배터리 전원을 사용하는 많은 휴대용 제품의 소형 디스플레이 백라이팅에 흔하게 사용되는 백색 LED 구동에 사용되는 LED 드라이버 IC는 총 LED 드라이버 시장의 약 50%를 점유하고 있다. LED 조명 애플리케이션 중 휴대용 백라이팅 기장 부문의 성장률을 크게 상회할 가장 큰 시장 부문은 자동차 전조등 조명, 대형 LCD TV 그리고 범용 조명 등 3부문이다.
최종 애플리케이션 용 LED 제품들
글│토니 암스트롱, 제품 마케팅 매니저, 파워 제품 그룹, LTC
배터리 전원을 사용하는 많은 휴대용 제품의 소형 디스플레이 백라이팅에 흔하게 사용되는 백색 LED 구동에 사용되는 LED 드라이버 IC는 총 LED 드라이버 시장의 약 50%를 점유하고 있다. 그러나 이 애플리케이션은 충분히 성장했고 향후 5년 동안은 거의 성장률(CAGR)은 보이지 않을 것이다. LED 조명 애플리케이션 중 휴대용 백라이팅 기장 부문의 성장률을 크게 상회할 가장 큰 시장 부문은 자동차 전조등 조명, 대형 LCD TV 그리고 범용 조명 등 3부문이다.
그럼에도 불구하고 2007년은 많은 아날로그 IC 공급업체들에게 있어서 LED를 주류 사업이 될 부문에 채택하기 위한 정점의 해였다. 지난 12개월 동안 LED는 몇 가지의 핵심 메트릭스를 겪었는데 이는 모든 종류의 최종 애플리케이션에서 전력 공급에 필요한 LED 드라이버 IC에 대한 공급이 크게 증가할 것이라는 의미가 될 것이다.
그러나 이러한 의미 있는 진전에도 불구하고 에너지 변환, 열관리 및 생산 단가의 효율에 대해서는 개선해야 할 점이 아직 많다. 예를 들면 LED 효율에서는 극적인 개선이 이루어졌다. 이러한 향상은 칩 내에서의 빛 생성이 더 좋아지고 칩과 그 패키지로부터 빛을 추출하는 수단이 더 좋아진 결과이다. 이와 유사하게 20mA의 백색 LED 판매 가격은 크게 낮아졌다. 처음 도입될 당시 대량 거래 가격은 1달러였다. 현재는 20mA 백색 LED를 대량 구매할 경우 20센트 미만의 가격으로 구매가 가능하다.
LED 광 출력의 기본 사항들
이 모든 발전은 상이한 애플리케이션에서 LED를 광원으로 채택하도록 촉진했을 뿐 아니라 동시에 이들에 전력을 공급하는 LED 드라이버 IC에 대한 수요를 증가시켰다. 이러한 LED 드라이버 IC 디자인과 제조 상의 장애를 이해하기 위해서는 백색 LED가 빛을 내기 위해 필요한 것이 무엇인지를 이해할 필요가 있다. 백색 LED는 일정한 전원에 의해 구동이 되어야 빛의 백색 점이 이동하지 않는다(즉, 균일해야 한다).
또한 백색 LED가 다이오드이기 때문에 그 내부의 순방향 전압(Vf) 강하가 극복되어야 한다. 이 Vf는 백색 LED의 전류의 정격에 의해 변하며 온도에 따라서도 역시 변한다. 기본적인 20mA 백색 LED의 Vf는 전체 동작 온도 범위 상에서 2.5V~3.9V까지 변화한다. 대부분의 애플리케이션은 하나 이상의 LED를 사용하고 이들 LED는 병렬, 직렬, 또는 두 가지의 조합(예를 들어 직렬 LED의 병렬 스트링)으로 구성될 수 있다. 이는 곧 백색 LED 드라이버 IC가 특수한 LED 구성에 대해 충분한 전류와 전압을 전달할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 그리고 변환 토폴로지에서는 입력 전압 범위와 필요한 출력 전압 및 전류 조건을 충족시켜야 한다.
백색 LED와 RGB
RGB LED는 냉음극형광(CCFL) 램프와 비교해 보면 실질적으로 가시광 범위가 넓다. CCFL의 경우 컬러 스펙트럼이 제한되어 있고 색상의 선명도가 부족하다. CCFL은 NTSC가 정의한 색상의 약 80%를 시현하는데 반해 RGB는 NTSC 컬러 스펙트럼의 110%까지 시현하기 때문에 스크린 상에서 보다 정교한 화질을 나타낸다. 더구나 적색, 청색 및 녹색 레이저와 같은 3 종류의 단색 광원을 사용해 최대 가능 컬러 스펙트럼이 가능하다.
