루나의 여름나기

오래간만에 글을 올립니다.
공제한 지 한참 지난 루나 USB DAC을 손본 내용입니다.
작년부터 손을 댔는데, 오늘에야 마무리를 하여 이제 글을 올리네요.
전에 김태형 님이 올려 주신 글을 많이 참고하여 작업했습니다. 감사드립니다.^^


루나의 여름나기

루나의 발열은 좀 심한 편입니다. 공제한 케이스에 넣어 사용하더라도, 사용 환경과 구성에 따라서 심한 발열 때문에 문제가 생길 수 있는 것 같습니다.

저의 경우 기본 구성품에서 OP앰프를 OPA627를 사용했는데, 발열이 심하여
여름에는 2시간쯤 사용하다가 다운되는 증상 발생했습니다.
겨울에도 실내 온도가 높을 경우 종종 발생했고요.
열이 발생하는 부품도 많고, 많은 부품이 좁은 공간에 밀집되어 있다 보니 그런 것 같습니다.

작동중인 케이스 표면, DC2DC, OP앰프, 레귤레이터 등 모든 부위가 제가 가진 디지털 온도계의 한계인 65도 이상으로 측정되었습니다.

유달리 발열이 심한 부위는 다음과 같습니다.
1. DC 컨버터(낮은 효율 69%)
2. 7805(드랍아웃 전압이 너무 큼 15V-5V=10V)
3. 1117-3.3V 아날로그 전원부용(드랍아웃 전압이 너무 큼 15V-3.3V=11.7V)
4. OP앰프 소모 전류(OP종류에 따라 다름)
5. 리니어 레귤레이터 7812와 7912


저는 루나의 전원부 설계 의도를 살리면서 발열을 줄일 수 있는 방법을 생각해 봤습니다.

루나 전원부의 특징은, USB 버스 파워만으로 구동하고,
절연형 DC 컨버터를 사용하여 아날로그 그라운드와 디지털 그라운드 분리하며,
리니어 레귤레이터로 DC 컨버터로 생성한 양전원의 리플 노이즈 제거하고,
좌우 전원부를 분리해서 공급하는 것입니다.

여기서 5번은 놔 두기로 하고, 1, 2, 3번을 손 보기로 했습니다.

첫 번째는 DC 컨버터 변경입니다.
효율이 82%인 파워플라자의 SPD6-5-1515로 바꾸어 보았습니다.


루나 기본 구성품에는 파워플라자의 PD6-5-1515가 사용되었는데,
효율이 69%로 좀 낮은 편이며 몰딩형 제품이라 발열도 상대적으로 더 심한 듯합니다.

하지만 SPD6-5-1515와 PD6-5-1515의 크기와 핀 배치가 다르기 때문에 선을 잇거나,
만능기판으로 따로 장착을 해야 합니다.(SPD6-5-1515의 입력 쪽 CNT와 -Vin을 이어서 씁니다.)



장착 시 케이스 상판에 딱 맞게 높이 조절을 합니다.
기존에 쓰던 써멀 패드는 너무 두꺼워서 얇은 것으로 바꿨습니다.
오른쪽에 있는 것은 추가로 장착한 DC 컨버터(스위칭 레귤레이터입니다.)

두 번째는 7805와 1117-3.3V(아날로그 전원부용)의 드랍아웃 전압을 낮추는 것입니다.
7805는 10V의 드랍아웃 전압(15V-5V=10V)을 감당하는데, 그래서 발열도 상당합니다.
1117-3.3V(아날로그 전원부용)도 마찬가지입니다. 11.7V의 드랍아웃 전압(15V-3.3V=11.7V) 때문에 발열이 심합니다. 드랍아웃 전압을 낮추려면 공급 전압을 낮춰야겠지요.

저는 7805에 공급하는 전압을 낮추려고 처음에는 7812의 +12V전압을 7085에 공급했는데, 그래도 여전히 발열이 심하더군요. 그래서 DC컨버터를 추가해서 SPD6-5-1515의 +15V전압을 +7V로 낮추었습니다.
저는 갖고 있던 TI사의 DC컨버터를 썼는데, 구하기 쉬운 스위칭 레귤레이터를 쓰면 됩니다.
1117-3.3V 아날로그 전원부용에는 7085의 +5V전압을 공급했습니다.


빨간색은 U29(7805)와 U2(1117-3.3V 아날로그 전원부용)의 표시한 다리를 기판과 닿지 않게 들어올리는 것을 뜻하고, 파란색은 선을 연결하는 것을 뜻합니다.
스위칭 레귤레이터는 루나 PCB 하단에 실장할 공간이 없어서 PCB 위쪽의 SPD6-5-1515 옆에 장착했습니다.


