LED 램프 구현시키는 고집적 IC
- EMC 및 전력 품질 표준 준수 -
파워 인터그레이션스(Power Integrations)는 최근 소형 SO-8 패키지로 공급되는 전원 공급 장치인 IC LinkSwitch TN 제품군을 출시했다. 이 기고문은 표준 램프 하우징의 공간 제약 범위 내에서 EN55022A EMI 표준을 준수하는 이 칩을 사용해 HB LED 램프에 적합한 고성능이면서 저렴한 전기 밸러스트를 위한 설계를 기술하고자 한다.
자료제공│파워 인터그레이션스(Power Integrations)
유럽 및 미국의 규제가 강화됨에 따라 조명 애플리케이션에서 에너지 보존에 대한 관심이 증가하는 추세이다. 이에 따라 백열등이 소형 형광등과 LED 전구처럼 더욱 효율적인 조명 기술로 대체되고 있다. 지난 몇 년 동안 더욱 효율적인 고휘도 백색 LED(HB LED)의 출현은 이러한 기술을 더욱 매력적인 요소로 만들고 있다.
조명 기술을 비교할 때 가장 의미 있는 기준은 발광 효율이다. 즉 램프에 공급되는 전력 와트 당 루멘에서 육안으로 볼 수 있는 스펙트럼으로 생성되는 빛의 양으로 규정된다. 백열 전구 및 할로겐 전구는 이 같은 점에서 매우 취약한데 효율 비율이 15~20Lm/W 범위이다. 50Lm/W 값의 소형 형광등은 일반적으로 더 우수하다. 그러나, 지난 해 HB LED는 이 수치를 훨씬 초과했으며 오는 2012년까지 최대 값 150Lm/W까지 달성할 것으로 기대된다.
더욱 우수해진 에너지 효율과 함께 LED 램프는 장시간의 동작 수명 및 더욱 낮아진 동작 및 유지 등 여러 장점들을 가지고 있다. 이러한 요소들로 인해, HB LED 램프는 앞으로 몇 년 동안 주거 및 상업 용도에 적합한 중요한 제품으로 등극될 수 있을 것으로 기대된다.
새로운 조명 기술의 장점을 활용하는 가장 빠르고 쉬운 방법은 구형장비 개선시장을 통해 기존의 백열 전구와 할로겐 전구를 HB LED 램프로 대체하는 것이다. 이를 위해 HB LED와 필수 구동 전자제품을 AC 메인에서 전력을 공급받는 기존 소켓에 설치되는 표준 램프 하우징에 통합해야 한다. 구동 회로인 전기 밸러스트는 라인 정류, 전압 감소, 조절된 정전류 생성의 기능들을 제공해 LED에 최적의 전력을 공급한다. 물론, 램프 하우징 영역 내에서 물리적 공간 제약은 어려운 설계 문제를 야기시킨다.
백열 대체 제품인 구형장비의 LED 백열 전구가 최근 소개되기 시작했으나 이 제품들도 여러 문제들을 안고 있다. LED 전력 드라이버 회로를 표준 전구 하우징에 맞추기가 까다롭기 때문에, 초기의 일부 LED 백열 전구는 내부 필터링이 존재하지 않았다. 그 결과 이 제품들은 EMC 표준을 통과하지 못하게 될 것이다. 게다가, 대부분의 이 제품들은 스위치 모드 조절 밸러스트보다 비효과적인 커패시터 드로퍼 전원 공급장치를 사용한다.
이 기법은 AC 메인에 전류 불균형을 초래할 수 있어 설치 시 전력 품질 문제를 야기할 수 있다. EMC 규제 및 전력 품질 모두를 준수하는 것은 중요한 문제이며 반드시 고려되어야 한다.
파워 인터그레이션스(Power Integ-rations)는 최근 소형 SO-8 패키지로 공급되는 전원 공급 장치인 IC LinkSwitch TN 제품군을 출시했다. 이 기고문은 표준 램프 하우징의 공간 제약 범위 내에서 EN55022A EMI 표준을 준수하는 이 칩을 사용해 HB LED 램프에 적합한 고성능이면서 저렴한 전기 밸러스트를 위한 설계를 기술하고자 한다.
설계 목적
이 설계는 형식 전류 300mA로 3가지의 HB LED(10W 표준 백열등과 동급) 스트링에 전력을 공급할 수 있도록 고안되었다. 정상 동작에서 출력 전압은 직렬 LED의 순방향 전압 강하까지 약 9.5Vdc에서 클램프되나 이 회로는 최대 12Vdc를 준수해 다이오드 성능을 변화시킨다.
토폴로지는 스위치 모드 정전류 오프라인 벅 레귤레이터이며 85~265Vac 일반적인 입력 범위 및 47~64Hz의 라인 주파수에서 동작할 수 있다. 다른 목적들에는 고 효율, 저비용, EN55022A EMI 요구조건 준수 등이 포함된다.
설계는 표준 램프 하우징 즉 스크류-인 에디슨(Screw-In Edison)이나 꽂는 할로겐 구성으로 통합될 수 있으므로 기존 램프 내에서 편리한 구형 장치를 가능케 한다. 설계(레퍼런스 설계 킷트 131)는 새로운 HB LED 램프 제품용 시장 출시 시점을 최소화하도록 설계 툴 및 애플리케이션을 보조함으로써 완벽한 지원 기능을 지닌다.
EMI 고려사항
파워 인터그레이션스는 시장에 출시된 수많은 LED 백열 전구 설계가 공간 및 비용 제약 때문에 전도성 EMI 스펙을 준수하지 않는다는 것을 알아냈다. 그러나 이 기고문의 설계는 파워 인터그레이션스의 LinkSwitch-TN 전력 변환 IC에 통합된 주파수 지터 기능의 이점을 활용하는데 이는 더 작은 EMIC 필터가 사용될 수 있음을 의미한다.
