휴대용 디바이스의 백라이트 전력 공급
휴대폰, PDA, 네비게이션 시스템 및 휴대용 게임 같은 휴대용 디바이스는 모두 백라이트가 필요한 작은 LCD 디스플레이를 갖추고 있다. 백라이트는 조명 키패드와 기타 표면 조명을 위한 휴대용 장치에도 사용된다. 이 글에서는 현재 백라이트 기술 및 그 트렌드를 중점적으로 다루고 있다. 새로운 배터리 기술, 백라이트 드라이버 제어 방법 및 RGB 백라이트를 포함한 백라이트 설계 문제를 자세히 살펴본다.
글│Tomi Koskela, 내셔널 세미컨덕터
휴대폰, PDA, 네비게이션 시스템 등과 같이 사용자 인터페이스가 있어야 할 대부분의 휴대용 전자 제품은 백라이트가 필요한 소형 LCD 디스플레이를 갖추고 있다. 고해상도 사진, 비디오 및 웹 탐색 기능으로 인해 핸드셋과 기타 휴대용 장치의 디스플레이 이용 시간이 증가되었다. 미디어 액세스 기능이 있는 디바이스의 고품질 디스플레이에 대한 수요는 점차 증가하고 있다.
이로 인해 드라이버에 사용되는 백라이트 LED에서 문제가 발생하게 되었다. 현재 백색 백라이트 LED가 시장을 독점하고 있지만 향후에는 새로운 RGB 백라이트가 디스플레이의 색조를 개선하게 될 것이다.
오늘날의 트렌드에서, 특히 휴대폰에 사용되는 키패드 백라이트와 기타 표면 조명은 사용자를 위한 디바이스를 개인화하는 데 사용된다. 디스플레이 조명 및 키패드 백라이트에 대한 여러 요구 사항이 있으며 이는 이러한 LED가 구동되는 방식에 영향을 미친다.
LED와 리튬-이온 배터리 기술의 변화는 백라이트 드라이버 설계에 적지 않은 영향을 주게 될 것이다. 휴대용 장치에서 LED 수의 증가로 인해 LED 드라이버에 대한 새로운 문제가 발생한다. 휴대용 장치에서 백라이트를 구동하는데 있어 가장 일반적인 문제는 전력 효율, 제어 인터페이스/프로그래밍 기능, 제품 크기, EMI 및 시스템 비용이다.
밝기 제어
백라이트 LED의 밝기는 PWM(Pulse Width Modulation) 또는 일정한 전류 공급을 통해 제어할 수 있다. PWM 밝기 제어는 LED 구동에 사용되는 정전류 드라이버가 필요하지만 원하는 밝기를 얻기 위해 온/오프 시간이 제어된다. 이로 인해 정전류를 직접 제어하는 방식보다 PWM 방식을 약간 더 복잡하게 만드는 원인이 된다.
정전류 제어의 장점은 EMI를 낮추는 연속적인 스위칭이 없다는 것이다. 단점은 밝기를 조절할 때 LED 컬러 스펙트럼이 이동한다는 점이다. LED 제조업체는 특정 그룹화 전류로 LED를 그룹화하고 이 소위 그룹화 전류로 사양을 보증한다. 전류가 그룹화 전류에서 이동하면 LED 밝기가 지정된 것보다 더 많이 변화한다. 이는 특히 매우 낮은 전류가 사용될 경우, 백라이트 LED 간 밝기의 차이로 볼 수 있다.
PWM를 사용한 밝기 조절은 전체 범위를 통해 선형화되며 밝기가 조절되면 색상은 변하지 않는다. 그러나 PWM 스위칭은 EMI 및 가청 노이즈를 생성할 수 있다. 가청 노이즈는 세라믹 커패시터의 압전 효과에 의해 발생한다. X5R, X7R 및 이와 유사한 커패시터는 압전 물질인 티탄산바륨의 유전성을 갖고 있다.
