A2B 오디오 버스: 10년과 3세대의 역사

 

 

  ■ A2B 오디오 버스: 10년과 3세대의 역사

  

차량용 통신 시스템으로 큰 성공을 거둔 Analog Devices는 A2B 오디오 버스 기술을 지속적으로 업데이트해 왔습니다. AD2437 IC 출시로 A2B는 이제 최대 16개의 노드를 지원하며, 노드 간 최대 30m 거리까지 연결하여 24비트/48kHz 디지털 오디오 32채널과 선택적으로 데이터를 최저 지연 시간(50μsec)으로 전송할 수 있습니다. 이 모든 기능은 플러그 앤 플레이 케이블 하나로 구현되어 노드를 동적으로 추가 및 제거할 수 있습니다. 따라서 A2B는 홈 시네마, 스튜디오, 무대, 악기 등 다양한 분야의 멀티채널 오디오 애플리케이션에 이상적인 기술입니다. 이제 A2B에 대한 최신 정보를 확인하고, 더 많은 오디오 제조업체와 기기를 연결할 수 있도록 기술이 어떻게 발전해 왔는지 알아보겠습니다.

 

2020년 가을, 저는 Analog Devices의 새로운 자동차 오디오 버스(A2B) 집적 회로의 기본 개념을 다룬 4부작 기사 시리즈(온라인에서 열람 가능)를 작성했습니다. 이 회로는 최대 32개의 오디오 채널과 제어 신호를 2선식 멀티 노드 네트워크를 통해 전송하며, 노드 간 고정 지연 시간은 2샘플로 매우 낮습니다.

지면 관계상 이전 기사에서 다룬 세부 사항은 생략하고, 여기서 논의할 3세대 기능을 포함하도록 A2B 시스템 다이어그램(그림 1)을 업데이트하겠습니다. 세대 구분은 AD2410(및 그 유사 제품)을 1세대, AD242x를 2세대, AD243x를 3세대로 합니다.

그림 1: 전체 A2B 시스템 아키텍처. 아날로그 디바이스는 두 가지 유형의 노드를 설명하기 위해 메인(Main) 노드와 서브(Subordinate) 노드라는 용어를 사용합니다.

 

업그레이드된 기능에는 노드 간 거리 및 전체 시스템 길이의 상당한 연장, 더 많은 노드, SPI를 포함한 더 다양한 I/O 옵션, 버스와 포트 간 I2S 데이터 출력 라우팅을 위한 완전한 크로스바, 최대 50W의 버스 전력 지원 등이 포함됩니다. 노드에서의 I2S 데이터 입력 라우팅도 지원되지만, 출력 방향과는 완전히 동일하지는 않습니다. 지난 3년 동안 너무나 많은 새로운 기능이 추가되어 전체 업데이트를 제공하려면 두 개의 기사가 필요합니다.

1부에서는 A2B의 몇 가지 주요 기능을 검토하고 새로운 AD2437이 제공하는 향상된 기능에 대해 살펴보겠습니다. 2부에서는 새로운 버스 전력 옵션, 시스템 설계 고려 사항, 소프트웨어 및 하드웨어 개발 도구, 그리고 A2B를 사용하는 자동차 이외의 오디오 제품 출시 사례를 자세히 살펴보겠습니다.

 

 

  1.  주요 기능

 

오디오는 모든 노드 간에 업스트림 또는 다운스트림으로 전송될 수 있습니다. 단, 특정 노드에서는 어떤 방향으로든 최대 32채널의 24비트/48kHz 오디오만 전송할 수 있다는 제약이 있습니다. AD2437은 96kHz 및 192kHz의 오디오 샘플링 속도를 지원하지만, 총 채널 수는 각각 16개 또는 8개로 제한됩니다. AD2437은 두 개의 장치와 두 쌍의 전선을 사용하여 채널 수를 두 배로 늘릴 수 있는 방법을 제공합니다. 애플리케이션에서 16비트 오디오를 사용할 수 있는 경우 채널 수를 더욱 늘릴 수 있습니다.

그림 2에서 보는 것처럼 다운스트림 오디오 데이터는 메인 노드에서 마지막 서브 노드로 한 샘플 주기 내에 이동합니다. 마찬가지로 업스트림 오디오 데이터도 마지막 서브 노드에서 메인 노드로 같은 샘플 주기 내에 이동합니다. I2S 데이터를 캡처하는 데 샘플 주기가 필요하며, 다른 데이터 이동에는 몇 마이크로초가 더 소요됩니다. 이를 통해 시스템 내 모든 I2S 입력과 출력 간의 지연 시간을 고정/결정론적으로 유지할 수 있습니다. 데이터 이동 및 라우팅에 대한 자세한 설명은 이전 시리즈 기사를 참조하십시오.

