DLP 전력 설계 최적화하기
글│Brian King, Application Engineer, Texas Instruments
Robert Kollman, Application Manage, Texas Instruments
HID 또는 LED 요구조건
TI가 개발한 DLP(Digital Light Projector) 디스플레이 기술은 조명을 디지털로 조작하는 광학 반도체를 사용한다. 디지털 디바이스인 DLP 칩은 대형 디지털 HDTV, 사무실, 가정, 전문가급 프로젝터, 디지털 극장용 등 다양한 제품에서 고품질 화질을 제공한다. 이러한 애플리케이션은 조명원에 의해 요구되는 전력조건 때문에, 전력 설계 과제를 만들어 낸다. 전력원은 HID(High-Intensity Discharge) 램프나 LED 어레이일 수도 있으며, PFC(Power Factor Correction) 및 에너지 효율에 적합한 표준형의 요구조건일 수 있다. 이러한 전력 요건을 충족시키기 위해 설계자는 DLP 칩의 기본 동작과 애플리케이션에 전력을 공급하는 옵션을 이해해야만 한다.
DLP 동작
DLP 칩은 최대 2백만개의 힌지(hinge)에 실장된 마이크로스코픽 미러(micro-scopic mirror)의 직사각형 어레이를 갖추고 있는 정교한 조명 스위치이다. 각각의 마이크로미러는 16 X 16 마이크론으로 측정한다. DLP 칩이 디지털 비디오나 그래프 신호, 조명원, 프로젝션 렌즈로 조정될 때, 미러는 디지털 이미지를 스크린이나 다른 표면에 반사시킨다.
DLP 칩의 마이크로미러는 작은 힌지에 실장된다. 작은 힌지는 DLP 칩의 마이크로미러가 DLP 보호 시스템에서 조명원으로 기울여지게 하거나, DLP 보호 시스템에서 벗어나게 한다. 따라서 보호 표면에는 밝거나 어두운 픽셀이 형성된다. 반도체에 진입하는 비트-스트림 이미지 코드는 각 미러에 송신되어 초당 수천 번까지 스위치를 켜고 끈다. 미러가 꺼지는 것보다 더욱 빈번히 스위치를 켤 때, 이것은 밝은 그레이 픽셀을 반영한다. 스위치를 자주 끄는 미러는 더욱 어두운 그레이 픽셀을 반영한다. 이 같은 방법으로, DLP 보호 시스템에서 미러는 최대 1,024개의 차이를 가진 그레이에서 픽셀을 반영할 수 있어, DLP 칩으로 진입하는 비디오나 그래픽 신호를 섬세하게 그레이 스케일 이미지로 변환시킨다.
DLP 보호 시스템에서 램프로 생성된 백색 조명은 적색, 녹색, 푸른색 필터를 통과하며, DLP 칩의 표면으로 지나간다. 필터를 통과한 후, 컬러 조명은 DLP 칩으로 순차적으로 하강하며, 최대 1,670만 개의 색상을 가진 이미지를 탄생시킨다. 일부 DLP 보호 시스템은 최고 35조의 색상을 생성할 수 있는 3가지의 칩 아키텍처를 포함하고 있다.
각 미이크로미러의 온/오프 상태는 이러한 3가지의 기본적인 빌딩 블록 색상으로 조정된다. 예를 들어, 보라색 픽셀을 프로젝션하는 미러는 프로젝션 표면에 적색과 푸른색만 반사시킬 것이다. 이 때, 사람의 눈은 빠르게 교차하는 섬광을 혼합시켜 프로젝트된 이미지에서 의도된 색상을 보게 된다(그림 1).
그림 1. DLP 칩에서 수 백 개의 마이크로미러는 고해상도 비디오 이미지를 위해 스크린에 조명을 보낸다.
DLP 시스템의 구동
그림 2는 일반적인 DLP HDTV 전력 시스템의 블록도이다. 공급된 총 전력은 200W와 유사하다. 이러한 제품은 유럽시장에 공급되며, PFC 회로는 이러한 고조파 요건을 만족시키기 위해 제공된다. PFC 회로는 조절된 400V를 제공하며, 이것은 램프 전원 공급장치 및 저전압 로직, 아날로그 회로에 공급된다. 또 오프되는 동안 작은 유지 부하에 전력을 공급하는 대기 전원 공급장치의 대기 전원은 에너지 효율적이어야 하고 친환경적이어야 한다. 에너지 스타(Energy Star)를 준수하기 위해, 이 전원은 부하 없이 0.5W 미만의 입력 전력만을 소비해야 한다.
