자동차 LED 애플리케이션을 위한 전력 관리 IC
글│Jeff Gruetter, 제품 마케팅 엔지니어, Linear Technology
지난 십여 년 간 자동차에 탑재되는 전자장치는 전자 제어, 텔레매틱스, 엔터테인먼트 시스템 등 수량과 정교함 면에서 모두 비약적인 성장을 거두었다. 자동차에 내장되는 전자장치는 앞으로도 더욱 빠른 속도로 증가할 것으로 예상된다. Strategy Analytics는 현재 자동차 비용의 25%를 차지하는 자동차 전자 시스템이 2008에는 35% 이상 증가할 것으로 내다보고 있다. 이러한 성장은 몇 가지 경향에 의해 추진되고 있으며, 스펙트럼의 한쪽 끝에서는 전통적으로 기계적 시스템으로 간주되던 쓰로틀 제어(throttle control), 제동 시스템(braking), 서스펜션 제어(suspension control)가 이제 전자 시스템에 의해 제어되고 최적화되고 있다.
이에 반해 LED 조명, 엔터테인먼트 및 무선 네비게이션이 대중 차량에 표준 장치로 빠르게 자리잡고 있다. 이러한 모든 시스템은 효율적인 동작을 위해 일정한 수준의 전력 관리를 필요로 한다. 이와 같은 새로운 자동차 애플리케이션의 전자 시스템은 많은 과제를 안겨주며, 신뢰성 높은 솔루션을 유지하는 문제는 매우 중요하다.
이 글에서는 이러한 성장의 주요 부분의 하나인 현재 및 차세대 자동차에 사용되는 LED 조명의 확산을 중점적으로 살펴보기로 한다. 새로운 조명 분야는 자동차 기반 전자장치 설계자와 제조업체에게 모두 새로운 과제를 가져다주고 있다. 이러한 조명 시스템과 관련된 성장은 거의 무한한 것으로 보여지므로, 이러한 과제를 이해하고 유용한 솔루션을 찾는 것이 무엇보다 중요하다.
그림 1. Audi R8 LED 헤드라이트/방향 신호/주행등
LED 조명
고휘도 LED는 소형 사이즈, 저전력 소비, 빠른 스위치온(switch-on) 시간과 같은 장점을 갖추고 있어 오늘날의 자동차에 폭넓게 채택되고 있다. 초기 LED 애플리케이션은 CHMSL(center high-mounted stoplight)에 구현되었다. 이들 애플리케이션은 적색 LED를 사용하여 매우 얇은 조명 어레이를 제공함으로써 편리하게 탑재할 수 있었고 교체할 필요가 전혀 없었다.
Strategies Unlimited에 따르면, 2006년에 생산된 전체 고휘도 LED의 약 20%가 자동차에 사용되었으며, 이는 시장 가치로 7억 5000만 달러가 넘는다.
전통적으로 백열전구는 가장 경제적인 광원이었으며, 아직도 많은 자동차에 사용되고 있다. 그러나, 사용 가능한 조명 공간의 감소와 긴 서비스 수명에 대한 요구가 증가되면서 LED에 의해 제공되는 조명 컬러와 설계는 백열전구를 빠르게 대체하고 있다. 전통적인 CCFL TFT-LCD 백라이팅 애플리케이션도 백색 LED 어레이로 대체되고 있다. Halogen/ Xenon 필라멘트 설계의 주요 영역이었던 헤드라이트까지 전자적으로 "조정 가능한" 고전류 LED 어레이로 개발되고 있는 중이다. 내장/외장 및 백라이팅 애플리케이션을 포함한 거의 모든 자동차 조명 애플리케이션은 LED로 옮겨가고 있다. LED 사용의 장점은 몇 가지 긍정적인 의미를 갖는다.
첫째, 아마도 가장 중요한 요소로서, LED의 고체상태 광원 수명은 최대 100,000시간(11.5년 서비스 기간)으로 자동차의 수명보다 길기 때문에 교체할 필요가 없다. 이에 따라, 제조업체는 교체를 위한 액세스를 제공할 필요가 없어 LED 조명을 인캐빈(in-cabin) 조명 안에 영구적으로 임베드할 수 있다. 스타일링 역시 LED 조명 시스템에서는 기존 백열전구가 필요로 하던 깊이나 공간이 필요없기 때문에 극적으로 변화 가능하다. LED의 또 다른 장점은 저전력소비로서 자동차의 연료 소비를 줄여준다.
그림 2는 최신 자동차에 탑재되는 여러 가지 다양한 LED 조명 애플리케이션을 보여준다. 내장 조명의 경우 다양한 유형의 LED를 사용하는 여러 가지 "표준 내장" 조명 모듈이 있다. 일부는 단일 LED를 사용하는 반면, 네비게이션 패널 백라이팅과 같은 다른 애플리케이션에서는 LED 어레이를 필요로 한다. 외장 조명에서도 LED 사용이 증가되고 있다. 현재 CHMSL의 40% 이상이 적색 LED를 사용하고 있다.
