자동차 인포테인먼트 LCD-TFT 패널 백라이팅을 위한 LED 드라이버 - Technology

자동차에 LED 백라이팅 애플리케이션이 급속히 늘어남으로써 LED 드라이버 IC에 대해 많은 고유의 성능 요구가 제기되고 있다. 이들 LED 드라이버는 또한 입력 전압이나 LED 포워드 전압 변동에 상관 없이 일관된 밝기를 유지하기 위해서 일정한 전류를 제공하고, 높은 효율로 작동하고, 넓은 디밍 비율을 달성하고, 시스템 신뢰성을 향상시키는 다양한 보호 기능을 포함해야 한다.

자동차 인포테인먼트 LCD-TFT 패널 백라이팅을 위한 LED 드라이버

글│Jeff Gruetter, Product Marketing Engineer, Linear Technology

LED 애플리케이션은 인포테인먼트 시스템의 TFT-LCD 패널 백라이팅과 게이지 클러스터, 내부 조명, 제동 표시등, 주간 주행 표시등, 방향 표시등, 가장 최근에는 전조등을 포함한다.

전체 LED 시장 규모가 2012년에는 103억 달러에 이를 것으로 전망된다(프랑스의 Yole Development 자료). 이 중에서 고휘도 및 초고휘도 LED를 합쳐 약 44억5천만 달러를 차지할 전망이다. 이는 2007년에 7억 8300만 달러였던 시장 규모에 비해 거의 5.5배에 달하는 것이다(패키지화 LED 기준). 이러한 놀라운 속도의 성장을 가능하게 하는 원동력의 하나는 첨단 자동차의 LED 조명 채택이다.

LED 애플리케이션은 인포테인먼트 시스템의 TFT-LCD(thing film tran-sistor-liquid crystal display) 패널 백라이팅과 게이지 클러스터, 내부 조명, 제동 표시등, 주간 주행 표시등, 방향 표시등, 가장 최근에는 전조등을 포함한다.

자동차 조명시장의 성장

그렇다면 자동차 조명에 있어서 그와 같은 놀라운 성장 잠재력을 가능하게 하는 요인은 무엇인가?

첫째로, LED는 빛을 발생시키는 것에 있어서 백열등보다는 10배 더 효율적이고 CCFL(cold cathode fluorescent lamp) 등의 형광등보다는 거의 두 배 더 효율적이다.

그러므로 특정한 양의 광 출력(루멘으로 측정)을 제공하기 위해서 필요한 전기 전력의 양과 그와 함께 발생되는 열을 감소시킨다. LED가 계속해서 발전함에 따라서 전기 전력으로 루멘을 발생시킬 때의 효율은 계속해서 향상될 것이다.

둘째, 세계가 갈수록 환경 문제를 중요시하는 가운데 LED 조명은 CCFL/형광등에 흔히 이용되는 유해한 수은 기체를 취급, 노출, 폐기할 필요가 없다.

셋째, 백열등은 약 매 1천 시간마다 교체해야 하고 형광등은 최대 1만 시간 지속되는 것과 비교해서 LED는 수명이 10만 시간 이상에 달한다. 그러므로 대부분의 애플리케이션에서 LED를 고정장치를 필요로 하지 않고 최종 애플리케이션에 영구적으로 임베딩할 수 있다.

이 점은 자동차의 내부에 임베딩되는 자동차 내비게이션/인포테인먼트 패널 백라이팅을 위해서 특히 중요하다. 자동차의 수명이 다할 때까지 교체를 필요로 하지 않기 때문이다. 뿐만 아니라 LED는 경쟁 상대들에 비해서 수십 배 더 소형이고 높이가 낮으므로 LCD 패널을 매우 얇게 할 수 있다. 그러므로 자동차 내부에서 최소한의 공간을 필요로 한다. 또한 RGB(Red, Green, Blue) LED의 조합을 이용해서 거의 무한한 수의 색상을 달성할 수 있다.

LED는 또한 인간의 시각이 감지할 수 있는 것보다 훨씬 더 빠르게 광을 조절하고 턴온/턴오프할 수 있으므로 LCD 디스플레이의 백라이팅을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 동시에 극적인 컨트라스트 비율 및 높은 해상도를 가능하게 한다.

