인덕터 효율을 제공하는 차지 펌프로 백색 LED 백라이트 드라이브 비용 및 크기 감소

글│Jay Kim, Senior Scientist, Applications, Maxim

 각 LED에 대한 개별적인 스위치오버 기능이 있는 네거티브 차지 펌프 백색 LED 드라이버는 기존의 1×/1.5× 포지티브 차지 펌프 백색 LED 솔루션에 비해 효율을 극적으로 향상시키고 배터리 동작 수명을 연장시켜준다

 백색 LED는 휴대전화 및 기타 휴대용 기기의 소형 컬러 디스플레이를 위한 완벽한 백라이트 솔루션을 제공한다. 백색 LED는 초소형 크기와 높은 광 출력을 갖는다. 그러나 가장 많이 사용하는 배터리 유형인 단일 셀 리튬 이온 배터리로 구동하는 소자에서 백색 LED를 이용하려면 한 가지 어려운 문제를 해결해야 한다. 대부분의 리튬 이온 셀(Li )의 동작 전압은 3V~4.2V인 반면 백색 LED의 순방향 전압은 일반적으로 20mA에서 3.5V~3.8V이다. 이것은 Li 배터리의 동작 범위에서 낮은 쪽의 전압 출력이 백색 LED를 바이어싱하는 데 충분하지 못하다는 것을 의미한다.

 백색 LED를 위한 적절한 순방향 바이어스를 생성하는 데에는 커패시터 차지 펌프와 인덕터 기반 부스트 회로가 사용되고 있다. 일반적으로 인덕터 기반 회로는 효율과 배터리 수명을 위한 최선의 선택이지만 인덕터의 추가적인 비용을 감수해야 한다. 또 인덕터 기반 부스트 회로는 EMI/RFI 간섭 문제로 인해 신중한 레이아웃과 설계가 필요하다. 한편 차지 펌프 솔루션은 구현이 보다 간편하고 저렴하지만 일반적으로 효율이 떨어져 배터리 사용 시간을 단축시킬 수 있다.

 차지 펌프 설계가 향상되면서 Maxim 등에서 출시되고 있는 새로운 백색 LED 드라이버 IC는 저렴하고 간소화된 인덕터리스 차지 펌프 설계를 구현하면서, 평균 85% 정도의 인덕터와 유사한 효율을 제공한다.

Fractional-Ratio 차지 펌프, 어떤 장점이 있는가?

 1세대 백색 LED 차지 펌프 솔루션은 코어에 기본 더블러, 2× 모드 토폴로지를 사용했다. 2× 차지 펌프의 효율은 다음과 같다.

2 × 펌프 효율: P_LED/P_IN = V_LED × I_LED / (2 × V_IN × I_LED I_q × V_IN)

 여기서, I_q는 회로의 무부하 동작 전류이다. I_q는 보통 백색 LED 부하 전류에 비해 작기 때문에 효율은 대략 다음과 같다.

P_LED / P_IN ≒ V_LED / (2V_IN)

 2세대 백색 LED 차지 펌프는 효율을 향상시키기 위해 출력을 입력의 전체 배수로만 구동하지 않는 차지 펌프를 통합했다. 배터리 전압이 충분할 때에는 1.5× 차지 펌프로 적합한 LED 구동 전압을 생성할 수 있었다. 1.5× 펌프의 변환 효율은 다음과 같다.

1.5 × 모드 효율 = P_LED / P_IN = V_LED × I_LED / (1.5 × V_IN × I_LED I_q × V_IN)

≒ V_LED / (1.5V_IN)

 위에서 볼 수 있듯이 1.5× 펌프는 효율을 크게 향상시킨다. 3.6V 배터리 전압과 3.7V LED를 사용할 경우 효율은 2× 펌프의 51%에서 1.5× 펌프의 69%로 극적으로 증가한다.

 최신 3세대 백색 LED 드라이버는 배터리 전압이 충분히 높을 때 저전압강하 전류 레귤레이터를 통해 배터리를 LED에 직접 연결되는 ‘1×’ 전송 모드로 효율을 더욱 향상시키고 있다. 이 효율은 다음과 같이 설명된다.

1 × 모드 효율 = P_LED / P_IN  = V_LED × I_LED / (V_IN × I_LED I_q × V_IN)

≒ V_LED / (V_IN)

 배터리 전압이 백색 LED를 직접 구동할 수 있을 정도로 충분히 높으면 1× 모드 효율은 90% 이상이 될 수 있다. 4V 배터리와 3.7V LED에서 효율은 92%이다.

각 배터리 전압에서 최대 효율 얻기

 1× 전송 모드는 최대 변환 효율을 갖지만 배터리 전압이 LED 순방향 전압을 넘을 때만 사용할 수 있다. 최적의 백색 LED 드라이버 설계는 주어진 배터리와 LED 전압에 이용 가능한 가장 효율적인 전력 전송 모드를 사용하며, 배터리(또는 LED) 전압의 변화에 따라 모드도 변경된다. 그러나 스위치 손실이 발생하면, 이러한 손실이 없는 경우 필요할 수 있는 높은 배터리 전압에서 회로가 저효율 모드로 이동할 수 있다. 배터리 전압이 떨어질 때 드라이버가 가능한 오랫동안 고효율 모드(1× 등)를 유지할 수 있다면 가장 바람직하지만, 이는 최소 손실을 전제로 하며 전원 스위치의 공간과 비용을 증가시킨다.

그림 1. 1x 모드에서 포지티브 차지 펌프는 내부 스위치를 사용하는 V_IN을 백색 LED의 애노드에 바이패스한다.