그림 2. 최신 자동차에 사용되는 LED 조명을 위한 일반적인 애플리케이션
예를 들어, Audi의 2007 A8은 주간용 전조등(DRL)에 고전류 LED 어레이를 채택하고 있으며, R8은 헤드라이트를 포함하여 전체 외부 전조등을 LED로 제공하고 있다. 이와 유사하게, 더욱 많은 일반 차량과 심지어 오토바이까지 브레이크와 방향등(brake/turn) 신호 조명에 컬러 LED 어레이를 장착하고 있는 것을 볼 수 있다.
자동차 LED 조명을 위한 설계 파라미터
최적의 성능과 긴 동작 수명을 위해 LED는 효과적인 구동 회로가 필요하다. 이러한 특별한 구동 회로는 가혹한 자동차 파워 버스로부터 동작할 수 있어야 할 뿐 아니라, 비용과 공간 모두 ??효율적??이어야 한다. 또 긴 동작 수명을 유지하기 위해 LED 전류와 온도 제한이 초과되지 않도록 해야 한다.
표 1은 고전류 백색 LED에 대한 일반적인 순방향 전압 대비 구동 전류를 보여준다. 1~3개(직렬) LED 애플리케이션에서 Linear Technology의 LT3475와 같은 벅 LED 드라이버는 자동차 버스 전압(공칭 12V)을 LED의 애플리케이션 컬러와 밝기 요구사항에 따라 LED 당 2.68V~4.88V 범위에서 보다 적절한 LED 전압으로 하향 변환해야 할 필요가 있다. 이와 반대로, 최대 8개 LED 스트링을 직렬로 연결해야 하는 브레이크 라이트와 같은 애플리케이션에서는 21V와 39V 사이의 출력 전압이 요구되므로 Linear Technology의 LT3496과 같은 부스트 기반 LED 드라이버가 필요하다. Linear Technology의 모든 LED 드라이버는 정전류를 공급하기 위해 전류 모드 구조를 사용한다.
표 1. 고전류 백색 LED의 순방향 전압 강하 대비 구동 전류
이러한 드라이버 IC로부터 나오는 정전류 소스는 불규칙적인 입력 전압에도 불구하고 일정한 밝기의 LED를 생성할 수 있어야 한다. 내부 감지 저항을 사용하여 출력 전류가 모니터링되므로 정확한 전류 레귤레이션이 가능하다. 35mA ~1A의 넓은 전류 범위에 걸쳐 높은 출력 전류 정확도가 유지되어 넓은 디밍 범위를 제공한다.
Linear Technology의 고전류 LED 드라이버는 전류 모드 레귤레이터이므로 전원 스위치의 듀티 사이클을 직접 변조하지 않으며, 대신 피드백 루프가 각 사이클 동안 스위치의 피크 전류를 제어한다. 전압 모드 제어에 비해 전류 모드 제어는 루프 동적 성능을 향상시키고 사이클별 전류 제한을 제공한다.
특히 백라이팅이나 내장 조명과 같은 많은 애플리케이션에서는 디밍 제어가 필요하기 때문에 드라이버 IC는 출력 전류/LED 밝기를 조정할 수 있는 간단한 기능을 지원해야 한다. 적절한 드라이버 IC는 PWM 신호, DC 전압 또는 외부 NMOS 트랜지스터를 이용하여 최대 3,000:1의 디밍 범위로 디밍을 수행할 수 있다.
마지막으로, 특히 네비게이션 시스템, 무선 회로 및 AM 라디오 밴드 수신기와 같은 자동차 온보드 전자장치는 잡음에 민감할 수 있다. 잡음 간섭에 대한 잠재성을 최소화하기 위해 Linear Technology는 LED 드라이버 IC에 정주파수 스위칭 토폴로지를 사용한다. 스위칭 주파수는 200kHz~2MHz 사이에서 사용자가 프로그래밍할 수 있어 AM 라디오와 같은 주요 주파수 대역으로부터 스위칭 잡음을 제거할 수 있다. 또한 높은 스위칭 주파수는 소형 커패시터와 세라믹 커패시터의 사용을 가능하게 해주므로, 솔루션 크기와 비용을 최소화한다.