설계 세부사항
파워 인터그레이션스의 Link-Switch-TN LNK306DN 고집적 전력 변환 IC는 완전히 통합된 700V 파워 MOSFET을 포함한다. 따라서 외부 전력 디바이스가 필요 없다. 오프라인 비절연형 벅 토폴로지는 연속형 전도 모드에서 최대 주파수 66KHz에서 동작한다. 이 주파수는 4KHz 피크 투 피크 주파수 지터로 변조되어 EMI 필터의 설계 요건을 단순화시켜준다.
이 설계에서 벅 토폴로지가 사용된다고 하더라도, 이 IC는 벅-부스트 컨버터로 구성될 수 있다. 결정적으로, Link-Switch-TN LNK306DN는 소형 SO-8 패키지로 제공된다. 이것은 애플리케이션에 적합한 기계적 설계에 주요한 장점이다.
컨버터 및 EMI 필터 모두를 위한 회로도는 그림 1에 제시되어 있다. 전류 제어 루프는 전류 센싱 레지스터 R8 및 R10에 대해 전압 하강에 기반해 원하는 정전류 값을 설정한다. 명목상 설계는 300mA의 전류를 위한 것인 반면, 최대 360mA까지 출력 전류를 쉽게 수용할 수 있다. Q1 및 Q2는 감지된 전압 강하를 증폭시킨다.
더욱 낮은 저항 전류 센싱 레지스터는 소비 전력을 최소화하기 위한 목적을 위해 사용될 수 있다. EMI 필터는 PI 토폴로지를 활용하며 과부하 보호를 위해 가용성의 내화성 레지스터 RF1을 포함한다.
25개의 부품은 컨버터 및 EMI 필터 두 가지 모두를 위해 설계에서 필요하며 PCB와 인터커넥트는 배제된다. 설계를 위한 완벽한 부품 리스트는 참고 자료에서 찾아볼 수 있다.
이 애플리케이션을 위한 전기적 설계는 검증된 변환 IC의 경우 분명히 전통적이다. 가장 커다란 문제는 기계적 설계인데 특히 컨버터와 EMI 필터를 표준 램프 하우징에 통합시키는 것이다. 그러나, 이 설계는 스크류-인 에디슨 베이스(E27)나 꽂는 할로겐 소켓(GU 10)에 잘 맞는다(할로겐 꽂는 소켓에 대한 크기는 그림 2에 제시되어 있다).
설계 과정 초기에서는 컨버터 및 EMI 필터용으로 모든 부품을 실장할 정도로 큰 원형 PCB는 램프 소켓 베이스에 맞지 않을 것이라는 점이 분명해졌다. 따라서, 설계를 2개의 원형 PCB로 분할시켜야 한다. 2개의 원형 PCB 중 하나는 컨버터 회로를 위한 것이고 또 다른 하나는 EMI 필터를 위한 것이다. 컨버터 보드의 최종 지름은 19.66mm 반면 EMI 필터 보드의 직경은 16.91mm이다. 이러한 보드는 그 다음 적층되며 어셈블리를 완성하기 위해 개별적인 유선으로 인터커넥트 된다.
이 설계가 기능적이라고 해도 여전히 전도성 방출과는 관련된 문제가 있다. 2개의 PCB의 근접성 때문에 EMI 필터 보드에 컨버터 보드로부터 스위칭 전류의 커플링이 존재하므로 EMI 필터 성능을 손상시킨다. 이 상황은 다른 2개의 보드 사이의 "쉴딩(Shielding)" PCB가 포함됨으로써 해결된다.
세 번째 보드는 회로 가없는 단순한 쿠퍼 계층이다. 이것은 EMI 필터의 네거티브 출력과 네거티브 입력의 접합을 컨버터 보드에 전기적으로 연결된다. 그 다음 최종 어셈블리는 3개의 원형 보드의 스택으로 구성된다. 간단하고 저렴한 추가 방식은 커플링 문제를 해결하고 요구되는 EMI 성능의 결과를 달성시킨다.
성능
레퍼런스 설계는 모든 설계 목적을 준수한다. 120Vac 명목 입력 전압을 사용할 때, 회로 효율은 62% 이상이다. 효율은 220/240Vac 입력 전압을 이용해 56% 이상이다. 전도성 EMI 특성화는 EN55022A 제한을 기반으로 한 쿼지-피크 및 평균 판독 모두를 사용한 115Vac 및 230Vac 입력 모두에서 실행된다. 최악의 구성은 230Vac 입력이며, 여기서 회로는 7dB의 마진으로 통과된다. 마진은 115Vac 입력에서 더욱 높다. 추가적인 EMI 플롯은 정상적인 동작 및 스타트 업 기간 동안 동작 파형과 함께 레퍼런스 테스트 기록에 포함된다.
요약
물리적 제약에도 불구하고 HB LED 전구용 고성능 전기 밸러스트를 표준 램프 하우징에 저렴한 비용으로 완벽히 통합하면서도 EMI 및 전력 품질 표준을 준수할 수 있다. 설계는 애플리케이션 노트, 설계 툴, 새로운 LED 조명 마이크로사이트로 폭넓게 지원된다.
RDK-131 레퍼런스 설계의 이용을 통해 새로운 HB LED 조명 제품들이 신속하게 시장에 출시될 수 있으며 중요한 EMI 문제를 해결할 수 있는 현재의 제품 부족 현상을 완화시킬 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 07월호>