 가능한 낮은 배터리 전압에서 1× 모드를 사용하기 위한 관건은 1× 모드 바이패스 FET 및 전류 레귤레이터의 전압 강하를 낮추는 데 있다(그림 1참조). 이러한 전압 강하는 1× 모드를 유지할 수 있는 직렬 손실과 최소 입력 전압을 결정한다. 최소 전압은 다음과 같이 구할 수 있다.

V_{IN(MIN_1X)} = V_LED 바이패스 PFET R_DS(ON) × I_LED 전류 레귤레이터의 V_DROPOUT

 전통적인 포지티브 차지 펌프 백색 LED 솔루션은 그림 1과 같이 PMOS FET 바이패스 스위치를 사용하여 배터리 전압을 LED에 연결한다. 이 FET의 R_DS(ON)은 보통 1Ω~2Ω이다. 이보다 더 낮은 저항은 FET의 칩 공간을 증가시켜 전력 소자의 비용을 증가시키기 때문에 저항을 더 낮추는 것은 제한된다.

 포지티브 차지 펌프는 V_IN이 충분히 높지 않을 때 1.5× V_IN 또는 2× V_IN을 발생시켜 백색 LED의 애노드를 구동한다. 포지티브 차지 펌프 구조에서 1× 모드를 구현하려면 내부 스위치를 사용하여 V_IN을 백색 LED의 애노드에 직접 라우팅하여 차지 펌프를 바이패스해야 한다. 네거티브 차지 펌프 구조는 V_IN이 충분하지 않을 때 -0.5× V_IN을 발생시켜 백색 LED 캐소드를 구동한다. 그러나 네거티브 차지 펌프 구조는 전류 레귤레이터가 V_IN에서 접지까지 LED의 전류를 직접 제어하기 때문에 1× 모드에서 -0.5× V_IN 차지 펌프 출력을 접지에 바이패스할 필요가 없다. 그 결과, 다음의 최저 전압까지 1× 모드를 계속 유지할 수 있다.

V_{IN (MIN_1X)} = V_LED 전류 레귤레이터의 V_DROPOUT

그림 2. 드라이버가 네거티브 차지 펌프 모드로 스위칭하면 각 백색 LED에 대한 개별 스위치오버가 가능하다.

 그림 2는 네거티브 차지 펌프를 사용하는 1× 모드의 전류 경로를 보여준다. 이 구성은 P 채널 MOSFET 바이패스 스위치를 포함하지 않으며, VIN을 직접 사용하여 WLED 전류를 접지에 레귤레이트한다. I_LED가 총 100mA(5개 LED × 20mA)이면, 2Ω P MOSFET 바이패스 스위치의 전압 강하는 200mV이다. 방전이 진행되면 Li 배터리 전압은 약 3.6V~3.8V의 일반 전압 범위에서 상대적으로 안정을 유지한다. 따라서 네거티브 차지 펌프 구조에서 1× 모드를 사용하여 동작 전압을 200mV 증가시키면 일반적인 Li 배터리 방전 곡선을 가정할 때 극적인 효율 향상을 보여준다. 이러한 효율 향상은 배터리 수명을 연장하는 데에도 도움이 된다.

각 LED 순방향 전압에서 최대 효율 얻기

 전통적인 1×/1.5× 포지티브 차지 펌프 백색 LED 드라이버에서 LED 애노드는 차지 펌프 출력에 연결된다. LED의 부정합이 존재하는 경우 최악의 순방향 전압 LED를 지원할 만큼(V_IN-V_LED) 헤드룸이 충분하지 않으면 드라이버는 1.5× 모드로 스위칭해야 한다. 이는 단지 적합하지 않은 순방향 전압 LED이 적합하지 않다는 이유만으로 효율적인 1× 모드를 포기해야 하므로 낭비적이다.

 네거티브 차지 펌프 구조에서는 모드 MUX 회로를 사용하여 각 LED에 대해 개별적으로 1× 모드 또는 -0.5× 모드를 선택할 수 있다. 이제 더 이상 단지 VF가 적합하지 않다는 이유만으로 모든 LED를 -0.5× 차지 펌프 출력으로 구동할 필요가 없다. 예를 들어 MAX8647/48 드라이버는 입력 전압이 최고 순방향 전압 LED를 구동할 만큼 충분하지 않을 때 -0.5× 차지 펌프를 켜서 접지 대신 -0.5× 네거티브 레일을 통해 해당 LED만 구동한다. 더 낮은 순방향 전압을 갖는 LED는 1× 모드를 유지한다. 개별 LED는 V_F 부정합 또는 온도 변화가 발생할 때 다른 시간에 다른 V_IN 레벨에서 -0.5× 모드로 스위칭한다(그림 3참조).

그림 3. Maxim MAX8647/48 차지 펌프 드라이버는 네거티브 차지 펌프 모드 및 각각의 백색 LED에 대한 개별 모드로 스위칭할 수 있어 효율을 향상시킨다.

요약

 각 LED에 대한 개별적인 스위치오버 기능이 있는 네거티브 차지 펌프 백색 LED 드라이버는 기존의 1×/1.5× 포지티브 차지 펌프 백색 LED 솔루션에 비해 효율을 극적으로 향상시키고 배터리 동작 수명을 연장시켜준다(그림 3참조).

 백색 LED는 휴대전화 및 기타 휴대용 기기의 소형 컬러 디스플레이를 위한 완벽한 백라이트 솔루션을 제공한다. 백색 LED는 초소형 크기와 높은 광 출력을 갖는다.

 Jay Kim은 2000년에 휴대용 전력 제품을 위한 제품 설계자(product definer)로 Maxim Integrated Products에 입사했으며, Maxim에 오기 전 LG Electronics와 Advanced Mobile Solutions에서 파워 서플라이 설계자로 근무했다(1988-2000). 1988년 고려대학에서 BSEE 학위를 취득했다.