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PoE 지원 스마트 LED 조명 시스템


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글/아크샤트 자인(Akshat JAIN), 아만 자(Aman JHA), 파브리지오 디 프랑코(Fabrizio DI FRANCO) ST마이크로일렉트로닉스


머리말

차별화된 LED 조명 시스템은 에너지 효율을 향상시키고, 설치가 간편하며, 데이터 수집 및 모니터링을 용이하게 하여 가정, 사무실, 산업용 환경에서 점점 더 많이 요구되고 있다. 또한, 전 세계적으로 LED 조명의 채택이 늘어나면서 IoT(Internet of Things)의 일환으로 센서를 사용해 지능을 추가하는 데 LED 시스템이 이상적인 환경이 되고 있다. 이러한 시스템에서는 전력 변환 효율과 회로 복잡성 측면에서 저전압(60V SELV 이하) 동작이 유리하다. PoE(Power over Ethernet)는 통신 인프라의 필수 요소로서, 동일한 이더넷 케이블을 스마트 조명 애플리케이션에도 사용할 수 있어 AC 전력 처리 복잡성과 안전 위협을 완화해준다. 이 글에서는 ST마이크로일렉트로닉스의 STEVAL-POEL45W1에 대해 설명한다. 이 솔루션은 정전류 스마트 LED 드라이버로서 이더넷 RJ-45 케이블로 최신 PoE 표준을 지원하며, BLE를 통해 무선으로 제어할 수 있다.
이 LED 드라이버 보드의 전원장치는 최대 48W의 출력과 함께 37V~57V 입력 DC 전압으로 동작할 수 있다. 디지털/PWM 디밍 기능도 있으며, PWM 디밍 깊이는 거의 1%에 달한다. 스마트 디밍과 LED 온/오프는 안드로이드 애플리케이션을 통해 제어할 수 있다. 대기 전력(무부하) 소모는 에너지스타(EnergyStar)와 EU 에코-디자인(EU Eco-design) 표준에 따라 설정된 에너지 목표 요건을 충족시킨다. 컨버터 효율은 대부분의 입력 전압 범위에서 95%에 달한다. 개발된 솔루션은 LED 개방 및 단락과 같은 모든 보호 기능을 갖추고 있다. STEVAL-POEL45W1 평가 보드는 초소형이기 때문에 시중의 기존 LED 기구에도 쉽게 넣을 수 있다.

시스템 개요


실내 조명은 전체 조명 애플리케이션 시장의 약 13%를 차지한다. 현재 90~265VAC 범용 입력에 47~63Hz 라인 주파수의 AC 인프라를 사용하고 있다. PoE 표준은 그림 1에서와 같이 발전해 왔으며, 이제 PD(Powered Device) 측에서 최대 71.3W의 전력 정격을 처리할 수 있다. 이처럼 PoE 인프라는 LED 조명 애플리케이션을 엄청나게 뒷받침해준다. 그림 2는 PoE 지원 스마트 조명 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.

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[그림 1] PD용 PoE의 발전

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[그림 2] STEVAL-POEL45W1 블록 다이어그램

정전류 모드에서 LED를 구동하기 위해 ST의 전력 변환 컨트롤러인 LED6000을 사용한다. LED6000의 고주파수 동작에 의해 고효율(95% 이상)의 초소형 48W 솔루션을 개발할 수 있었다. LED6000은 디지털 디밍을 위한 DIM 핀과 드라이버 온 및 오프 실행을 위한 EN 핀을 제공한다. 이 LED 드라이버는 소스 측과 부하 측 모두에서 결함을 관리해주는 보호 기능들을 내장하고 있다.
SPBTLE-1S는 블루투스 커넥티비티를 지원하는 모든 안드로이드 폰으로 무선 통신을 하는 데 사용되는 인증받은 RF(Radio Frequency) BLE(Bluetooth Low Energy) 모듈이다. 이 BLE 모듈은 PWM 신호를 생성해 LED6000으로 연결된 LED 조명의 밝기를 조절할 수 있도록 프로그래밍 되었다. 각 평가 보드에는 점-대-점(Point to Point) 통신을 위해 서로 다른 MAC 어드레스가 지정된다.
PM8805는 PoE 인터페이 사스로 사용되며, 이는 2개의 능동 브리지 및 관련 구동 회로, 상측 MOSFET을 구동하기 위한 차지 펌프, 핫-스왑 MOSFET, IEEE 802.3bt 호환 단일 시그니처 인터페이스(검출, 분류, UVLO, 돌입 전류 제한 기능 포함)를 내장하고 있다. BLE 모듈용 하우스킵핑 전원장치는 VIPer012XS를 기반으로 하며, 벅 토폴로지에서 보조 SMPS를 관리한다.
그림 3은 STEVAL-POEL45W1 LED 드라이버 평가 보드를 보여준다. 이 보드는 고효율로 최대 48W 출력 전력을 처리할 수 있으며, 우수한 전류 레귤레이션(CR), 낮은 대기 전력 소모, 낮은 전류 리플을 달성한다.

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[그림 3] STEVAL-POEL45W1 평가 보드

디밍 제어

PoE를 통해 이 평가 보드의 전원을 켜면 LED가 최대 밝기로 켜진다. ST의 ‘PoE 조명(PoE Lighting)’ 안드로이드 애플리케이션을 사용해 LED 디밍과 온/오프를 제어할 수 있다. 이 안드로이드 애플리케이션은 구글 플레이 스토어에서 무료로 이용 가능하다. 이 애플리케이션은 블루투스로 SPBTLE-1S와 통신한다. 평가 보드와 안드로이드 애플리케이션이 성공적으로 페어링 하면 안드로이드 디바이스가 그림 4와 같이 화면에 표시한다.
전구 아이콘을 클릭해 LED 온/오프를 제어하며, LED 밝기는 전구 아이콘 둘레의 바를 조절해 바꿀 수 있다. 선택된 디밍 레벨에 따라 BLE 모듈인 SPBTLE-1S가 LED 드라이버 LED6000으로 공급되는 듀티 사이클 신호를 조절한다. LED 드라이버에 대한 PWM 주파수는 500Hz이다.

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[그림 4] PoE 조명(PoE Lighting) 안드로이드 애플리케이션

실험 결과

다양한 부하에서 STEVAL-POEL45W1의 전반적인 효율, 전류 레귤레이션, 디밍 동작을 평가했다. 48V DC에서 100% 부하일 때 효율은 95% 이상이다. 그림 5, 그림 6, 그림 7은 디밍 동작, 전류 레귤레이션, 효율 측면에서 이 LED 드라이버의 성능을 보여준다. 대기 전력 소모는 100mW 미만이다.

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[그림 5] 밝기 수준에 따른 출력 전압 vs 입력 전압

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[그림 6] 부하 수준에 따른 전류 레귤레이션 vs 입력 전압

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[그림 7] 부하 수준에 따른 효율 vs 입력 전압

맺음말

이 글에서 소개한 디지털 제어 PoE LED 드라이버는 48W 출력 전력을 제공할 수 있다. 어떠한 깜박거림도 없이 최대 밝기 수준의 1%에 이르기까지 LED 디밍을 할 수 있다. 실험 결과에 따르면 ST 전력 제품들의 성능으로 넓은 입력 전압 및 부하 조건에 걸쳐 고효율과 우수한 전류 레귤레이션을 달성할 수 있음을 알 수 있다.

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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