U29(7805)의 3개의 다리 중 왼쪽(입력) 다리를 들어올립니다.
이때 다리는 부드럽게 들어올려야 합니다. 
힘을 세게 주다가는 다리가 떨어지거나 레귤레이터가 손상될 수 있습니다.
(저는 다리가 떨어져 나가서 결국 레귤레이터를 교체했습니다. ㅠ.ㅠ)
더 신경을 쓴다면 들어올린 다리를 PCB 납땜면과 닿지 않게 절연시키는 게 좋을 듯합니다.
그리고 스위칭 레귤레이터의 +7V 전압 선을 7805의 입력 다리와 연결합니다.


U2(1113-3.3V 아날로그 전원부용)의  3개의 다리 중 오른쪽(입력) 다리를 들어올려서 C46의 +와 연결합니다. 5V가 입력되어 드랍아웃 전압이 1.7V로 낮아지며 발열도 줄어듭니다.


작업 완료한 사진입니다.


이밖에 PCM1794A과 PCM2707와 케이스 상판 타공 부위 밑 부분의 PCB에 방열판을 붙였습니다.
PC 메인보드 전원부용으로 나온 걸 활용했습니다.
열전도 접착 테입으로 장착하는데, 조금이나마 열 발산에 도움이 되리라 생각합니다.

나중에 기회가 된다면 아주 두꺼운 열전도 패드를 구해서
레귤레이터와 TPA6120A2과 PCB를 케이스 하판에 방열 처리를 하면 더 좋을 것 같습니다.


이렇게 하니 발열이 제법 줄어 들어서 심한 발열 때문에 다운되는 증상이 없어졌습니다.

사용한 OP앰프는 OPA627BP이고, 오픈 상태에서 32옴 헤드폰 부하를 걸고,
볼륨 50%로 측정을 해 봤는데, 아래와 같이 나왔습니다.

OP앰프(OPA627)  59~61도
PCM1794A  58도
PCM2707  56도
SPD6-5-1515  65도
스위칭 레귤레이터  56도
PCB  58도
7812와 7912  61도
7805  57도
1117-3.3(디지털 전원부용) 59도
1117-3.3(아날로그 전원부용) 57도

케이스에 실장한 상태로는 풀볼륨 상태에서 32옴 헤드폰 부하를 걸고, 측정해 봤습니다.
43~45도로 여전히 케이스를 만지면 뜨거운 편입니다.(케이스 내부 온도는 더 높겠죠.)
그렇지만 이전에 65도 이상이었던 점을 고려할 때,
이 정도 온도면 괜찮은 결과라 생각합니다.
온종일 연속으로 작동시켜도 정상적으로 작동했습니다.
속이 탈 텐데도 탈 없이 작동하고 좋은 소리를 들려 주니 기특합니다.^^;;


OP앰프를 바꿔도 루나의 발열을 조금 더 줄일 수 있습니다.
OP앰프에서 나오는 열도 DC컨버터의 발열 못지 않거든요.
소모 전류가 적은 TL081 같은 OP앰프로 교체하니 열이 상당히 줄었습니다.
OPA604만 되어도 발열이 좀 줄 것 같습니다.

참고로 몇 가지 OP앰프별 소모 전류입니다.
OPA627(7mA)
AD797(8.2mA)
-------------
OPA604(5.3mA)
-------------
TL071(1.4mA)
TL081(1.8mA)


루나의 발열을 더 줄이려면?

이밖에도 7812와 7912의 리니어 레귤레이터 사용하지 않고 SPD6-5-1212를 바로 사용하면 루나의 발열을 더 줄일 수도 있을 것 같습니다.
그리고 7085를 쓰지 않고 스위칭 레귤레이터로 SPD6-5-1212의 +12V에서 +5V를 바로 만들면 발열을 더 줄일 수 있습니다.
저는 파워플라자 78NS3A-12-5R0V로 테스트해 봤습니다.


효율은 92%이고, 크기도 작아 쓰기가 편합니다.
78NS3A-12-5R0V 자체의 발열도 좀 있지만, 전체적으로는 발열이 줄더군요.

이 경우에는 LC 필터 등으로 DC컨버터나 스위칭 레귤레이터에서 발생하는 리플 노이즈에 신경을 쓰면 좋겠습니다.
그냥 써도 실사용에는 문제가 없겠지만요.^^;;;