자동차 조명 시스템 디자이너의 가장 중대한 과제는 최신 세대 LED의 모든 이점들을 어떻게 최적으로 활용할 것인가 하는 것이다. LED는 정확하고 효율적인 DC 전류 소스와 디밍 기법을 필요로 하므로 LED 드라이버 IC는 다양한 조건으로 이들 요구를 충족하도록 설계해야 한다. 전력 솔루션은 매우 효율적이고, 기능이 견고하고, 소형이어야 할 뿐만 아니라 경제성이 우수해야 한다.

논란의 여지는 있으나 LED를 구동하기 위해서 가장 까다로운 애플리케이션이 자동차 인포테인먼트 TFT-LCD 백라이팅 애플리케이션일 것이다. 이 애플리케이션은 혹독한 자동차 전기 환경을 견뎌야 하고, 넓은 범위로 변화하는 주위 조명 조건을 보상해야 하고, 매우 공간 제한적인 풋프린트 내에 들어가야 할 뿐만 아니라 그러면서도 매력적인 비용 구조를 유지해야 하기 때문이다.

자동차 LED 백라이팅

소형 크기, 매우 긴 수명, 낮은 전력 소비, 향상된 디밍 성능 등의 이점에 의해서 오늘날 자동차에는 LED TFT-LCD 백라이팅이 폭넓게 채택되고 있다. 인포테인먼트 시스템은 대개 운전자와 탑승객이 편리하게 자신의 위치를 식별하고 오디오 튜닝 및 다양한 기타 작업을 수행할 수 있도록 대쉬보드의 중앙 부위에 LCD 스크린을 탑재한다. 또한 많은 자동차는 뒷좌석 탑승객이 영화나 비디오 게임 등을 즐길 수 있도록 하기 위한 LCD 디스플레이를 포함한다.

전통적으로 이들 디스플레이는 CCFL 백라이팅을 이용했으나 이와 같은 비교적 대형의 전구를 백색 LED의 매우 낮은 높이의 어레이로 교체하는 것이 갈수록 일반화하고 있다. 그럼으로써 더 정밀하고 조절 가능한 백라이팅을 제공할 뿐만 아니라 수월하게 자동차의 수명보다 더 긴 서비스 수명을 제공한다.

이 환경에서 LED를 이용할 때의 이점은 여러 가지 긍정적인 효과를 거둘 수 있다. 첫째, 이들 LED는 최대 10만 시간(11.5 서비스년) 이상에 달하는 고체 수명이 자동차의 수명보다 길므로 교체할 필요가 없다. 그러므로 자동차 업체가 교체를 위한 액세스 가능성을 필요로 하지 않고 ‘in cabin’ 백라이팅에 영구적으로 임베딩할 수 있다. 또한 LED 조명 시스템은 CCFL 전구가 필요로 하는 깊이나 면적을 필요로 하지 않으므로 스타일링을 극적으로 변화시킬 수 있다.

LED는 또한 입력 전기 전력으로 광 출력을 제공하는 것에 있어서 백열등보다 대체적으로 더 효율적이다. 이는 두 가지 긍정적인 효과를 낳는다. 첫째, 자동차 버스로부터 더 적은 전기 전력을 소비하며, 마찬가지로 중요한 점으로서 디스플레이에서 발열되는 열의 양을 감소시킴으로써 대형의 비싼 히트 싱크를 필요로 하지 않는다.

LED 백라이팅의 또 다른 중요한 이점은 고성능 LED 드라이버 IC에 의해서 넓은 디밍 비율을 달성할 수 있다는 것이다. 자동차의 내부가 직사 광선에서부터 완벽한 어둠에 이르기까지 그 사이의 모든 변동을 포함해서 매우 넓은 범위의 주위 조명 조건 변동을 견뎌야 하므로 LED 백라이팅 시스템은 일반적으로 최대 3,000:1에 달하는 매우 넓은 디밍 범위가 가능해야 한다. 적합한 LED 드라이버 IC를 이용함으로써 이러한 넓은 디밍 비율을 달성하기가 비교적 수월하다. 그러나 CCFL 백라이팅에서는 그렇게 하기가 불가능하다.

