LED 백라이트 및 기타 고전력 LED
애플리케이션을 위한 향상된 전류 제어
백라이트가 LCD 디스플레이의 에너지 소비, 영상 충실도, 수명에 중대한 영향을 미친다. LED 백라이트 어레이가 이러한 측면 및
그 밖의 측면에서 향상된 성능을 제공하지만 빛의 세기, 색 밸런스, 열 소산을 안정화시키기 위해서는 기존의 전류 제한 저항의
성능을 뛰어넘는 LED의 향상된 전류 제어가 필요하다. 이 글에서는 시간 지연 히스터리시스 전류 제어라고 하는
새로운 기법에 대해 설명하려고 한다. 이 기법은 정밀하고 융통적이며 모노리딕 IC로 구현해서 정격이
최대 5W 및 1.5A인 LED를 제어하도록 할 수 있다.
글│Peter Green, Odile Ronat, International Rectifier Corp.
오늘날 평면 패널 디스플레이가 가전 및 전문가용 전자 제품 시장을 장악하고 있으며 많은 분야에서 다중의 동작 모드, 표시 데이터, 고해상도 그래픽, 풀 모션 동영상, 고품질 정지 영상 등을 지원하기 위해 필요하다. Lumileds의 최근의 연구에 따르면 이들 모드 각각이 최적의 영상 품질을 제공하기 위해 각기 다른 백라이트 특성을 필요로 하는 것으로 나타났다.
예를 들어 PC 윈도우즈 애플리케이션을 실행할 때는 백라이트의 최적의 색온도가 9600K인데 반해 영화를 표시할 때는 6500K대의 더 따듯한 광이 적합하다. 백라이트의 특성은 기존의 CCFL이 아니라 LED 어레이를 이용할 때 제어하고 최적화하기가 더 용이하다. 또한 LED가 CCFL 어레이와 비교해서 잠재적으로 전력 절감을 가능하게 하고 열 발생을 줄이고 더 긴 수명을 제공하며 인버터를 필요로 하지 않음으로써 전기 디자인을 간소화하고 가청 잡음을 감소시킨다.
LCD 패널의 LED 백라이트가 적색, 녹색, 청색 LED로 이루어져서 백색 광을 발생시키고 이것이 도광체와 효율적으로 결합해서 백라이트를 발생시킨다. 이들 각각의 색상의 출력을 조절해서 디자이너가 백라이트 특성을 조절함으로써 더 넓은 색 재현율, 더 우수한 색온도 제어, 우수한 파장 및 휘도를 달성할 수 있다. 이러한 유연성을 이용해서 더 생생한 화면을 제공하고 사용자 만족도를 향상시킬 수 있다.
HB-LED 백라이트의 전력 요구
각각의 LED가 발생시키는 빛의 밝기와 색이 LED로 흐르는 전류와 직접적으로 연관되므로 LED 백라이트를 최대한 활용하기 위해서는 전류를 엄밀하게 제어할 수 있어야 한다. 이는 전류 제한 저항의 전통적 기법을 이용해서는 달성하기가 어렵다. 특히 백라이트 애플리케이션에 이용되는 고휘도 LED(HB-LED)가 포워드 전압 드롭에 있어서 변동이 심할 수 있기 때문이다. 예를 들어 Lumileds Luxeon III 데이터시트에 따르면 공칭 3.70V인 포워드 전압(VF)이 3.03V에서 4.47V까지 변동될 수 있다. 온도에 따른 변동 또한 발생할 수 있다. 예를 들어 Lumileds Luxeon II 유형의 경우 VF의 온도 계수가 -2mV/℃이다.
LCD 백라이팅 애플리케이션을 위해 Lumileds Luxeon DCC 어레이를 이용한다고 하자. 이들 각각의 어레이가 각각의 색상으로 하나 이상의 직렬 연결 Luxeon LED 스트링으로 이루어진다. 이러한 모델의 하나로서 LXHL MGEA는 그림 1에서 보듯이 2개의 5개 적색 LED 스트링, 2개의 11개 녹색 LED 스트링, 2개의 4개 청색 LED 스트링으로 이루어진다.
전원장치를 위해서는 적색, 녹색, 청색 스트링에 일정한 전류를 제공하고, 광 출력 특성을 최적화할 수 있도록 조절이 가능하고, 스트링의 최대 포워드 전압 사양을 충족할 수 있는 각각의 채널이 요구된다. LXHL MGEA 어레이의 녹색 스트링의 경우에는 이 요구가 최소한 40.5V의 버스 전압(VBus)에 안전성 마진을 더한 것을 의미한다.
그러한 스트링의 전류를 순수하게 저항을 이용해서만 제어해야 한다고 한다면 VF의 제조 상의 변동뿐만 아니라 온도에 관련된 변동이 동작 효율을 손상시킬 수 있으며 이것이 LED 백라이트의 오동작을 야기할 수 있다. 예를 들어 VF가 공칭 3.7V인 6개 HB-LED를 이용하고 24VDC 버스로부터 전력을 공급받고 2.57Ω 저항에 의해 안정화되는 스트링의 경우 750mA를 소비하며 92.5%의 전반적 효율로 동작할 수 있다. 하지만 LED가 최소 VF를 나타내고 전류가 2.4A로 상승하면 효율이 76%로 저하된다. 반면에 최대의 VF에서는 HB-LED 스트링의 누적 전압 드롭이 VBus보다 높아지고 그럼으로써 HB-LED가 턴온되지 않을 수 있다.