백색 LED 백라이팅은 휴대용 및 이동형 디스플레이 패널에 적합한데 그 이유는 CCFL과 비교해 볼 때 크기가 작고 구동이 단순하며 기계적 충격에 대해 덜 민감하며 수명이 2배정도 되기 때문이다. 그러나 백색 LED는 컬러 스펙트럼에서 CCFL과 동일한 단점을 가지고 있는데 그 이유는 백색 LED가 광대역 광원과 동일하기 때문이다. 백색 LED는 청색 다이오드인데 인을 도포하여 청색에서 황색광 부분은 변환한다. 이렇게 병합된 스펙트럼은 백색 광으로 인지된다. 최근에는 소위 웜 백색 LED가 NTSC 컬러 스펙트럼에 보다 근접하게 합치되고 있다.
여전히 RGB LED는 단일광원 단가보다 매우 낮은 가격으로 협대역 스펙트럼을 제공하는데 근접해 있다. RGB LED는 컬러 스펙트럼을 개선할 뿐 아니라 효율까지 향상하고 있는데 그 이유는 RGB LED가 유일하게 적색, 녹색, 청색 등 필요한 광 에너지를 방출하기 때문이다. 백색 LED와 CCFL 같은 광대역 광원은 원하지 않는 컬러를 비교적 높게 구현하는데 이는 컬러 스펙트럼을 악화시키고 그 결과 효율을 낮추게 된다. 개별 색상이 독립적으로 구동될 수 있기 때문에 백색 점 또는 RGB LED의 색 온도는 교정이 가능하다. 반면에 CCFL과 백색 LED는 백색점이 고정되어 있다.
특정의 경우 백색 LED와 비교할 때 RGB LED와 RGB LED 드라이버가 백라이트 디스플레이에 더 많이 필요할 수도 있지만 시스템 디자이너로서는 컬러 스펙트럼과 보다 정확한 색상 이미지 때문에 디자인이 더 복잡해 지더라도 그만한 가치는 있다. 백색 LED 대신 RGB LED를 사용하는 것이 정당화될 수도 있는데 그 이유는 컬러 스펙트럼이 넓어 화질이 크게 향상되고 소비자들은 LCD TV 모델을 선택함에 있어서 색상의 선명함에 추가 비용을 지불할 것이기 때문이다. 그럼에도 불구하고 RGB LED를 사용하기 위해서는 보다 넓고 복잡하며 가격이 높은 솔루션이 필요하다. 그래서 확장 컬러스펙트럼으로 인한 최종 제품의 프리미엄 가격이 허용되지 않는 애플리케이션에서는 백 라이팅 광원으로서 백색 LED 솔루션이 수용가능 한 것이다.
그림 1. Main, Sub 및 RGB 디스플레이를 예시하고 있는 기본 LTC3219 애플리케이션 도해
범용 LED 드라이버 IC
리니어 테크놀로지사의 LTC3219는 인덕터가 없고 노이즈가 없는 고효율 LED 드라이버로서 휴대전화 디스플레이 및 범용 조명 제품이다. 이 IC는 휴대전화의 Main, Sub, AUX 및 RGB 디스플레이용으로 개별 설정이 가능한 9개의 범용 전원을 제공한다. 디스플레이 전류는 정밀한 내부 전류 레퍼런스를 거쳐 설정된다. 이 범용 전원은 독립적인 조도 조절, 휘도, 깜박임, 단계적 제어, 프로그램 가능성 등과 함께 단순한 2선 I2C 직렬 인터페이스를 통해 디지털 방식으로 제어된다.
LTC3219의 2.9V~5.5V 입력 전압 범위는 단일 셀 리튬 이온/폴리머 배터리 애플리케이션용으로 최적화되어 있다. 리튬 배터리(공칭 3.6V)로 구동될 때의 효율은 단 400uA 정지 전류와 함께 91%로서 배터리 작동 시간을 극대화하고 있다. 슬루율 제한의 스위칭을 통해 전도 및 방사 노이즈(EMI)를 감소시킨다.
LTC3219의 다중모드 차지 펌프는 저 노이즈의 정주파로 동작하며 LED 전원에 대한 전압에 근거해 자동적으로 효율을 최적화한다. 이 소자는 1x 모드로 전력을 올리며 어떠한 가능한 LED 전원이 드롭아웃에 도달하면 부스트 모드(1.5x)로 자동 전환된다. 그에 이은 드롭아웃의 경우 이 소자는 배가(2x) 모드로 전환된다. 내부 회로를 통해 시동 및 모드 전환 중에는 과도한 돌입 전류 및 과도한 입력 노이즈가 예방된다. 또한 이 소자는 단락 및 열 보호기능을 갖추고 있고 높이가 낮은(0.75mm) 20핀 QFN(3mm x 3mm) 패키지로 공급된다. 이 IC는 극소형의 완전한 LED 전원 공급장치와 전류 컨트롤러 솔루션용으로 단 5개의 소형 캐패시터만을 필요로 한다.
