어떻게 LED를 구동하면서 동시에 보호할 것인가? - Technology

이 글에서는 LED가 왜 조명용으로 선택되고 있으며, LED는 어떻게 구동하며, 그와 동시에 각각의 특정 구현으로 직면하는 위험으로부터 LED를 어떻게 보호할 것인지를 비롯해서, LED에 대해서 논의하려고 한다.
글/Tony Armstrong, Director of Product Marketing Power Products Linear Technology

이글에서는 LED가 왜 조명용으로 선택되고 있으며, LED는 어떻게 구동하며, 그와 동시에 각각의 특정 구현으로 직면하는 위험으로부터 LED를 어떻게 보호할 것인지를 비롯해서, LED에 대해서 논의하려고 한다. LED를 채택하는 구현은 고천장(high bay) 조명일 수도 있고, 건축 조명일 수도 있고, 옥외 거리 조명일 수도 있고, 75W 백열등 교체 조명일 수도 있다. 이 글의내용은 다음과 같은 질문에 대한 대답을 설명하고 있는 것이다:

① 우선 왜 LED를 사용하는 것인가? LED는 백열등과 비교해서 가격이 13배나 더 비싼데 어떤 점에서 이득이길래 LED가 매력적으로 받아들여지는 것인가?

② LED를 구동하기 위해서는 무엇을 필요로 하는가? 단순히 LED를 기존의 백열등 기구에 끼워 넣기만 하면 되는 것은 아니기 때문이다. 그렇다면 LED를 적절하게 설치하고 구동하기 위해서는 어떻게 해야 하는가?

③ 어떤 것들이 LED와 LED 드라이버 회로에 부정적인 영향을 미치는가?

LED는 무엇을 필요로 하는가?

LED는 백열등 같이‘발열체(heater)’가 아니다. 백열등은 기본적으로 저항이고, LED는 기본적으로 다이오드이다. 그러므로 LED는 상당히 엄격하게 레귤레이트 된 전류와 전압을 필요로 하고, 통상적으로 LED 드라이버회로를 이용해서 이렇게 제공한다. 그런데 이 회로는 개방회로나 단락 회로 조건에 취약하다. 그러므로 설계 시에 이러한 가능성에 대비해서 보호가 가능하도록 주의를 기울여야 한다.

뿐만 아니라 높은 온도는 LED의 실제적인 광 출력에 부정적인 영향을 미치므로 드라이버 회로와 하우징을 설계할 때 신중한 주의를 기울여야 한다. 직접적으로 AC 전압을 사용할 수 있는 백열등과 달리, LED는 레귤레이트 된 DC 전압과 전류를 필요로 한다. 그러므로 전원 소스에 따라서 AC 대 DC 변환을 필요로 할 수 있다. 그런데 변환 프로세스가 이루어질 때는 항상 무언가 잘못될 수 있는 가능성이 존재한다. 많은 경우에 이러한 상황이 발생함으로써 LED 드라이버 회로를 손상시키거나 심지어는 아주 망가트릴 수도 있다. 꼭 그렇게까지 하지는 않더라도 LED가 켜지지 않게 될 수도 있다. 그러므로 LED 드라이버 회로로 이와 같은 상황들에 대비해서 보호할 수 있는 조치들을 갖추어야 한다.

그러므로 드라이버 IC가 그 안에 LED 보호 기능을 통합하고 있다면 유용할 것이다. 이 글 후반부에서는 바로 그와 같은 보호 기능들을 내부적으로 통합함으로써 장기적이면서 결함 없는 LED 수명을 달성하는 드라이버 IC들을 소개하고 있다.

LED와 여타 솔루션의 비교

표 1은 LED, CFL, 백열등을 비교한 것이다. 이 표에서‘녹색’하이라이트로 표시한 것은 각기 광원의 바람직하면서 내세울 만한 특성을 쉽게 알아볼 수 있도록 한 것이다.
이 표에서 알 수 있듯이 LED의 중요한 특징 중의 하나는 효율(Efficacy)이다. LED는 광 출력이 최소한 와트당 80루멘으로서 백열등보다 적어도 8배 이상 전력 효율이 뛰어나다. 이는 다시 말하면 LED는 동일한 광 출력을 달성하기 위해서 백열등과 비교해서 1/8의 전력만을 사용한다는 뜻이다. 그럼으로써 설치 수명 기간 내내 에너지 비용을 절감할 수 있다. 이 표에서 수명(Lifespan) 항목을 보면 LED는 백열등과 비교해서 수명이 50배 이상 더 오래 간다는 것을 알 수 있다.