 

그림 2: A2B 버스 타이밍은 두 샘플 주기 정도 동안의 데이터 이동을 보여줍니다. 메인(루트) 노드에서 시작하여 모든 다운스트림 패킷이 각 노드를 거쳐 전송됩니다. 마지막 노드에 도달하면 이 과정이 업스트림 방향으로 반복됩니다. 적절한 비유는 두 도시(메인 노드와 마지막 노드) 사이를 오가는 기차이며, 중간에 여러 정류장이 있다는 것입니다. 하지만 데이터가 여러 노드로 전송될 수 있다는 점을 고려하면, 데이터 복제를 허용하지 않는 한 이 비유는 적절하지 않습니다.

 

 

  2. 여기까지 오게 된 배경

 

아날로그 디바이스(Analog Devices)가 A2B에 대해 처음으로 공식 발표한 것은 2014년이었지만, A2B 관련 특허는 2011년에 처음 출원되었습니다. 발표 당시 초기 부품 개발은 이미 상당 부분 진행되었고, 2015년 초 포드(Ford)와 아날로그 디바이스는 A2B 활용에 대한 공동 보도자료를 발표했습니다.

아날로그 디바이스가 AD242x 부품을 자동차 외 분야에도 공급하기 시작한 것은 2018년이 되어서였습니다. 자동차 부품 시장과 비교했을 때, 일반 오디오 시장은 매우 다양하며 A2B가 적용될 수 있는 사업 분야에 수천 개의 기업이 존재합니다. 분산 오디오 애플리케이션의 여러 문제를 해결해 주었음에도 불구하고, 자동차 분야 외에서는 A2B 부품의 활용도가 높지 않았습니다.

이러한 상황은 자동차 애플리케이션에 초점을 맞춘 AD243x 시리즈에서도 반복되었습니다. 자동차 오디오 애플리케이션은 일반적으로 일반 오디오 시장에 비해 노드 간 거리와 전체 노드 수가 제한적입니다. 아날로그 디바이스는 일반적인 사용에 대한 몇 가지 우려 사항을 극복할 기회를 포착하고 디바이스 설계를 수정하여 AD2437을 개발했습니다.

표 1은 세대에 걸친 디바이스 개선 사항을 보여줍니다. AD2437의 전력 소비량은 약간 증가했지만, 온칩 주변 장치가 더 많아지고 케이블 지원 범위가 넓어졌습니다. 특정 애플리케이션에서의 실제 전력 소비량은 버스의 데이터 양과 로컬 주변 장치 사용량에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 아날로그 디바이스는 특정 작동 조건에서의 전력 소비량을 계산할 수 있는 스프레드시트 도구를 제공합니다. 승용차 이외의 기기에서는 유선 장치이므로 배터리 작동이 일반적으로 고려 대상이 아니기 때문에 전력 소비량은 큰 문제가 되지 않습니다.

표 1: 노드 수, 노드 간 거리, 총 케이블 길이 개선 및 전력 소비량. 일부에서는 AD2425를 2세대 부품으로, AD2428을 2.5세대 부품으로 볼 수도 있지만, AD2425와 AD2428은 기능적으로 매우 유사하므로 이러한 구분은 생략합니다.

 

AD2437은 노드 간 연결 길이와 전체 케이블 길이가 크게 향상되어 물리적으로는 가깝지만 배선 경로가 복잡한 다양한 환경에서 활용할 수 있게 되었습니다. 공연장이나 대형 회의실뿐만 아니라, 항공기, 기차, 선박 등 여객 운송 수단에서도 이러한 긴 케이블 길이가 요구됩니다.

AD2437은 긴 케이블 길이를 지원하지만, 오디오 신호가 추가되거나 제거되는 위치에 관계없이 모든 노드 간 오디오 경로 지연 시간은 일정합니다. 실제 지연 시간은 50µsec 미만이며(설정에 따라 약간 달라질 수 있음), 48kHz 샘플링 속도에서는 2샘플보다 약간 더 깁니다.

 

  3. 기타 새로운 기능

 

표 2는 이전 세대 제품과 비교하여 AD2437의 새로운 기능을 보여줍니다. SPI 인터페이스는 다른 데이터 터널링을 위한 흥미로운 가능성도 제공합니다. SPI 인터페이스에 연결된 소형 마이크로프로세서를 사용하면 UART나 10M 이더넷과 같은 데이터를 A2B 터널링을 통해 전송할 수 있습니다. A2B MIDI의 핵심 기능이 오디오 전송이라는 점을 고려할 때, 데이터 터널링은 또 다른 유용한 응용 분야이며, MIDI 협회는 2022년에 표준 구현 방법을 마련하겠다고 발표했습니다.

