간단하고 효율적인 HBLED 제어

HBLED는 이미 백열등과 할로겐 램프를 능가했으며, 더욱 오랜 시간의 수명, 우수한 신뢰성, 소형 크기를 비롯해 더욱 뛰어난 저열 특성을 제공한다. 게다가, LED는 유독한 가스나 필라멘트를 포함하지 않은 고체형 디바이스이다. 다양한 조명 애플리케이션들에 HBLED가 채택되면서, HBLED는 전세계에서 가장 급속하게 성장하고 있는 조명원으로 자리잡고 있다.

                                                                   글│피터 그린(Peter Green), 인터내셔널 렉티파이어

다양한 조명 애플리케이션들에 HBLED(High-Brightness Light-Emitting Diodes)가 채택되면서, HBLED는 전세계에서 가장 급속하게 성장하고 있는 조명원으로 자리잡고 있다. 오늘날의 최첨단 디바이스로 불리는 HBLED는 35~50lm/W(Lumens-per-Watt) 범위에서 조명 효율을 자랑한다. 프로토타입 디바이스들은 100lm/W 이상을 발광한다.

HBLED(High-Brightness Light-Emitting Diodes)

현재 기술 동향은 LED의 지속적인 기술 발전이 형광등보다 더욱 우수한 조명 효율울 갖춘 디바이스를 생산할 수 있으며, HID 램프 출력과 필적하게 될 것이라는 것을 제시한다. HBLED는 이미 백열등과 할로겐 램프를 능가했으며 더욱 오랜 시간의 수명, 우수한 신뢰성, 소형 크기를 비롯해 더욱 뛰어난 저열 특성을 제공한다. 게다가, LED는 유독한 가스나 필라멘트를 포함하지 않은 고체형 디바이스이다.
설계자들은 건축물 조명, 거리 조명, 장식용 조명, 신호를 비롯해 고기능 TV 및 모니터용 백라이트에 HBLED를 점점 사용하고 있다. 이러한 애플리케이션들은 AC 라인이나 DC-전압 전원에서 레귤레이트된 DC 전류를 끌어내야 한다.

IRS2540 제어 IC

인터내셔널 렉티파이어의 IRS2540 제어 IC는 비 절연형 애플리케이션을 위한 정전류 소스를 구현한다. 예를 들어, 이러한 애플리케이션에는 저전압 절연 전원 공급장치가 이미 존재하는 곳이거나 클래스-2 고정물이 접근할 수 없는 위치에서 LED를 탑재하는 곳이 포함된다. 교통 신호 등의 경우도 해당한다. 배열은 형광 램프 혹은 HID 램프를 위한 전기적 밸러스트와 유사하다. 일반적으로 전기적 절연(Galvanic Isolation)을 제공하지 않는다.
벅 컨버터는 입력 전압이 출력 전압보다 상당히 큰 애플리케이션에 적당하다. 여기에는 대부분의 신호, 장식용, 건축용 조명이 포함된다. 일반적인 배열은 직렬로 연결된 LED 스택을 사용해 모든 디바이스를 통해 동일한 전류를 보장한다(그림 1). 직렬 연결은 병렬 스트링에서 동일한 전류를 유지하기 위해 필수적인 추가적인 회로를 피하게 한다. 그럼에도 불구하고, 대규모 배열은 단일 직렬 스택에 대한 순방향 전압이 이용할 수 있는 준수 전압이나 컨버터의 최대 동작 전압을 초과할 경우 병렬 스트링을 요구한다.

일반적인 LED 오류 모드

가장 일반적인 LED 오류 모드는 단락 회로이다. LED가 직렬 스트링으로 고장날 때, 다른 것들은 모두 정상적으로 계속 작동할 것이다. 그러나 병렬식에서 LED 오류는 남아있는 LED가 동작하는 것을 막는다. 직렬 LED를 위한 혼합 순방향 전압 하강은 온도와 LED 색상을 변경시킨다. 순방향 전압은 생산시 광범위한 톨러런스를 가지고 있다.

디밍(Dimming)

수많은 애플리케이션은 디밍(Dimm-ing)을 필요로 한다. 주요한 색상의 LED 결합은 각 색상의 강도를 조절함으로써 스펙트럼에서 어떠한 색상이라도 창조할 수 있으며, 디스플레이 조명, 신호, 무드 조명을 위해 다양한 가능성을 실현시킨다. IRS2540에 기반한 벅 레귤레이터 시스템은 로직-레벨의 PWM 제어 신호에서 전체 범위에 대해 디밍 효과를 가져올 수 있다.

저주파수 PWM 신호는 버스트 모드에서 컨버터를 구동함으로써 평균적인 LED 전류를 변경시키며, 조명 강도를 변화시킨다(그림 2). 전류 변조와 다르게, PWM은 LED의 색상을 변경시키지 않으면서 디밍 효과를 달성한다. PWM 주파수는 가시적인 플리커(Flicker) 현상을 막을 수 있기에 충분하다.
HBLED는 건축가, 설계자, 지정자, 제조업체들이 결코 가능하지 않았던 조명 효과를 창조할 수 있게 하며 극장, 스튜디오, 나이트클럽, 식당을 비롯해 화려한 조명이 필요한 장소를 위해 조명 기구를 설계할 수 있다. 디지털 장면 제어 및 DMX512와 같은 프로토콜은 극적이면서 동적인 조명 디스플레이를 위한 방법을 제공한다. IRS2540은 마이크로컨트롤러 기반의 디밍 회로와 간단한 인터페이스를 가능하게 하는 이러한 애플리케이션에 알맞다.