듀얼 LED 애플리케이션
그림 2에서 보듯이 많은 임베디드 고전류 LED 애플리케이션은 단일 또는 듀얼 고전류(1A~1.5A의 ILED) LED로 구성된다. 이러한 애플리케이션에는 돔(dome) 라이트, 맵(map) 라이트, 스토리지 조명과 같은 내장 조명뿐 아니라 스레스홀드(threshold) 또는 "퍼들(puddle)" 라이트와 같은 외장 조명이 포함된다. 애플리케이션에 따라, 컬러 LED를 이용해 게이지 백라이팅(gauge back lighting)을 구현하거나, 백색 LED를 이용해 일반 조명을 제공한다. 이러한 LED는 보통 3V~4V의 순방향 전압을 가지며 12~14V의 자동차 버스로부터 전력을 공급받기 때문에 LT3475와 같은 스텝 다운 컨버터가 필요하다.
LT3475는 듀얼 정전류 LED 드라이버로 동작하도록 설계된 듀얼 36V, 2MHz 스텝 다운 DC/DC 컨버터이다(그림 3참조). 각 채널에는 내부 감지 저항과 디밍 제어 기능이 있어 최대 1.5A 전류를 필요로 하는 LED 구동에 이상적이다. 1개 채널은 다른 채널과 180도 위상차로 스위칭하므로 두 채널의 출력 리플을 줄여준다. 50mA~1.5A의 넓은 전류 범위에 걸쳐 채널마다 개별적으로 높은 출력 전류 정확도가 유지되며, 고유한 트루 컬러 PWMTM 회로가 LED 전류 디밍과 관련된 컬러 시프트 없이 3000:1의 디밍 범위를 구현한다.
그림 3. LT3475 듀얼 1.5A 스텝 다운 LED 드라이버의 일반적인 애플리케이션과 효율
LT3475는 4V~36V(최대 40V까지 과도 보호)의 넓은 입력 전압 범위를 갖고 있어 자동차 전원 시스템에 이상적이다. 제품의 스위칭 주파수는 200kHz에서부터 2MHz까지 설정할 수 있어 소형 인덕터와 세라믹 커패시터의 사용이 가능할 뿐 아니라 AM 라디오 밴드로부터 스위칭 잡음을 제거한다. 방열효과가 증대된 TSSOP-20 패키지로 제공되는 LT3475는 고전류 LED 구동을 위한 초소형 솔루션을 제공한다.
LT3475는 하이 사이드 감지를 사용하여 접지를 갖는 LED 캐소드 연결이 가능하므로 대부분의 애플리케이션에서 접지 와이어가 필요하지 않다. 또 각 채널을 위한 부스트 다이오가 내장되어 있어 솔루션 풋프린트와 비용을 더욱 줄여준다. 그 밖에, 개방 LED 및 단락 회로 보호 기능 등이 있다.
네비게이션 디스플레이를 위한 LCD TFT 백라이팅
전통적으로, 자동차의 대형(직경 6 ~ 9인치) TFT-LCD 디스플레이 백라이팅 시스템으로 CCFL이 이용되어 왔다. 그러나, CCFL과 관련된 많은 문제가 존재한다. 첫째, CCFL 구동에 필요한 고전압 파워 서플라이는 크기가 크고 복잡하다. 둘째, CCFL 전구 자체도 상대적으로 크며, 고장이 발생하기 쉽다. 또 네비게이션 시스템 안에 장치가 임베드되기 때문에, CCFL에 고장이 발생하면 보통 값비싼 장치 전체를 교체해야 한다.
이와 반대로, 그림 4의 백색 LED 어레이는 더 작고 신뢰할 수 있는 백라이팅 솔루션이다. 전력 조절 회로가 더욱 간단하고 작아, 소형 폼 팩더를 구현한다. LED의 고체 상태 특성과 파워 서플라이는 자동차의 수명을 손쉽게 연장해 준다. 또한 이러한 백라이팅은 최대 89%까지 매우 높은 효율을 구현할 수 있어, 요구되는 방열을 낮추어준다.
그림 4. 30개 100mA 백색 LED를 위한 LT3496 백라이팅 회로
그림 4의 LT3496은 3개 채널 정전류 LED 드라이버로 동작하도록 설계된 2MHz DC/DC 컨버터이다. LT3496의 각 채널은 부스트 모드에서 직렬로 최대 10개의 100mA LED를 구동할 수 있으므로, LT3496은 최대 96% 효율로 최대 30개까지 100mA LED를 구동할 수 있다. 3개의 채널은 각각 독립적인 트루 컬러, PWM 신호에 의해 구동되며, 각 채널은 3,000:1의 높은 비로 독립적인 디밍 조절이 가능하다. 최대 40V까지 과도 보호를 갖는 3V~30V의 입력 전압 범위는 자동차 파워 버스에 이상적이다.
고정 주파수, 전류 모드 구조는 넓은 범위의 전류와 출력 전압에서 안정적인 동작을 보장한다. 또 주파수 조정 핀을 이용하여 330kHz~ 2.1MHz 사이에서 주파수를 프로그래밍할 수 있어 잡음에 민감한 AM 라디오 밴드를 피하는 동시에 외부 부품 크기를 최소화하고 효율을 최적화할 수 있다. 방열 효과가 증대된 4mm x 5mm QFN 패키지는 15W(부스트) LED 애플리케이션을 위한 초소형 솔루션 풋프린트를 제공한다.