AD2437의 특징
SPI Interface	SPI 데이터는 A2B 인터페이스를 통해 전송할 수 있으며, AD2437은 SPI 장치와 직접 통신할 수 있습니다. 이는 I2C 통신 속도가 애플리케이션 요구 사항에 비해 너무 느릴 때 매우 편리합니다. 단점은 SPI 데이터 전송 시 오디오 데이터 전송량이 줄어든다는 것입니다.
PWM Output	LED 제어용으로 제작된 제품들이 있는데, 깜빡임 기능도 포함되어 있습니다. 깜빡이는 불빛을 싫어하는 사람이 어디 있겠어요?
Parallel 버스 지원으로 채널 수 두배 증가	A2B 장치를 사용하면 여러 메인 노드에 동일한 BLCK 및 SYNC 값을 지정할 수 있습니다. 즉, 모든 서브 노드가 동일한 속도로 거의 동시에 샘플링하게 됩니다. 하지만 메인 노드에서 시작하는 각 체인의 서브 노드는 다른 체인과 정확히 일치하지 않는 SYNC 값을 가질 가능성이 있습니다. AD2437을 사용하면 한 서브 노드가 다른 AD2437의 BLCK와 SYNC를 입력으로 받아 I2S 스트림의 샘플링 시점을 정확하게 일치시킬 수 있습니다(동일한 ADC/DAC 하드웨어를 사용하고 샘플링이 제대로 동기화된다는 가정 하에). 요약하자면, 24비트/48kHz 오디오 64채널(또는 24비트/96kHz 오디오 32채널)을 모두 BLCK 주기보다 짧은, 즉 최대 수백 나노초 이내의 오차로 동기화할 수 있습니다.
5개의 직렬 I/O 핀	이 제품은 최대 2개의 PDM 입력(즉, 4개의 마이크), 4개의 I2S 출력 또는 4개의 I2S 입력에 사용할 수 있습니다. 따라서 ADC 또는 DAC가 기존 부품의 두 포트를 통해 모든 I/O를 입출력하는 데 필요한 TDM 모드를 지원하지 않는 시스템에서도 사용이 간편합니다.
A2B 버스 슬롯과 I2S 슬롯 매핑에 대한 완벽한 제어	이전 장치에서는 I2S 입출력에서 필요한 위치로 데이터를 전송하기 위해 더미 슬롯을 할당해야 하는 경우가 있었습니다. 이제는 32x32 크기의 크로스바가 있어 A2B 버스 슬롯에 할당된 위치와 I2S에서 표시되는 위치를 분리할 수 있습니다.
1Mbps I2C 동작	구형 부품들은 100kbps와 400kbps의 속도만 제공했습니다. 하지만 SPI가 사용 가능해지면서 빠른 속도의 중요성은 다소 떨어졌을지도 모릅니다.
동적 재구성	이전 장치들은 라우팅을 변경하려면 버스를 재설정해야 했습니다. AD2437은 오디오 손실을 최소화하면서 버스와 오디오 데이터 스트림 연결을 재구성할 수 있는 기능을 제공합니다. AD2437은 새로운 구성을 로드한 후 모든 노드가 해당 구성으로 전환하는 기능을 지원합니다. 노드를 연결 해제하거나 추가하는 경우 시스템이 새로운 구성을 검색해야 하므로 시스템 중단이 발생하며, 노드를 물리적으로 분리할 때 데이터 손실이 발생합니다.

표 2: 이전 세대 장치와 비교하여 AD2437의 새로운 기능 주요 내용.

 

 

  4.  노드 전원 공급

 

버스 전원 공급 노드는 복잡한 주제이지만, 시스템 수준에서든 A2B 제품을 설계하는 입장에서든 그 미묘한 차이를 확실히 이해하는 것이 중요합니다. 이 부분을 건너뛰면 큰 손해를 볼 수 있습니다.

AD243x는 새로운 버스 전원 공급 방식을 도입했습니다. 아날로그 디바이스는 기존 1세대와 2세대 방식을 CFG0으로 명명했고, AD2437에 사용되는 새로운 방식은 CFG4라고 합니다. 여기서 숫자 4는 전원 제어 레지스터에서 이 모드를 활성화하기 위해 설정하는 비트 값입니다. CFG0은 버스 전원 공급 세그먼트에서 최대 9V, 총 2.7W의 전력을 제공합니다.

