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2010 년 09월호

년 월호


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LED 드라이버 토폴로지 옵션 이해하기

LED를 제어하고 구동하는 데에 채택된 접근 방식에는 모순이 많다. 예를 들어 아직도 몇몇 조명 시스템 설계는 고휘도 LED의 독특한 구동 조건을 고려하지 않은 기존의 전력 솔루션을 사용하거나 변경한다. LED 조명의 이점을 최적화 하려면 설계자들은 원가 절감형의 효율적인 솔루션을 확보하기 위해 이러한 기기들을 구동, 제어하는 기술에 대해 매우 신중해야 한다.

글/Tim Kaske, Bernie Weir, 온세미컨덕터

지난 몇 년 동안 고휘도 LED(HB-LED) 분야는 패키지 당 루멘 출력 및 효율 면에서 급속한 성능 개선을 해왔다. 쿨 LED(5000K)용으로 100lm/W 효율 기반에 100 루멘을 초과하는 1W LED가 현재 상용화되어 시장에 공급되고 있으며 웜 화이트 LED(3000-3500K)는 동일한 전력 레벨에서 70~80 루멘을 초과한다. 이는 2년 전 LED 제품에 비해 30~40% 개선된 수치이다.
이러한 성능 개선을 바탕으로 LED는 현재 다양한 고성능 애플리케이션에서 기존의 백열등, 할로겐 및 형광등을 대체하고 있다. 결과적으로 도심 거리 조명은 물론 자동차, 상업 및 경관 조명에서 반도체 조명(solid state lighting)이 차지하는 비율이 크게 상승했다. 또한 LED는 재충전 배터리를 통해 손쉽게 개발된 DC 구동 전류를 사용하므로 실용적인 솔라 패널을 이용한 원격 조명 등 새로운 애플리케이션을 실현시킬 수 있다. 게다가 설계가 제대로 이루어질 경우 LED 조명은 30,000~50,000시간의 수명 시간을 구현, 전구 교체에 따른 유지 비용을 크게 감소시킨다.
하지만 이러한 LED를 제어하고 구동하는 데에 채택된 접근 방식에는 모순이 많다. 예를 들어 아직도 몇몇 조명 시스템 설계는 고휘도 LED의 독특한 구동 조건을 고려하지 않은 기존의 전력 솔루션을 사용하거나 변경한다. LED 조명의 이점을 최적화 하려면 설계자들은 원가 절감형의 효율적인 솔루션을 확보하기 위해 이러한 기기들을 구동, 제어하는 기술에 대해 매우 신중해야 한다.
반도체형 고휘도 LED 조명 시스템의 주요 요소에는 LED 발광기(emitter), 전력 전환, 제어/구동, 열 관리 및 다양한 종류의 광학이 포함된다. 이러한 모든 요소들이 적절히 만족되지 않는다면 LED 조명 시스템을 최적화하는 것은 쉽지 않다. 대부분의 기존 전구와 달리 LED는 방향성 광원이기 때문에 애플리케이션에서 설치물의 광원 형태뿐 아니라 바람직한 광원 패턴을 갖추기 위해 렌즈, 반사경 또는 확산기 사용에 매우 주의해야 한다. 마찬가지로 열 관리가 제대로 이루어지지 않으면 조명 시스템 수명이 크게 감소해 수명이 긴 LED의 주요 이점이 발휘되지 못한다.
전력 및 구동 두 가지 모두 조명 시스템의 긴 수명 요건에 매우 중요한 요소이다. 고휘도LED 조명 설계의 전원 공급 전압은 애플리케이션 타입에 따라 다르다. 건축 및 인테리어 조명에 맞는 전압은 주로 AC 메인(AC main)이다. 외부 조명은 저전압 AC, 배터리 기반 솔라 패널 또는 AC 메인과 같이 조절이 느슨한 전원 공급에 의해 구현된다. 자동차의 경우 전원은 일반적으로 납산(lead-acid; 12 Vdc) 배터리를 이용한다.