그림 2. 밸러스트는 HID 램프 TV의 가장 큰 부하이다.
조명원으로 LED를 사용하는 것은 DLP 제품의 전원 공급장치 설계에 직접적인 영향을 주기도 한다. 밸러스트를 위해 필요성을 없애는 것 이외에도, LED는 더욱 긴 램프 수명을 제공하며, 보다 더 효율적인 조명이 되어 컬러 필터를 제거한다. LED는 뛰어난 이미지를 생성하는 새로운 가능성의 범위를 제시한다고 볼 수 있다. 컬러 세그먼트는 색상 필터 설계 및 순환 속도에 더 이상 억매이지 않기 때문에 혼합된 옵션, 빠른 온/오프 스위칭 속도, 전류 레벨 관리를 통한 집적도 제어가 가능해진다. LED 조명 엔진의 작은 크기는 휴대형 제품에서 뛰어난 장점을 발휘한다.
그림 3은 LED 프로젝터에 적합한 전원 공급장치의 블록도이다. 이것은 DLP LED HDTV와 매우 유사하다. 대기 전원, PFC 회로, 메인 전원 공급장치, LED를 위한 전원을 제공하고 있다. 블록도에서 LED는 메인 전원 공급장치 출력 중 하나에서 구동된다. 교류식 구성은 PFC의 400V 출력에서 LED 드라이버를 공급한다. 이러한 전원 공급장치가 블록도에서 단순한 것처럼 보이지만, 각각은 자체적인 설계를 가지고 있다.
그림 3. LED는 휴대형 프로젝터에서 HID 램프를 제거한다.
트랜지션 또는 연속형 전도 모드
HID 램프 및 밸러스트를 이용하는 DLP 애플리케이션에서는 트랜지션 모드 또는 연속형 전도 모드(CCM: Continuous -Conduction-Mode) PFC를 사용할 것인지 분명히 결정해야 한다. 이 두 가지 토폴로지는 전체 파형의 정류된 ac 라인 입력에서 조절된 400Vdc 출력을 생성하는 비절연형 부스트 컨버터이다. dc 전압을 생성하는 것 이외에도 PFC는 PFC 부스트 인덕터에서 라인 전류를 끌어내는 역할을 한다. 이에 따라 모양과 위상에서는 입력 전압이 뒤따른다. CCM과 트랜지션 모드 제어 간의 차이점은 그림 4에 나타나 있다. CCM을 이용한 PFC는 고정 주파수 PWM을 사용해 인덕터에서 평균 전류를 조절한다. 그 결과, PFC MOSFET은 켜져야 하며, 반면 전류는 인덕터와 다이오드를 통해 여전히 흐르게 된다. 이것은 높은 스위칭 손실과 역 복구 손실이라는 결과를 가져올 수 있다. 초고속 다이오드는 비용을 추가시키지만, 일반적으로 CCM PFC에서 사용될 때 역 복구 손실을 낮춘다.
그림 4. 트랜지션 모드 제어 PFC는 역 복구 손실을 제거한다.
이와 반대로, 트랜지션 모드 PFC는 피크 인덕터 전류를 조절해, 인덕터 전류가 다음 펄스로 시작하기 전 0A로 되돌아올 때까지 기다린다. 이것은 역 복구 및 턴온 손실을 실질적으로 감소시키나, 상당히 높은 피크 전류를 소비한다. 
높은 피크 전류는 PFC 인덕터에서 인접 손실과 더 큰 EMI 필터를 유발할 수 있다. 또한, 트랜지션 모드 스위칭 주파수는 변동되며, 이것은 EMI 필터 설계를 더욱 복잡하게 한다.
트랜지션 모드 컨트롤러는 CCM 컨트롤러에 비해 더욱 단순해지거나, 덜 비싼 경향이 있다. 표에서 볼 수 있듯이, 일반적으로는 200W 미만의 출력 전력을 내기 위해서는 트랜지션 모드를 사용하고, 200W 이상의 출력 전력에서는 CCM을 사용한다.
밸러스트 구동
TV의 조명이 HID 램프에서 발생될 때, 전기 밸러스트는 램프를 제어하기 위한 용도로 필요하다. HID 램프는 고압 가스 필터 전구에서 2개의 반대 전극으로 구성된다. 고압 가스는 램프로 흐르는 전류를 위해 차단되어야 하며, 그 결과 고전압 회로는 30kV 임펄스를 생성하기 위해 사용된다. 또한 전구의 가스 내에서 arc를 생성한다.