CFG4 시스템에서는 이 수치가 최대 24V, 세그먼트에서 총 50W로 증가합니다. 이 전력 제한은 버스에서 사용할 수 있는 총 전력과 동일한 것이 아닙니다. A2B 데이지 체인의 어느 곳에서든, 심지어 여러 곳에 전력을 공급할 수도 있습니다.

아날로그 디바이스는 AD2437을 통해 A2B 버스 전원 공급의 의미를 확장했습니다. 케이블 무게를 최소화하려는 자동차 사용자는 CFG4를 사용한 2선 연결로 노드에 버스 전원을 공급할 수 있습니다. 그림 3은 이 2선 시스템의 간략화된 모습을 보여줍니다. 실제로는 전원/양극 측과 접지 측 모두에 전류 감지 저항이 있습니다. 이를 통해 배선의 다양한 단락 및 개방 회로를 감지하여 고장 위치를 ​​정확하게 파악할 수 있습니다. 차량 내부에 수많은 노드가 설치되어 있는 경우, 고장 난 배선을 찾기 위해 모든 배선을 뜯어낼 필요가 없으므로 이러한 기능은 매우 중요합니다.

그림 3: 자동차 애플리케이션을 대상으로 하는 CFG4 2선 버스 전원 시스템. 이는 매우 단순화된 그림으로, 예를 들어 전류 및 전압 감지에는 감지 저항과 몇 개의 칩 연결이 사용됩니다. LPF(AC 차단)는 4.7µH 인덕터이고, HPF(DC 차단) 필터는 10nF 커패시터입니다.

 

그림 3을 보면 버스 전원 노드의 접지 연결이 시스템 접지 연결과 동일하지 않다는 것을 알 수 있습니다. 케이블과 커넥터의 IR 강하로 인해 0이 아닌 전압이 발생합니다. 만약 버스 노드의 로컬 접지가 시스템 접지(차량의 경우 섀시)에 연결되어 있다면, 귀환 전류가 메인 노드를 통하지 않고 해당 경로를 통해 흐를 수 있으며, 메인 노드는 전류 불균형을 고장으로 감지할 수 있습니다. 이전 시리즈 기사에서 이 주제를 더 자세히 다루었으므로 버스 전원 노드 설계에 대한 이해를 돕기 위해 참조하시기 바랍니다.

로컬 전원 노드를 사용하더라도 의도치 않은 접지 경로는 노이즈 및 EMI 문제 모두에서 문제가 될 수 있습니다. A2B 방식에서는 전류 불균형으로 인한 배선 고장을 상위 노드가 감지할 수 있다는 추가적인 고려 사항이 있습니다.

그림 3과 CFG4 전원 방식의 설계적 의미를 이해하려면 CFG0 전원 방식을 자세히 설명한 이전 시리즈 기사를 참조하는 것이 도움이 됩니다. 여기서는 하이 사이드 PMOS 스위치가 사용되고, 리턴 사이드 스위치는 AD242x 소자 내부에 있습니다. 전류가 300mA로 제한되어 있어 이러한 방식이 실용적이었습니다. 하지만 24V 2A CFG4 시스템에서는 외부 하이 사이드 및 로우 사이드 소자가 필요합니다. AD2437에서는 하이 사이드 게이트 신호를 VBus보다 약 5V 정도 증폭하여 NMOS 소자를 사용할 수 있도록 합니다.

그림 3의 간략화된 그림에는 로우 사이드와 하이 사이드 전류 감지 저항, 그리고 감지 및 게이트 구동과 관련된 몇 개의 저항과 커패시터가 표시되어 있지 않습니다. 결과적으로 AD2437은 AD2428보다 주변 부품이 더 많아집니다. 인덕터와 같은 일부 부품은 CFG0의 300mA 전력보다 CFG4의 2A 전력을 통과시키기 위해 상당히 더 큽니다.

AD2428 시스템(그림 4)과 AD2437 시스템(그림 5)의 거의 동일한 두 설계를 비교하여 설계 차이점을 설명할 수 있습니다. 이 모듈들은 모든 AD24xx 디지털 I/O 핀을 제공하며, AD2437 모듈의 경우 CFG4 전원에도 접근할 수 있습니다. 이 설계는 최소 PCB 면적을 나타내는 것은 아니지만 상대적인 면적을 보여주기 위한 예시입니다. 예를 들어, AD2428 설계는 단면 2층 PCB를 사용합니다. AD2437 설계는 양면 4층 기판입니다.