LTC3219는 고객이 다른 무엇보다도 융통성을 원하면서도 상당한 정도의 성능을 요구할 때 사용될 수 있다. 이 융통성은 보편적으로 프로그램 가능한 LED 전원 형식이다. 또한 5.5V까지의 입력 전압이 필요할 경우 LTC3219는 이 입력 수준도 충족시킬 수 있다. LTC3219는 전용 CAM LED 드라이버 소스가 없는 저 전류 카메라 플래시 애플리케이션에도 사용 가능하다.
인덕터가 없는 범용 차지 펌프 분야에서 최근 이루어진 또 다른 혁신 제품이 LTC3220/-1이다. 이 제품은 고집적 무 인덕터 저 노이즈, 고효율의 LED 드라이버로서 휴대전화 디스플레이 및 범용 상태조명용이다(아래의 그림 2참조). 이 IC는 휴대전화의 Main, Sub, AUX 그리고 RGB 디스플레이 및 기타 범용 조명용으로 18종의 개별 구성이 가능한 범용 전원을 제공한다.
그림 2. LTC3220/-1 기본 애플리케이션 도해
디스플레이 전류는 정밀한 내부 전류 레퍼런스를 통해 설정된다. 범용 전원은 독립적 조도 조절, 휘도, 깜박임, 단계적 제어, 프로그램 가능성 등과 함께 단순한 2선 I2C 직렬 인터페이스를 통해 디지털 방식으로 제어된다. LTC3220의 2.9V~ 5.5V 입력 전압 범위는 단일 셀 리튬 이온/폴리머 배터리 애플리케이션용으로 최적화되어 있다. 리튬 배터리(공칭 3.6V)로 구동될 때의 효율은 단 580uA 정지 전류와 함께 91%로서 배터리 작동 시간을 극대화하고 있다. 슬루율 제한의 스위칭을 통해 전도 및 방사 노이즈(EMI)를 감소시킨다.
LTC3220의 다중모드 차지 펌프는 저 노이즈의 정주파로 동작하며 LED 전원에 대한 전압에 근거해 자동적으로 효율을 최적화한다. 이 소자는 1x 모드로 전력을 올리며 어떠한 가능한 LED 전원이 드롭아웃에 도달하면 부스트 모드(1.5x)로 자동 전환된다. 그에 이은 드롭아웃의 경우 이 소자는 배가(2x) 모드로 전환된다. 내부 회로를 통해 시동 및 모드 전환 중에는 과도한 돌입 전류 및 과도한 입력 노이즈가 예방된다.
또한 이 소자는 단락 및 열 보호기능을 갖추고 있고 높이가 낮은(0.75mm) 20핀 QFN(3mm x 3mm) 패키지로 공급된다. LTC3219와 유사하게 이 IC는 극소형의 완전한 LED 전원 공급장치와 전류 컨트롤러 솔루션용으로 단 5개의 소형 캐패시터만을 필요로 한다.
LTC3220/-1현재 시장에 공급되고 있는 LED 드라이버에 기반한 범용 차지 펌프로서는 최고의 집적도를 갖추고 있다. 이 제품은 고객들에게 무엇보다도 디자인의 융통성뿐 아니라 양호한 성능까지 제공한다. 이 융통성은 범용으로 프로그램 가능한 LED 전원의 형식이다.
결론
LED는 크기가 작고 수명이 길며 에너지 효율이 높기 때문에 CCFL이든 백열등이든 구형 조명 기술을 지속적으로 대체하고 있다. 그러나 LED의 구성과 입력 소스에 따라 이를 정확하게 구동하는 방식에 있어서 시스템 디자이너들이 해결해야 할 디자인 상의 문제들이 아직은 남아 있다.
그럼에도 불구하고 일차 광원으로 백색 LED를 사용하는 경향은 향후 오랫동안 계속될 것임은 명백하다. 기존의 대안과 비교해 볼 때 이들 제품의 수명이 길고 신뢰도와 효율적인 에너지 변환은 절대로 이 무시할 수 없다. 동시에 이들 제품이 지속적으로 채택되면서 이 제품들에 대해 전원을 공급하는데 필요한 LED 드라이버 IC의 수요가 증가할 것이다. 그러나 리니어 테크놀로지 사와 같은 LED 드라이버 공급사가 존재하는 한 LED 유형과 필요한 성능 변수에 따라 선택할 수 있는 제품은 풍부하게 공급될 것이다.