그러므로 어느 시점에 이르면 초기에 비쌌던 LED 전구의 가격을 에너지 비용이 감소하는 것으로 상쇄할 수 있는 것이다. 간단히 예를 들어서 각 가구마다 자주 사용하는 전구 5개를 교체한다고 하면 채 1년이 안 되어서 그와 같은 에너지 비용 절감을 실현할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 LED를 이용하면 그 밖의 또 다른 이점들이 있다. LED는 유독 물질을 포함하지 않으며, 전원장치가 LED를 적절하게 구동하고 보호하도록 설계되어 있기만 한다면 결함을 일으키지 않기 때문이다.

LED의 보호와 구동

위에서 언급했듯이 LED는 다이오드의 전기적 형태이다. 그러므로 LED는 전류 지향적 소자이다. 그러므로 단지 LED에 적정한 양의 전류를 인가하기만 하면 LED가 와트당 루멘으로 지정된 광 출력을 달성할 수 있다. 마찬가지로 더 적은 전류가 공급되면 LED가 달성할 수 있는 광 출력이 제한된다. 단일 LED 차원에서는 이것이 별 문제가 아닐 수 있다. 하지만 다수의 LED를 직렬 스트링으로 연결하고 있고 이들 LED로 균일한 전류가 공급되지 않는다면 광 출력이 크게 차이가 나고 이것이 시각적으로 감지될 수도 있다.

이와 함께 또한 LED의 근원적인 포워드 전압 강하를 극복해야 한다. 이 전압 강하는 사용하는 LED 타입과 최종적인 픽스처 구성에 따라서 달라질 수 있다. 통상적인 백색 LED는 이 포워드 전압 강하가 약 3.5V이지만 온도가 상승하면 이보다 조금 더 높아질 수 있다. 그러므로 입력 전원 소스에 따라서 다양한 유형의 변환 토폴로지가 필요할 수 있다. 여기에 더해서 각기 다른 LED 스트링 구성 때문에 작업이 더욱 더 복잡해질 수 있다. 이러한 구성은 직렬일 수도 있고(LED 포워드 전압 강하 첨가), 병렬일 수도 있고(LED 전류 첨가), 직렬과 병렬 스트링 조합일 수도 있다(LED 포워드 전압과 전류 첨가).

지금까지는 LED가 적절히 동작하기 위해서 무엇을 필요로 하는지 살펴보았다. 그렇다면 어떠한 것들이 LED와 LED 드라이버 회로의 동작에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는가? 물론 이에 대한 대답은, 다양한 요소들이 LED 출력에 부정적으로 영향을 미치고 더 나아가서는 심각한 결함을 일으킬 수 있다는 것이다. 이러한 상황들은 개방 LED 이벤트 시에 통상적으로 발생되는 과전압일 수도 있고, 또는 통상적으로 단락 회로 시나 LED 스트링을 재삽입 할 때 발생될 수 있는 과전류 조건일 수도 있다.

뿐만 아니라 위에서 언급했듯이 열악한 열 환경이 또한 LED의 실질 수명에 부정적으로 영향을 미칠 수 있으며 그러므로 전반적으로 우수한 방열 디자인을 달성하는 것이 중요하다. 또한 재차 강조하지만, LED 드라이버 회로 역시 중요하며, 그러므로 LED 드라이버 회로를 설계 할 때는 개방, 단락, 열악한 열 환경으로부터 스스로도 보호하고 그럼으로써 LED를 보호할 수 있도록 마찬가지로 세심한 주의를 기울여야 한다. 이러한 모든 문제 상황들은 대다수 자동차, 항공우주, 산업용 환경에서 통상적으로 발생될 수 있는 것들이다.