정전류 제어
그보다 더 효율적이고 정밀한 솔루션이 그림 2에서처럼 고전압 DC-DC 벅 컨버터를 이용하는 것이다. 이 솔루션은 버스 전원 전압 Vbus와 HB-LED 스트링 사이의 사이드 스위치 또는 MOSFET과 HB-LED와 접지 사이의 검출 저항을 포함한다. 이 구성이 플로팅형 하이 사이드 스위치를 필요로 하며 부하 전류를 지속적으로 모니터링하고 직접적으로 안정화할 수 있도록 한다.
정상적인 동작이면 출력 전류가 IFB 상에 존재하는 피드백 전압(공칭 0.5V)을 통해 안정화된다. VIFB가 전압 레퍼런스(VIFBTH)보다 낮으면 하이 사이드 MOSFET이 온이 되고 HB-LED가 DC 버스로부터 전력을 공급받는다. 동시에 에너지가 공진 회로(L 및 C)에 저장되고 IFB 상의 전압이 상승한다. IFB의 전압이 임계 VIFBTH에 도달하면 고유의 회로 고정 시간 지연 후에 하이 사이드 MOS-FET이 턴오프된다.
그러면 회로가 앞서 HB-LED를 구동하기 위해 저장했던 에너지를 방출하기 시작하고 IFB의 전압이 고정 임계값에 도달할 때까지 감소한다. 그러면 MOSFET이 다시 턴온되어야 한다. 하지만 고유의 고정 회로 지연으로 인해서 MOSFET이 실제로 온이 되기 전에 VIFB가 임계값 아래로 떨어지고 시스템이 이 사이클을 반복하기 시작한다.
이 고정 시간 지연을 이용해서 회로 연속 스위칭이 HB-LED를 통과하는 전류를 VIFBTH(공칭 0.5V)와 RCS 검출 저항 사이의 비율로 계산할 수 있는 평균값 IOUT(AVG)로 안정화할 수 있다. 그럼으로써 L 및 C의 출력 공진 회로 조합이 충분히 높아서 IFB 상에서 낮은 리플(대략 0.1V 미만)을 유지할 수 있다. 그림 3a 및 그림 3b의 그래프는 시간 지연 히스터리시스 전류 제어를 이용해 달성할 수 있는 IOUT(AVG)의 변동이 매우 낮다는 것을 보여준다. 40V~170V 입력 전압 범위의 버스 전압을 이용해 동작해서 1400mA일 때 안정화가 ±0.3% 이내이고, 15V~30V 범위를 이용해 1400mA일 때 ±0.1% 이내라는 것을 알 수 있다.
이 기법이 또한 피크 전류를 제한함으로써 소형 MOSFET 및 소형 인덕터를 이용할 수 있도록 한다. 그 결과로서 정밀하고 효율적인 제어 솔루션을 제공하므로 개발자가 차세대 HB-LED 백라이트 기술을 이용해서 LCD 디스플레이의 품질 및 범용성을 향상시킬 수 있다.
또한 중요한 점으로서 이 기법이 정주파수 오실레이터가 불필요하도록 한다. IC가 지속적으로 부하 전류를 임계값과 비교해서 그에 따라 MOSFET을 스위칭하기 때문이다. 이 주파수가 Free Run-ning 방식이며 L, C, 입력 및 출력 전압에 따라 달라진다. 그러므로 이 회로가 제조 허용오차 및 온도 편차를 보정할 뿐만 아니라 넓은 범위의 입력 및 출력 전압과 다양한 HB-LED 스트링 또는 어레이 구성을 수용할 수 있다.
백라이트 이외 분야에서의 HB-LED 제어
모노리딕 IC로 연속 모드 시간 지연 히스터리시스 벅 안정화기를 구현함으로써 고전력 LED의 정전류 제어를 위한 단일칩 솔루션을 제공할 수 있다. IRS2540 및 IRS2541은 각각 200V 및 600V의 공칭 전원 전압으로 동작한다. 이들 디바이스가 DC 버스로 구동되는 것이든 아니면 직접적으로 AC 라인으로 구동되는 것이든 고전력 LED 스트링을 위해 정밀한 전류 안정화를 제공함으로써 표준형 컨버터와 비교해서 크기와 비용을 모두 절약할 수 있도록 한다.
IRS2540/1에 이용된 것과 같은 시간 지연 히스터리시스 전류 제어가 LCD 패널의 백라이팅에만 국한되지 않고 그 외의 다수 애플리케이션에서도 차세대 HB-LED의 광 강도, 동작 모드, 색 특성을 제어하기에 적합하다. HB-LED가 현재 최대 5W 및 1.5A로 동작하도록 나오고 있으므로 디자이너들이 표시등, 건축 조명, 장식 조명, 엔터테인먼트, 자동차 조명 등을 위해 LED 기술 고유의 이점을 활용할 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 03월호>