일정한 형태의 전력 변환 없이 전압원을 통해 이루어진 LED 발광기 구동은 피해야 한다. 왜냐하면 전압의 규칙적인 변동이 매우 가파른 V/I 커브 및 LED 순전압 대 구동 전류, 온도, 제조(lot-to-lot)에서 나타나는 다양한 변동으로 인해 LED 전류에서 큰 차이를 보일 수 있기 때문이다. 게다가 안전을 이유로 대부분의 AC 메인 애플리케이션은 고(high line) 전압을 LED 구동에 적합한 안전한 저전압으로 전환하기 위해 전자 스위치 모드 전력 공급 또는 자기 변압기 기반의 절연된 전력 변환 단계를 필요로 한다.
LED 드라이버 회로의 주요 기능들 중 하나는 작동 요건 범위에 걸쳐 입력 조건 및 순전압 변동과 관계없이 안정된 전류를 조절하는 것이다. 드라이버 회로는 효율, 허용 전류, 폼팩터, 비용 및 안전성 측면에서 애플리케이션 조건을 만족시켜야 한다. 이때 채택된 접근 방식은 구현이 쉬워야 하며 특정 애플리케이션의 극단적인 환경을 만족시킬 만큼 강력해야 한다. 전류를 조절하는 데에는 몇 가지 옵션이 있다.
고정 전압 공급을 통해 구동되는 레지스터는 전류 조절 방법 중 가장 단순하고 저렴한 접근 방식이다. 실제로 레지스터는 전류를 조절하는 것이 아니라 단지 최대 전류를 제한하는 것이다. 왜냐하면 LED 순전압 변동과 전원 전압 변동이 휘도 변동의 원인이 되는 전류 변동을 일으키기 때문이다.
이러한 특징은 저 전류 지표 애플리케이션에서는 문제가 없지만 전류 및 직렬LED 수가 증가하면 더욱 문제가 될 수 있다. 이를 해결하기 위해 스트링 LED 순전압을 매치하기 위한 비닝(Binnin)이나 적절한 저항을 선택하기 위한 시간과 비용이 필요하게 된다. 이와 같은 방법에도 불구하고 입력 전압 변동으로 인한 휘도 변화가 있을 것이다.
다음 옵션은 정 전류 리니어 레귤레이터(CCR: cons-tant current linear regulator)이다. 이 레귤레이터는 설계가 용이하며 고온과 디밍 제어에서의 전류 폴드백(fold back)과 같은 추가 성능뿐 아니라 효과적으로 전류를 조절한다. 정 전류 레귤레이터는 두 개의 직진형 터미널 레귤레이터부터 유연하고 조정 가능한 전류 세트 포인트, 리니어 레귤레이터 IC에 이르기까지 다양하다. CCR의 주된 한계점은 올바른 작동을 위해 입력 전압이 항상 출력 순전압보다 커야 하며 낮은 효율과 많은 열 발산이 일어나게 된다는 점이다. 이는 전적으로 드라이브 전류, 입력 공급 전압 변동 및 LED의 순전압 변동에 의한 것이다.
결과적으로 패키징과 전체 히트싱크 성능은 설계 및 선택 과정에서 매우 중요한 고려 사항이다. 일반적으로 리니어 드라이버는 열 분산을 잘하기 위해 병렬식으로 구성되거나 히트싱크 성능을 갖춘 패키지에 장착되어야 한다. CCR제품의 예로는 30mA를 조정하는 온세미컨덕터의 NSI45030를 들 수 있는데 이 제품은 소형의 두 단자SOD123 패키지로 구현된다. 또한 최대 1A까지 지원할 수 있는 CAT4201은 디밍 제어 인터페이스 기능을 가지고 있으며 중요한 전력을 분산시킬 수 있는 D2PAK패키지이다(그림 1참조).
효율성과 유연성을 위해 널리 사용되는 스위치 레귤레이터는 비싸고 기술적으로도 복잡하지만 중요한 이점을 제공한다. 어떤 입출력 전압 관계에도 지원 가능하며 입출력 조건에 따라 90% 이상의 효율성이 구현된다. 리니어 레귤레이터와 달리 이 레귤레이터는 EMI(electro-magnetic inference)에 민감하기 때문에 설계자는 이에 따른 또 다른 설계 문제를 해결해야 한다. 스위칭 레귤레이터는 중전력에서 고전력 애플리케이션 또는 광범위한 입력 전압 범위가 수반된 경우와 LED 디밍 제어를 위해 스위칭 레귤레이터 LED 드라이버가 최적화된 경우에 실행 가능한 유일한 옵션이다.