LED를 구동할 때 가장 중요한 것은 엄격하게 레귤레이트 된 전류를 공급하는 것이다. 바로 이 점에서 LED 드라이버 회로가 중요한 역할을 한다. 드라이버 회로는 입력 전원 소스가 어떤 것이 되었든 받아들여야 하고(애플리케이션 유형이 다양하므로 입력 소스 또한 다양할 수 있다) 이것을 LED 성능을 극대화할 수 있도록 필요로 하는 전압 및 전류 수준으로 변환해야 한다. 과전압이나 과 전류는 시간이 지나면서 LED 수명이나 광 출력에 부정적으로 영향을 미칠 수 있으므로 전압과 전류를 더 엄격하게 레귤레이트 할수록 더 견고한 시스템을 달성할 수있다. 그러므로 장기적이면서 결함을 일으키지 않는 작동수명을 달성하기 위해서는 ±5퍼센트 이내의 전압 및 전류 레귤레이션을 달성하는 것이 좋을 것이다.

또 다른 중요한 요구사항은 과전압 보호를 제공하는 것이다. 그러기 위해서는 정상 동작에 필요로 하는 것보다 높은 트랜션트 전압 조건을 처리할 수 있는 LED 드라이버 회로를 반드시 필요로 한다. 이러한 대표적인 예로는 자동차 환경에서 로드 덤프가 42V 또는 그보다도 높아질 수 있다는 것을 들 수 있다.

LED를 과도한 열 스트레스로부터 보호하는 것은 이보다 조금 더 까다로운 과제이다. 대부분의 경우에 LED 픽스처는 소형이고 공간이 제약적이라서 히트 싱크를 할만한 여유 공간이 많지 않으며 공기를 이용한 냉각을 위해서 팬을 이용할 수도 없다. 그러므로 대부분의 열을 전도 방식으로 처리해야 한다.
그러므로 설계 단계에서 사전에 히트 싱크가 잘 이루어지도록 고려해야 한다. 뿐만 아니라 이 점에 있어서 높은 변환 효율로 동작하는 LED 드라이버 회로를 이용하는 것이 크게 도움이 될 것이다. 변환 효율이 높을수록 변환 과정의 전력 손실로서 열이 더 적게 발생되기 때문이다. 그러므로 효율이 90퍼센트 대 초~중반에 이르는 LED 드라이버를 이용하는 것은 우수한 열 디자인을 달성하기 위해서 매우 유용하다.

열 측면에서 유용한 또 다른 흥미로운 방법은 LED 드라이버 회로의 한 부분으로서 온칩 온도 센서를 포함시키는 것이다. 그럼으로써 시스템 마이크로컨트롤러로 하여 금 이 온도 신호를 모니터링 하도록 하고 필요하면 시스템이 전체적인 전류를 낮추도록 해서 열 발생을 줄이도록 할 수 있다. 물론 대신에 이렇게 하면 광 출력이 낮아진다. 하지만 전체적인 시스템 결함이 발생하는 것보다는나을 것이다.
그러다가 결함 조건이 제거되면 정상 동작을 재개할 수 있다. LED에 적용할 수 있는 이러한 유용한 기법들을 LED 드라이버 회로에도 똑같이 적용할 수 있다. 그러므로 요점은 전체적인 시스템으로 이러한 기법들을 적용하는 것이 좋은 방법이라는 것이다.

LED 드라이버 솔루션

지금까지는 LED를 구동하기 위해서는 무엇이 필요하고 장기적이며 결함을 일으키지 않는 동작 수명을 달성하기 위해서 LED를 보호하기 위해서는 어떻게 해야 하는지를 살펴보았다. 그러면 이번에는 위에서 설명한 바로 그러한 다수의 보호 메커니즘을 통합하고 있는 LED 드라이버 IC들을 소개하고자 한다.
먼저 Linear Technology의 LT3795이다. LT3795는 부스트 토폴로지 기반 LED 드라이버로서 다수의 특수 기능들을 통합함으로써 향상된 성능을 제공한다. 그러한 첫번째 기능은 확산 스펙트럼 주파수 변조이다. 이 기법은 시스템 클록을 디더링 해서 잡음 플로어를 낮추는 것이다. 두번째 기능은 단락 회로 보호이다. 부스트 컨버터에서 단락회로 보호는 벅 컨버터에서처럼 구현하기가 쉽지 않다. 벅컨버터는 스텝다운 토폴로지이고 VIN과 VOUT 사이에 스위치가 있어서 근본적으로 보호가 이루어지기 때문이다.