가청 노이즈를 제거하기 위해서는 PWM 주파수가 사람의 귀에 들리지 않을 정도(예: 20kHz)로 높아야 한다. 애플리케이션에서 커패시터와 PCB가 공명하지 않을 만큼 낮지만 플리커 현상이 나타나지 않을 정도의 주파수(예: 250Hz)를 사용하는 것 또한 하나의 대안이다. PWM 제어의 상승/하강 에지 속도를 제어하면 EMI를 약간 낮추어 줄일 수 있다.
백라이트 드라이버 토폴로지
드라이버 토폴로지는 병렬과 직렬 형태로 나눌 수 있다. 병렬 구동은 특히 각 LED를 개별적으로 제어할 경우에 사용된다. 모든 LED는 병렬 드라이버를 사용하여 LED 전류 사이에 약간의 불일치가 있을 수 있는 동일한 밝기여야 한다. 그러나 최신 드라이버를 사용하면 일반 LED 밝기 공차가 출력 전류의 불일치 값보다 훨씬 크기 때문에 전류 불일치는 무시할 수 있다.
백라이트 LED가 직렬로 연결되면 같은 전류가 모든 LED를 통해 흐르므로 LED 전류는 완벽하게 일치한다. 드라이버에서 각 LED까지 개별적으로 추적할 필요가 없기 때문에 PCB 라우팅이 직렬 구동으로 훨씬 간단해진다.
여러 LED에서 드라이버 출력의 포워드 전압을 고려하기 때문에 직렬 구동을 사용하는 LED 드라이브 효율성은 병렬 구동보다 약간 향상된 것으로 간주할 수 있다. 리튬-이온 배터리에서 여러 개의 직렬 LED를 구동할 수 있는 전압을 얻으려면 직렬 구동에 고전압 부스트 컨버터(예: 20V)가 필요하다.
LED 구동의 가장 일반적인 방법은 로우 사이드 드라이버 출력을 사용하는 것이다. 여기서 LED 출력 핀은 일정한 전류 싱크 역할을 한다. 이 경우 LED 출력과 공급 전압은 LED에 대한 별도의 라우팅이 필요하다.
LED 출력 핀이 전류 소스인 하이 사이드 드라이버를 사용하면 LED 핀만 라우팅해야 하고 LED 음극은 GND에 직접 연결된다. 보통 PCB에는 GND 면이 있으므로 별도의 라우팅이 필요하지 않다. 다른 구동 방법의 예는 그림 1과 같다.
백색 LED 및 배터리 기술
휴대용 장치는 일반적으로 충전에 따라 2.8…4.3V 사이의 전압을 갖는 단일 셀 리튬-이온 배터리로 구동된다. 백색 LED 포워드 전압은 일반적으로 3.5V이다. 따라서 단일 셀 리튬-이온 배터리 전압은 LED를 구동하기에 항상 충분한 것은 아니므로 스텝-업 DC-DC 컨버터가 필요하다.
컨버터는 컨덕티브(충전 펌프) 또는 인덕티브(인덕터 부스트)가 될 수 있다. 충전 펌프는 일반적으로 소형이기 때문에 병렬 LED 드라이버에 사용된다. 충전 펌프 기술로는 높은 출력 전압을 달성할 수 없기 때문에 인덕터 부스트 컨버터는 고전압 직렬 LED 드라이버에 사용된다. 컨버터 출력 전압은 LED 포워드 전압 검출을 기반으로 자동(적응성)으로 조정하거나 사용자가 LED 포워드 전압 사양을 기반으로 일정한 전압을 설정할 수 있다.
미래의 새로운 리튬-이온 배터리와 LED 기술은 LED 구동에 대한 새로운 과제를 제시한다. 새로운 화학 업계에서 배터리 전압 범위는 약 2.3V...4.7V가 된다. 일반적인 백색 LED 포워드 전압은 약 2.9V로 떨어진다. 동시에 출력 드라이버 포화 전압도 떨어진다.
드라이버에서 너무 많은 전력을 소모하지 않고 2.9V LED를 효율적으로 구동하려면 병렬 구동 시 LED에 벅 부스트형 컨버터를 사용하여 전압을 공급해야 한다. 그림 2는 배터리, 드라이버 및 LED 기술 발전의 효과를 보여준다.