그림 4: Clockworks의 AD2428 기반 A2B 브레이크아웃 모듈은 부품 밀도와 단면 설계를 보여줍니다. 설계에서 의도적으로 0603 이상의 부품을 사용했는데, 많은 부품을 0402로 변경할 수 있으며 양면 기판으로 제작하면 크기를 절반으로 줄일 수 있습니다.

 

AD2437은 더 많은 I/O를 가지고 있어 추가 커넥터 핀이 필요합니다. 실제 애플리케이션에서는 모든 I/O가 사용되지 않을 수 있습니다. 그림 4와 그림 5에 나타낸 모듈은 범용 개발 및 프로토타이핑을 위한 것이므로 모든 신호를 노출합니다.

그림 5: Clockworks의 AD2437 기반 A2B 브레이크아웃 모듈의 부품 밀도 및 단면 설계를 보여줍니다. 설계에서 의도적으로 0603 이상의 부품을 사용했는데, 크기를 줄이려면 많은 부품을 0402로 변경할 수 있습니다. 빨간색 커넥터는 CFG4 전원을 나타냅니다. CFG0 모듈에 연결하면 문제가 발생할 수 있습니다. 그림 4와 비교하여 AD2428과 AD2437 설계 간의 부품 차이를 확인하십시오.

 

 

이 모듈들은 Analog Devices가 일부 EVM 시스템에 사용했던 것과 동일한 Molex 2핀 Duraclik 커넥터를 A2B 통신에 사용합니다. 이 모듈들은 동일한 전원 시스템에서만 사용하도록 설계되었습니다. CFG4의 24V 전원을 CFG0의 9V 시스템에 공급하면 치명적인 오류가 발생합니다. 이 시리즈의 2부에서 다루는 Analog Devices의 대체 CFG4 방식은 하위 노드들이 동일한 전원 유형을 사용하는지 검증합니다.

버스 세그먼트를 분리하면 AD2437과 AD2428 장치를 혼합하여 사용할 수 있습니다. 세부 사항은 CFG4에서 CFG0 전원 세그먼트로 전원을 공급할지 여부에 따라 달라집니다. 가장 간단한 설계는 새 세그먼트의 첫 번째 노드에서 전원을 공급하고, A2B 대역폭에 적합한 갈바닉 절연 변압기를 사용하여 절연하는 것입니다. 개별 노드를 버스에서 갈바닉 절연할 수도 있지만, 버스 전원이 관련된 경우에는 더 많은 고려 사항이 필요합니다.

 

 

  5.  요약

 

A2B 기술은 계속 발전하고 있습니다. 이전 세대 장치와 비교했을 때, 새로운 AD2437 장치는 다양한 오디오 애플리케이션의 요구 사항에 더욱 부합하는 기능을 제공합니다. 1부에서는 새로운 AD2437 장치의 기능 세트와 이를 통해 다양한 오디오 애플리케이션을 구현하는 방법을 소개했습니다. 2부에서는 Analog Devices가 개발한 두 가지 대체 CFG4 전원 공급 방식과 새로운 SigmaStudioPlus 툴, 개발 하드웨어, 그리고 A2B를 통합한 출시된 최종 사용자 오디오 제품에 대한 자세한 내용을 살펴보겠습니다.

Analog Devices의 소비자 사업부 부사장인 던컨 보스워스(Duncan Bosworth)에게 A2B의 미래에 대한 견해를 물었습니다. "저희는 A2B의 미래에 대해 매우 기대하고 있으며, 파트너 생태계는 지속적으로 성장하고 있습니다. AD2437 트랜시버는 전문 오디오 및 컨퍼런싱 시장에서 새로운 가능성을 열어 더욱 몰입감 있고 고음질의 경험을 지원할 것으로 기대합니다." aX

이 기사의 2부: A2B 오디오 버스: 두 가지 대체 전원 공급 방식 읽기

참고 자료
Analog Devices A2B 정보:
A2B 메인 웹페이지에서 부품 정보, 도구 및 관련 설계 정보 링크를 제공합니다.
https://www.analog.com/en/solutions/a2b-audio-bus.html

Clockworks 모듈 정보:
https://clk.works/products/a2b-products/a2b-module-selection-guide

이 기사는 원래 audioXpress 2024년 7월호에 게재되었습니다.

 

Resources
Analog Devices A2B information:
Main A2B web page provides links to part information, tools, and related design information,
https://www.analog.com/en/solutions/a2b-audio-bus.html

Clockworks module information:
https://clk.works/products/a2b-products/a2b-module-selection-guide

B. LaMacchia, “Getting Started with Automotive Audio Bus,” audioXpress, four-part series, October 2020 to January 2021.


This article was originally published in audioXpress, July 2024