갭이 깨진 이후, 이것은 약 40V의 정전압 특성을 갖는다. 전압은 단기간에 변경되며, 이 때 전구는 가열되어 압력을 증가시킨다. 또한 장기적인 변동을 갖추고 있기 때문에, 전극의 팁(tip)은 부식되며 갭의 길이는 증가한다. 전기 밸러스트는 전구의 전력을 조정해야 하며, 시간에 따라 램프 출력을 일정하게 유지시킨다. 일부 보호 기능들은 그림 5에서 보듯이 HID 밸러스트 전원으로 구축되어야 한다. 일단 점화기에 불이 붙으면, 램프를 arc로 유지시켜야 하는지에 대해 결정을 해야 한다. 그렇지 않을 경우, 디지털 카운터는 증가되며, 점화를 다시 시도해야 하는 여부에 관한 결정이 내려진다. 유지된 arc가 존재할 경우, 밸러스트 전원에서 전력은 제한되며 이 때 출력 전압이 모니터 된다. 전압 모니터는 노후 램프나 개방형 회로로 발생되는 과전압 조건을 감지할 경우, 전원은 디스에이블된다. 마지막으로 상당한 하우스키핑이 요구되는 경우, 전구의 워밍 업과 쿨 다운은 제어된다. 전원이 대기 모드에 진입할 때, PFC는 디스에이블 되어야 한다. 모든 오버헤드가 요구될 때, 마이크로컨트롤러는 전체 전원 공급장치 제어와 오류 모니터링을 위해 최상의 선택을 해야 하며, 이는 전원의 PWM 부분을 위해 유용하다.
그림 5. HID 밸러스트는 오류에 대해 램프를 모니터 할 수 있는 제어 알고리즘을 사용한다.
에너지 보존
전 세계의 대기 전력소비 조건은 에너지 보존 프로그램과 TV 유형에 따라 1W ~15W까지 다양하다. 예를 들어, EPA의 에너지 스타 인증을 받고자 한다면, 디지털 TV는 대기 모드에서 3W 미만을 소비해야 한다.
대기 전력을 감소시키는 분명한 방법은 대기상태 동안 시스템이 요하는 전력을 최소화하는 것이다. 전원 공급장치 설계자는 제한된 입력 전력 예산에서 약 300mW를 제공해야 하는 책임을 갖게 된다. 쉽게 달성할 수 있는 양처럼 보인다고 해도, PFC와 250W 메인 전원 공급장치는 무부하 동작에서 충분한 전력 이상을 끌어와, 수용 가능한 한계치 이상으로 손실을 밀어낸다. 그 결과, 대기 상태 동안 PFC를 포함해, 사용하지 않는 모든 전원 장치들을 디스에이블 하는 것이 꼭 필요하다. 이것은 바이어스 전력이 전원 컨트롤러에 게이트함으로써 달성된다.
다행히 IC 제조업체들은 효율적인 경부하 컨트롤러의 필요성에 주목하고 있으며, 관련된 애플리케이션에 적합한 컨트롤러를 제공하고 있다. PFC와 그린 모드 플라이백 컨버터 대기 전원의 한 예가 그림 6에 나타나 있다. 이 회로는 에너지 효율적인 UCC28600를 사용해 전력 손실을 최소화하면서, 대기 모드 상태로 놓여있다. UCC28600은 경부하에서 버스트 모드 동작으로 진입하며, PFC 컨트롤러에 대해 바이어스 전력을 디스에이블하는 신호를 제공한다.
그림 6. 대기 전원 공급장치에서 플라이백 컨버터를 구현시키는 UCC28600 컨트롤러는 경부하에서 버스트 모드에 진입하면서, PFC 컨트롤러에 바이어스 전력을 디스에이블하는 신호를 제공한다.
그림 6에 나타난 회로는 3W 미만으로 대기 소비전력을 감소시키는 데 적절하나, 입력 전력의 1W 미만을 달성할 정도로 충분하지 않다. PFC 컨트롤러는 레지스터 디바이더를 요구하며, ac 라인 전압과 PFC 출력 전압을 감지한다. 이러한 레지스터는 200mW 이상을 쉽게 소비한다. 게다가, PFC 출력 커패시터의 누설 전류는 원치 않는 또 다른 200mW의 손실을 초래할 수 있다. 이러한 손실은 결합되어 수용할 수 있는 한계 이상으로 대기 손실을 밀어낸다. 이러한 상황에서, PFC와 모든 다운스트림 컨버터에 ac 전력을 불연속 시키는 릴레이를 사용하는 것이 필요하다. 이 릴레이는 전용 대기 전원과 함께 사용될 수 있다. 릴레이는 많은 바이어스 전력을 요구하지 않으며, 시스템이 대기 상태에 있는 동안 솔리드-스테이트(solid -state) 타입이 되기도 한다.
