 시스템을 위해서 클래스 D 증폭기를 높은 효율로 만든 케이스인건 맞지만, 사용 시간을 극대화하기 위해서만 고려된 효율은 아니다. 그 외에도 시스템을 작동하고 셧 다운했을 때 모든 시스템 블록의 전력 소모와 오디오 증폭기 자체의 유휴전력 손실이 분명하게 드러나지 않는 요인들까지도 고려해야 한다.

전형적인 음악 파형은 진폭변동이 있으며, 그림 2와 같이 '시끄러운' 음악(높은 진폭)과 '조용한' 음악(낮은 진폭) 부분을 볼 수 있다. 이 파형을 보면 오디오 시스템이 통상적인 음악을 재생할 때 대부분의 시간을 '조용한' 음악 대역에 머문다는 것을 알 수 있다. 따라서 오디오 증폭기는 대부분의 시간에 저전력 음향을 출력한다.

▲ 그림 2. 전형적인 음악 파형

널리 인기를 끈 TI의 이전 세대 클래스 D 증폭기 솔루션 TPA3110D2나 시장에 출시되어 있는 대부분의 클래스 D 증폭기는 낮은 출력 전력에 대해 효율이 최적화되어 있지 않다. 그림 3에서 보듯이 이전 세대 클래스 D 증폭기는 출력 전력이 낮거나 심지어 0이라 하더라도 공급 전류는 그대로 일정하다. 이러한 정전류는 배터리 전하를 낭비하므로 사용 시간을 단축해 배터리 셀 수를 늘리고 이는 다시 시스템 비용을 높인다.

 
▲ 그림 3. 이전 세대 클래스 D 증폭기

TI의 차세대 클래스 D 증폭기인 TPA3128D2는 혁신적인 하이브리드 변조 모드를 사용해서 유휴 전력 손실을 최소화하고 전력 절감을 극대화한다. 그림 4에서는 출력 전력이 낮아지면 증폭기로의 공급 전류가 극적으로 감소됨을 보여준다. 이러한 전력 절감으로 사용시간은 길어지고 배터리 셀 수는 줄여 시스템 비용을 낮춰준다.

 
▲ 그림 4. TPA3128D2의 성능

TPA3110D2에서 TPA3128D2로 이전함으로써 이러한 이점을 최대한 활용하고 비용 절감이 가능하다. 이 두 솔루션은 핀 호환이 가능하므로 개발자는 편리하게 재설계 할 수 있다.