LT3496은 LED의 하이 사이드에서 출력 전류를 감지하므로 벅, 벅-부스트 또는 부스트 구성이 가능하다. 대부분의 자동차 애플리케이션은 부스트 또는 벅-부스트 동작을 필요로 한다. 사용자는 외부 감지 저항을 이용하여 각 채널의 출력 전류 범위를 프로그래밍할 수 있다. 3개의 독립적인 드라이버 채널은 각각 내부 700mA, 45V NPN 스위치를 가지며, PMOS로 차단하기 위해 게이트 드라이버가 내장되었다. 다른 기능으로는 개방 LED 보호 및 열 제한이 있다.
브레이크 라이트
최근까지 가장 많이 이용되는 LED 애플리케이션은 CHMSL이다. 2006년 말 현재, 자동차의 최소 60%가 LED 기반 CHMSL을 탑재하고 있다. 장점으로는 빠른 점등, 높은 효율, 긴 동작 수명, 매우 얇은 적색 LED 어레이의 용이한 설계와 설치 등을 들 수 있다.
기존 전구가 완전한 밝기에 도달하기까지 최대 200밀리초가 걸리는 데 비해 LED는 1밀리초 안에 완전한 점등에 도달하므로 뒤에 오는 운전자가 훨씬 빨리 브레이크 라이트를 인식할 수 있어 후방 충돌 가능성을 줄여준다. 전력소비도 백열전구에 비해 최대 80%까지 줄일 수 있어 궁극적으로 자동차의 연료 소비가 향상된다. 동작 수명은 자동차 수명보다 길기 때문에 교체할 필요가 없다. CHMSL 외에도, 여러 자동차와 오토바이에서는 메인 브레이크 라이트의 백열 브레이크 라이트를 LED로 대체하고 있다.
그림 5. 그림 4의 회로에서 구현되는 LT3496 효율
이러한 브레이크 LED 애플리케이션의 성능과 동작 수명을 최대화하기 위해서는 제동 시스템에 요구되는 적색 LED를 구동할 수 있는 적절한 LED 드라이버의 사용이 필수적이다. Linear Technology의 LT3486은 특별히 이러한 종류의 자동차 애플리케이션을 위해 개발되었다.
그림 6. LT3486 자동차 LED 드라이버 회로
LT3486은 그림 6에서 보듯이 듀얼 스텝 업 DC/DC 컨버터로, 12V~14V의 자동차 버스로부터 정전류에서 최대 16개(컨버터 당 직렬로 연결된 8개) LED를 구동하도록 특별히 설계되었다. LED의 직렬 연결은 동일한 LED 전류를 제공함으로써 균등한 밝기를 구현한다. 또한 필요 시 2개의 독립적인 컨버터가 비대칭 LED 스트링을 구동할 수 있다.
2개의 LED 스트링에 대한 디밍은 개별적인 CTRL 핀을 통해 독립적으로 제어할 수 있다. 내부 PWM 디밍 시스템은 개별 PWM 핀에 PWM 신호를 제공함으로써 디밍 범위를 최대 1000:1까지 확대할 수 있다. LT3486의 동작 주파수는 외부 저항을 이용해 200kHz~2MHz 범위에서 설정할 수 있다. 2% 정확도를 갖는 200mV의 낮은 피드백 전압은 전류 설정 저항에서 전력 손실을 최소화하므로 효율을 향상시킨다. 그 밖의 기능으로는 LED 분리 시 출력 전압 제한 등이 있다.
LT3486은 초소형 솔루션 풋프린트로, 공간 절약형 16핀 DFN(5mm x 3mm x 0.75mm) 또는 방열 효과가 증대된 16핀 TSSOP 패키지로 제공된다.
결론
LED 조명 애플리케이션이 현재 및 차세대 자동차에 빠르게 확산됨에 따라 고전류 LED 자동차 애플리케이션에 사용되는 LED 드라이버 IC에 대한 매우 특정한 성능 요구사항이 증가하고 있다. LED 드라이버는 입력 전압 또는 LED 순방향 전압 편차와 상관없이 균등한 밝기를 유지하기 위해 정전류를 제공해야 할 뿐 아니라 높은 효율로 동작해야 한다. 또한 자동차 파워 버스의 가혹한 전기적 특성을 견딜 수 있어야 하며, 초소형의 열 효율적인 솔루션 풋프린트를 필요로 한다. Linear Technology는 이와 같은 자동차 설계 요구사항을 충족하고 제기되는 과제를 해결하기 위해 종합적인 고전류 LED 드라이버 제품군을 개발해 오고 있다.