저전력의 LED
기본적인 LED 조명 엔진은 컬러 필터의 회전을 나타내는 듀티 사이클과 주파수에서 온/오프로 펄스되는 적색, 푸른색, 초록색 LED로 구성되어 있다. 각각의 색상을 위한 개별적인 온/오프 신호는 마이크로프로세서에서 LED 드라이버로 전송된다. 각 색상의 강도는 광 센서를 통해 마이크로프로세서로 다시 공급된다. 적절한 색상 균형을 달성하기 위해서 마이크로프로세서는 각 LED에서 전류를 조정할 수 있도록 LED 드라이버에 신호를 보낸다.
적절한 DLP 프로젝터를 위한 LED 드라이버 회로의 한 가지 예가 그림 7에 나타나 있다. 이 회로에서 TPS40071 컨트롤러는 동기식 벅 전력 스테이지를 제어하기 위해 사용된다. 동기식 벅 전력 스테이지는 전류 소스로 동작하며 LED는 켜지게 된다. 전압 소스로 동작할 경우에 LED는 꺼지게 된다. 마이크로프로세서에서 전송된 LED 온/오프 신호는 FET Q1에서 켜지고, LED 또한 켜지게 하며 스위치 S1을 다운 위치로 이동시킨다. 이것은 전류 피드백 신호를 제공한다. LED가 꺼질 때, S1은 업 위치로 다시 되돌아 오며, 이를 통해 TPS40071은 드라이버 출력 전압을 조절할 수 있다. LED 전류는 마이크로프로세서에서 전송된 10kHz 디지털 펄스 트레인의 펄스 폭을 변화시킴으로써 제어된다. 이 PWM 신호는 필터되고, TPS40071의 피드백 핀으로 집결된다.
그림 7에서 R1과 R2의 레지스터 디바이더가 설계되어, LED 오프 상태에서 조정된 전압은 온 스테이트 동안 LED가 순방향으로 하강되는 것과 밀접하게 연결된다. 이것은 TPS40071 내부 오류 증폭기의 출력을 2가지 상태 동안 거의 동일한 수준으로 유지시킨다. 또 스위치가 켜질 때, LED 전류의 상승 시간을 최소화시킨다. 이것은 매우 중요하다. 빠른 전류 상승 시간이 프로젝트 조명의 디지털 제어에서 더욱 큰 유연성을 제공하기 때문이다.
그림 7. LED를 구동하는 것은 정밀한 타이밍, 듀티 요소 및 진폭 제어를 요구한다.
그림 8의 파형은 트랜지션 동안 출력 전압과 LED 전류를 보여준다. 이러한 파형의 경우, LED 드라이버는 직렬로 연결된 2개의 1A 그린 LED를 구동시킨다. 동기식 벅 전류 소스의 폭넓은 대역폭, 약 100KHz는 전류 상승 시간을 최소화시켜 준다.
그림 8. 폭넓은 대역폭을 갖춘 벅 레귤레이터가 LED를 구동시킨다.
DLP의 장점
DLP 기술은 독자적인 제품을 이용함으로써, 설계자가 해결해야 할 새로운 과제를 제시하고 있다. 이러한 과제들은 부품이 개발될 수 있는 환경을 마련해 주기 때문에, 다른 애플리케이션에도 장점을 줄 수 있을 뿐만 아니라, DLP 시스템 요건 또한 만족시킨다.
앞에서 기술된 컨트롤러는 HID 램프를 구동시키기 위해 개발됐다. 컨트롤러는 그린 모드 동작을 필요로 하기 때문에, 전력 시스템의 일부를 끄게 할 수 있는 가변성 주파수 제어를 개발시킬 필요가 뒤따른다. 반면, LED는 DLP 프로젝터에 향상된 신뢰성을 제공하면서, 빠른 슬루 레이트 전원 공급장치의 개발을 주도한다. 또한, PFC 스테이지에서 트랜지션 모드 제어에 대한 요구는 회로의 비용과 크기를 줄이는 결과를 가져온다.