LED에서 방출된 광원은 이것을 통과한 평균 전류에 비례하기 때문에 지속 전류 레귤레이터는 광출력의 디밍 성능도 제공한다. 디밍은 아날로그 또는 디지털 PWM (pulse width modulation) 기술 중의 하나로 구현된다. 아날로그 접근 방식은 에러 신호를 피드백 전압에 인가하여 평균 출력 전류가 줄어들도록 한다. 디지털 접근 방식은 레귤레이터 스위칭을 제어하고 평균 출력 전류를 줄이기 위해 입력 PWM 신호를 사용한다. 100Hz 이상의 경미한 변동은 눈으로 확인할 수 없기 때문에 전형적인 디밍 주파수는 200Hz와 1000Hz 사이이다.
3개의 기본 드라이버/레귤레이터 토폴로지는 벅(스텝-다운), 부스트(스텝-업), 벅-부스트(단일-종단 주요 인덕터 전환 또는 SEPIC으로도 알려짐)이다. 벅 회로 기반에서의 최소 입력 전압(Vin)은 모든 작동 조건에서 항상 LED 스트링의 최대 전압보다 크다. 반면 부스트 회로는 최대 입력 전압이 항상 LED 스트링의 최소 전압 보다 작다.
정 전류 드라이버용 부스트 토폴로지의 특성상 오픈 LED와 단락 출력 보호를 위해 추가 회로가 필수적이다. 그림 2는 전형적인 LED 벅(스텝다운) 구성을 나타낸다. 기존의 벅 아키텍처와 다르게 접지를 기준으로 하며 LED 스트링은 플로팅이다. 이 토폴로지는 LED 스트링을 지나는 전류가 직접적으로 감지되지 못한다 하더라도 평균 LED 전류를 조절하는 특허 받은 CRM 벅 아키텍처를 기반으로 한다.
SEPIC 기술은 입력과 출력 전압이 중복되는 곳에서 사용된다. 첨단 결합 인덕터는 벅 또는 부스트 토폴로지와 비교했을 때 크기 패널티를 발생시키지 않고 구현하기 위해 이러한 솔루션을 좀더 용이하게 만든다. 잘 숙지되면 SEPIC은 보다 빈번히 사용된 토폴로지에 대해 여러 이점들을 제공할 수 있으며 이로써 더 높은 효율의 레벨, 더 작은 폼팩터, 더 낮은 비용이 가능케 된다.
SEPIC 이외에도 비절연 벅-부스트 토폴로지 또한 입력과 출력이 중복될 때 사용되지만 LED 전류는 더 이상 그라운드에 접지되지 않으면서도 평균 LED 전류를 직접 감지한다. 이 예는 그림 3과 같으며, LED 로드가 직렬로 3개 혹은 4개의 1W LED가 될 경우에 나타난다. 입력 전압은 MR16과 저전압 경관 조명을 위한 트랙 조명에 일반적으로 사용되는 12 Vac이다.
일정 애플리케이션에 가장 잘 맞는 LED 드라이버 솔루션을 고려할 때 필요한 토폴로지와 교환 조건은 매우 다양하다. 12, 24 또는 36V를 생성하는 오프라인 ad-dc 전원에서 동력을 얻는 애플리케이션이 있는 반면 솔라 동력/배터리 팩, 자동차 또는 저전압 ac와 같이 느슨하게 조절되는 전원에서 동력을 확보하는 애플리케이션도 많다. 이처럼 느슨하게 조절되는 전원은 입력 범위가 출력 전압과 중복될 때 또 다른 설계적 문제를 발생시키며 대체할 토폴로지를 필요로 한다.
설계자가 LED 구성을 유연성 있게 선택한다면 입력이 항상 최악의 경우인 순전압보다 높은 구성을 선택해 설계 요건을 최소화 하는 것이 최상이다. 고휘도 LED 기술이 지속적으로 진화하고 개선됨에 따라 LED 기술이 접목된 애플리케이션 분야가 더욱 확대되고 있으며 LED의 저전압 특성을 이용해 오프라인 ac 파워를 필요로 하지 않는 새로운 애플리케이션이 등장할 것이다.