부스트 컨버터에서 단락 회로 보호를 제공하기 위해서는 LED 스트링 상단에 차단 FET을 추가해야 한다(그림 2에서 M2로 표시). 이 P-채널 MOSFET이 이를 통해서 흐르는 전류를 모니터링 할 수 있는 수단이 된다. 만약 단락 회로가 발생되면 M2를 통해서 흐르는 전류가 급격히 상승할 것이기 때문이다. 이렇게 되면 하위의 LED들을 사망에 이르게 할 수 있다. 이런 상황이 발생하지 않도록 하기 위해서는 이 전류를 모니터링 해야 하고 상단에 검출 저항 RLED를 추가함으로써 그렇게 할 수 있다. 그러므로 단락이 발생하면 LED를 보호하기 위해서 M2를 재빨리 턴오프해야 한다. 그런데 이렇게 하기가 결코 쉽지만은 않다. 1마이크로초 이내에 그렇게 해야 하기 때문이다. 그런데 LT3795는 그림 1에서 보는 것처럼 할 수 있다.

그림 1에서, 맨 위 트레이스는 LED 스트링을 통해서 흐르는 전류이고, 가운데 트레이스는 P-MOS를 통해서 흐르는 전류이다. 맨 아래 트레이스는 레일 사이의 트랜션트 단락이다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 LT3795가 12A 피크로 상승한 P-FET을 500나노초 이내에 턴오프함으로써 LED 스트링을 과전류 조건으로부터 보호하고 있다. 이와 같이 신속하게 응답하지 못한다면 이 전류가 높게는 50A까지도 상승할 수 있다.

두 번째로 소개하는 LED 드라이버 IC는 LT3797이다. LT9737은 레일-투-레일 전류 검출 증폭기를 통합하고 전압 범위가 0V~100V에 이르는 다중 토폴로지 트리플 출력 LED 드라이버이다. 3개 채널 각각을 벅, 부스트, 또는 SEPIC 동작 모드로 구성할 수 있으며 각 출력을 다른 출력들과 별개로 자율적으로 작동할 수 있다. 이 IC는 기능들을 추가해서 추가적인 시스템 보호를 달성하도록 하며 채널이 부스트 모드로 동작할 때 단락회로 보호 또한 그 중의 한 기능이다. 여기에 더해서 LT3797은 FBH 전압 피드백 핀을 이용해서 개방 LED보호 또한 통합하고 있다. 또한 LT3797은 2.5V~40V의 넓은 입력 범위로 동작하므로 산업용, 항공우주, 의료용, 자동차 LED 조명 애플리케이션에 이용하기에 적합하다.

뿐만 아니라 컨트롤러이므로 수 암페어 대의 전류 레벨을 달성할 수 있다.
그림 3은 LT3797을 트리플 부스트 LED 드라이버로 구성한 것이다. 그러므로 3개 채널 각각이 부스트 컨트롤러이다. 그림에서 보듯이 각 LED 스트링 상단에 PMOS MOSFET과 검출 저항을 구성하고 있다. 그러므로 LT3795와 마찬가지로 단락 회로 조건이 발생하면 신속하게 LED 스트링을 차단하고 LED들을 손상으로부터 보호한다.
또한 LT3795와 마찬가지로 LT3797 역시‘hiccup’ 모드를 래치오프 하고 각 채널을 재시작 할 수 있다. VREF 핀과 SS 핀 사이에 R13을 삽입하거나 제거하는 것으로 단락 회로 보호 재시작 모드를 편리하게 프로그램 할 수 있다.

요약

이 글에서는 LED를 어떻게 구동하고 LED와 드라이버 회로를 어떻게 보호할 수 있는지에 대해서 살펴보았다. 이글에서 살펴보았듯이 전체적인 시스템을 설계하기 위해서는 전압, 전류, 열 제약 등을 비롯해서 많은 것들을 고려해야 한다. 하지만 다행인 것은 이러한 설계 작업을 간소화 하고 수월하게 하며 모든 측면의 성능을 극대화하는 IC 제품들을 이용할 수 있다는 것이다. 이러한 제품들을 이용함으로써 성공적인 디자인을 달성할 수 있을 것이다.

<반도체네트워크 7월>