RGB LED 백라이트
일반적으로 소형 패널 LCD 디스플레이 백라이트는 몇 개의 백색 LED로 구현된다. 그러나 백색 LED의 문제는 해당 스펙트럼이 사진 재현에 적합하지 않다는 것이다. 그 이유는 백색 LED가 기본적으로 상단이 노란 형광색으로 되어 있는 파란색 LED이기 때문이다. 스펙트럼에는 파란색에 하나, 노란색에 하나 등 두 피크가 있다. 그림 3은 일반적인 백색 LED 대 RGB LED 스펙트럼을 나타낸다.
LCD 디스플레이의 픽셀은 세 가지 주요 색상인 빨간색, 녹색 및 파란색 셀로 나뉜다. 픽셀 색상은 세 가지 주요 색상을 혼합하여 정의된다. 각 색상 셀에 올바른 색상을 필터링하기 위해 컬러 필터가 사용된다.
색상 필터는 광학적 전력의 많은 부분을 소비하며 색상 필터링 후에도 LCD를 통과하는 컬러 스펙트럼은 적합하지 않다. 백색 LED 백라이트를 사용하면 LCD 디스플레이에 대한 NTSC(National Television Standards Committee) 컬러 범위를 최대 75%까지 생성할 수 있다(기존 LCD 디스플레이의 빨간색 끝은 특히 제한됨).
LCD 디스플레이 백라이트에 RGB LED를 사용하면 NTSC 컬러 범위를 100% 이상 재현할 수 있도록 조정하여 더 밝은 컬러와 향상된 사진 품질을 얻을 수 있다. 최적화된 컬러 필터를 사용하면 백색 LED 백라이트에서보다 전력 소모량이 줄어든다. LCD 디스플레이 구조는 그림 4에서 볼 수 있다.
드라이버는 백색 포인트 이동을 방지하기 위해 LED 온도가 변할 때 RGB 백라이트를 사용하여 주요 색상인 빨간색, 녹색 및 파란색의 밝기 균형을 수정해야 한다. 드라이버는 작동 온도에 관계 없이 지속적으로 밝기 농도를 올바르게 조정해야 한다.
보정은 폐쇄 루프 또는 개방 루프가 될 수 있다. 폐쇄 루프 보정을 사용하면 백색 포인트 및 농도 측정에 광학적 센서가 사용된다. 개방 루프 보정을 사용하면 온도가 측정되고 미리 정의된 보정 곡선은 밝기 균형을 조정하는데 사용된다.
RGB 백라이트 드라이버의 예는 개방 루프가 보정된 LED 드라이버인 내셔널의 LP5520이다. 개방 루프 컬러 보정의 원리는 그림 5에서 볼 수 있다. 온도 보정 곡선은 애플리케이션에서 사용되는 실제 RGB LED 유형에 대해 측정되며 이러한 곡선은 칩의 내부 EEPROM 메모리에 프로그래밍된다. 칩은 LCD 디스플레이 모듈에 통합되며 모듈 제조업체는 생산 시 보정 곡선을 프로그래밍한다. 컬러 필터에 최적화된 RGB LED 백라이트도 사용된다.
키패드 백라이트 및 기타 표면 조명
키패드 백라이트는 디스플레이 백라이트와 다른 몇 가지 특정 요구 사항을 갖고 있다. 키패드 백라이트에서 원하는 컬러는 반드시 백색일 필요는 없으며 기본적으로 모든 컬러가 될 수 있다. 휴대용 장치에서 일부 조명 효과를 생성하는 데 키패드 백라이트와 기타 표면 조명이 사용되는 것이 오늘날의 트렌드이다.