LED 조명원 장점

LED 조명원은 조경 및 실외 조명에 당연히 알맞으며, 장시간의 수명을 제공해 백열등이나 형광등에 비해 유지 비용이 절감된다. LED는 습기에도 덜 민감하다. 기존의 전구와 다르게, LED는 험하게 다뤄질 때에도 파열될 수 있는 깨지기 쉬운 부품이 없다. 유연한 디지털 제어 시스템은 내부 애플리케이션으로 동작할 때 기하급수적인 조명 효과를 생성할 수 있다. 조명 회로도는 새로운 시스템의 배선을 바꾸거나 설치하지 않고도 변경할 수 있다.
조명 설계자는 오랜 수명, 견고함, 유연성, 소형 크기, 에너지 효율을 위해 고전력 LED 로 점점 관심을 보이고 있다. 조명 설계자들은 불과 몇 년 전에 1, 3, 5W/패키지로 이용 할 수 있었던 LED 제품 보다 이제 대형 LED에 다가서고 있으며 이 LED 제품들은 최대 1.5A 전류에서 동작한다.
유동적인 고측 드라이버를 통합함으로써, IRS2540은 LED 전류를 지속적으로 모니터할 수 있는 전류-센스 회로도를 사용할 수 있다(그림 3). 다른 컨트롤러는 벅-컨버터 스위치가 켜져 있을 동안만 전류를 모니터하기 때문에 제한적이다. 이 같은 특징은 IRS2540이 피크-전류 제어와 반대되는 평균-전류 제어를 실현할 수 있게 하며 설계 제한 없이 더욱 폭넓은 라인 및 부하 범위에서 동작하는 안정적인 조절을 제공한다.

시간 지연형 히스테릭-제어 기법

컨버터 IC는 자사의 특허 받은 시간 지연형 히스테릭-제어 기법으로 전류를 정확하게 조절한다. 전체 시스템은 간단하고 유연성이 높으며 DC 버스에서 LED에 전력을 공급하거나 정류 AC 라인에서 직접 LED에 전력을 공급할 수 있다. 전류를 정확하게 제어하는 과정은 각 LED의 순방향 전압이 대규모 제조 톨러런스를 가지고 있을 때 어려운 과제가 된다.
예를 들어, 루미레드(Lumiled)의 보급형 Luxeon III 에미터의 경우, 순방향 전압 VF은 제조업체의 데이터시트 당 백색, 녹색, 청색을 위해 3.03~4.47V에 해당하는 3.70V의 공칭 전압 주변에서 변화한다. 약간의 비대칭적인 톨러런스는 700mA에서 디바이스의 순방향 전압의  -18%, +20%의 편차를 가능하게 한다. VF은 또한 2mV/℃의 (-) 온도 계수로 온도에서 변화된다. 100℃에서, 이것은 또 다른 0.15V 전압 변경이다. 다중 LED의 일반적인 스트링은 이러한 편차를 더욱 확대시켜, 중간에서 높은 버스 버스 전압을 필요로 한다.
IRS2540은 원래 안정적인 간단한 설계로 정확한 전류 제어를 달성하며 복잡한 회로 분석을 필요로 하지 않는다. 이 방법은 연속적인 전류 모드를 사용하기 때문에, 설계는 하드 스위칭 기간 동안 압력을 감소시켜야 한다. 이 방법은 제어 회로 지연을 조절함으로써 간단하게 달성한다. 설계의 피크 전류는 피크-전류 제어-모드 토폴로지에서 더욱 작아진다. 그 결과, LED 컨버터는 더욱 소형의 더욱 효율적인 MOSFET 스위치와 소형 인덕터를 사용할 수 있다.

제어 회로 지연

제어 회로 지연은 인덕터에서 전류 리플을 유발시킨다. 그러나 부하와 병렬인 출력 커패시터는 리플 전류를 감소시킨다. 출력 커패시터는 전류 피드백에 대한 지역을 추가함으로써 주파수를 감소시킨다. 전류 피드백은 스위칭 손실을 감소시킴으로써 시스템의 효율을 향상시킨다. 과부하 및 단락 회로 방지는 이 구성에 원래 내장되어 있다. 개방형-부하 보호 및 PWM 디밍을 구현하는 것 또한 쉽다.
고전압 LED 컨버터 IC의 2가지 형태는 200V(IRS2540) 및 600V(IRS2541) 만큼 높은 순방향 전압으로 LED 스트링을 구동시킨다. 이 설계는 175KHz에서 85% 보다 더 높은 효율을 달성한다(그림 4). 이 컨버터는 50% 이상의 안정성 문제 없이 100%까지 PWM 듀티 싸이클에서 작동하며 이 때 피크-전류 제어형 시스템에서 발생할 수 있다.

결론

LCD TV, 모니터, 랩톱 디스플레이, 다양한 주문형 크기의 패널 제조업체들은 현재 CCFL(Cold-Cathode Fluorescent Lamp)을 실질적인 혜택을 제공하는 LED 백라이트 소스로 대체하고 있다. LED 기반 백라이트 시스템은 재현 가능한 색상 범위를 45% 만큼 확대시킨다.
LED 기반 시스템은 겨우 65~75%만 재현하는 최고의 CCFL 리트(Lit) LCD TV와 비교해 NTSC 색상 공간의 105%의 재현을 이미 달성했다. CRT(Cathode-Ray Tube) 디스플레이조차도 LED 기반 시스템의 색상 재현과 휘도를 따라잡을 수 없다. LED 기반 시스템은 더욱 우수한 정확도를 갖춘 이미지를 재현할 수 있는 역동적인 튜닝의 잠재력을 보유하고 있다.


<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 05월호>