디스플레이 백라이트 제어는 원활한 페이드인/페이드아웃이 가능한 온/오프 형태이지만 표면 조명 제어는 이보다 복잡하다. 키패드 백라이트에 RGB LED를 사용하여 빨간색, 녹색 및 파란색 LED 사이의 밝기 균형을 간단히 변경함으로써 장치의 컬러와 전체적인 외양을 변경할 수 있다. 이는 소프트웨어 제어를 통해 핸드셋 및 기타 휴대용 장치를 개별 사용자의 기호에 맞게 조정할 수 있다.
간단한 Enable 제어 핀 이외에 다른 컬러 간의 원활한 전환 같은 복잡한 조명 시퀀스의 경우에는 정교한 제어 방법이 필요하다. I2C 제어 버스는 두 선만으로 LED 드라이버를 제어하는 뛰어난 유연성을 제공하기 때문에 많은 휴대용 장치에서 널리 사용된다.
대개 카메라 모듈 같이 동일한 버스를 사용하는 구성 요소도 있다. 따라서 LED 제어는 모든 I2C 대역폭을 사용해서는 안 된다. 실시간으로 LED 밝기를 제어하면 상당한 I2C 트래픽이 만들어진다.
내셔널의 LP5521과 같은 새로운 LED 드라이버를 사용하면 조명 시퀀스에 내부 메모리와 실행 엔진을 통합하여 최소한의 실시간 제어가 가능하다. 전력이 공급되면 조명 시퀀스는 내부 메모리에 기록된 다음 외부 트리거 핀 또는 I2C 쓰기가 시퀀스를 시작하는데 사용된다.
시퀀스가 실행 중일 때는 프로세서 제어가 필요하지 않다. 전화가 대기 모드에 있을 때는 애플리케이션 프로세서가 슬립 모드에 있을 수 있으며 LED는 계속 복잡한 조명 시퀀스를 실행할 수도 있다. 시퀀스에는 시간 지연, 램프, 깜박임, 루프 및 트리거 신호의 전송/수신이 포함될 수 있다.
최신 LED 드라이버는 전력 소모를 추가로 줄이기 위해 자동 절전 모드로 작동한다. DC-DC 컨버터는 리튬-이온 배터리 전압이 LED를 공급하기에 충분하지 않을 경우에만 시작된다. 또한 드라이버는 LED가 활성화되지 않고 시퀀스가 내부적으로 실행되는 동안에는 사용하지 않는 기능을 셧다운한다. 이렇게 하면 평균 전류 소모가 크게 줄어든다.
소형 LED 드라이버 솔루션을 사용하면 중앙 집중 조명 솔루션이 아닌 로컬 조명 솔루션을 만들 수 있다. 즉, LED 드라이버가 LED 근처에 위치한다. 이렇게 하면 PCB 라우팅이 훨씬 쉬워지고 EMI가 줄어든다. 로컬 솔루션을 위해 설계된 드라이버에는 외부 제어 핀이 있어 이를 통해 여러 드라이버를 동기화하여 매우 흥미로운 조명 효과를 얻을 수 있다.
결론
백라이트 LED를 구동하기 위한 여러 가지 드라이버 토폴로지가 있다. 올바른 토폴로지 선택은 주로 애플리케이션에 달려 있다. 향후 새롭게 등장할 리튬-이온 배터리 기술과 낮은 포워드 전압 백색 LED로 인해 드라이버에 대한 새로운 과제가 대두되고 있다.
RGB LED는 첨단 전화와 기타 휴대용 장치의 LCD 디스플레이 백라이트에 사용할 수 있으며, 높은 디스플레이 이미지 품질 및 컬러 재현은 필수적인 요소이다. 또한 RGB 백라이트와 함께 올바른 드라이버, LED 및 컬러 필터를 디스플레이 모듈에 사용할 경우 백색 LED 백라이트에 비해 전력을 줄일 수 있다.
프로그래밍 기능은 최신 키패드 백라이트 드라이버의 주요 기능이다. 손쉽게 제어할 수 있고 조명 시퀀스 동안 애플리케이션 프로세서를 제어할 필요가 없는 경우에는 전력 소비를 줄일 수 있다. 프로그램 가능한 LED 드라이버를 사용하면 핸드셋을 개별 사용자에 맞게 조정할 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 12월호>