그림 1은 LCD 기반 인포테인먼트 스크린 예를 보여준다.
그림 1. 내비게이션 LCD 디스플레이

자동차 LED 조명의 설계 파라미터

최적 성능과 긴 작동 수명을 달성하기 위해서 LED는 효과적인 구동 회로를 필요로 한다. 이들 드라이버 IC는 가혹한 자동차 전력 버스로 작동해야 하고 또한 비용 및 공간적으로 효율적이어야 한다. 긴 작동 수명을 유지하기 위해서는 LED 전류와 온도 한계를 초과하지 않아야 한다.

자동차 산업의 중요한 한 가지 과제는 자동차의 전력 버스 상에서 겪는 전기적으로 가혹한 환경을 극복하는 것이다. 문제는 ‘로드 덤프’ 및 ‘콜드 크랭크’라고 하는 트랜션트 조건들이다. 로드 덤프는 얼터네이터가 여전히 배터리를 충전하고 있는 상태에서 배터리 케이블이 차단되는 것이다.

자동차가 작동하고 있는데 배터리 케이블이 느슨하거나 또는 자동차가 주행하고 있는데 배터리 케이블이 끊어질 때 그러한 상황이 발생한다. 그와 같이 배터리 케이블이 갑자기 차단되면 얼터네이터가 차단된 배터리의 최대 충전을 시도함으로써 최대 40V의 트랜션트 전압 스파이크를 발생시킬 수 있다. 얼터네이터 상의 트랜솝(transorb)이 버스 전압을 약 36V로 클램프하고 대부분의 전류 서지를 흡수하나 얼터네이터 하위에 있는 DC/DC 컨버터가 이러한 36V~40V의 트랜션트 전압 스파이크를 겪는다. 이들 컨버터는 이 트랜션트 이벤트 시의 출력 전압을 견디고 동작해야 한다. 일반적으로는 트랜솝을 이용하나 외부적으로 다양한 대안적 보호 회로를 구현할 수 있다. 하지만 이들 회로는 비용과 무게를 추가시키고 공간을 차지한다.

콜드 크랭크는 자동차의 엔진이 특정한 시간 동안 저온 또는 영하 온도에 노출될 때 발생하는 조건이다. 그러면 엔진 오일이 점성이 극히 높아지고 더 높은 토크를 제공하기 위해서 스타터 모터를 필요로 하며 이는 다시 배터리로부터 더 많은 전류를 소비한다. 이러한 대형 전류 부하가 점화 시에 배터리/일차 버스 전압을 4.0V 아래로 끌어내릴 수 있으며 이후에는 통상적으로 공칭 12V로 돌아간다.

이 문제에 대한 새로운 솔루션으로 Linear Technology의 LT3599가 출시되었다. 이는 이들 조건이 발생했을 때 고정적인 출력 전압을 견디고 조정할 수 있다. 입력 전압 범위는 3V~30V이고 40V까지 트랜션트를 보호함으로써 자동차 환경에 이용하기에 적합하다. 36V 트랜션트 시에 발생할 수 있는 것과 같이 VIN이 VOUT보다 높다고 하더라도 LT3599가 필요한 출력 전압을 조정한다.

대부분의 LCD 백라이팅 애플리케이션은 10~15와트의 LED 전력을 필요로 하므로 LT3599는 이 애플리케이션을 지원하도록 설계되었다. 이 디바이스는 각기 직렬로 10개의 100mA LED를 포함하는 최대 4개의 병렬 스트링을 구동하기 위해서 자동차 버스 전압(공칭 12V)을 최대 44V로 높일 수 있다. 그림 2는 각 스트링이 10개의 80A LED로 구성된 4개의 병렬 스트링을 구동하며 총 12W를 제공하는 LT3599의 배선도를 보여준다.

그림 2. LT3599를 이용한 90% 효율 12와트 LED 백라이팅 회로

그림 3. 그림 2의 LT3599의 LED 전류 매칭 및 효율

(a)

(b)

LT3599는 적응식 피드백 루프 디자인을 이용해서 출력 전압을 가장 높은 전압 LED 스트링보다 조금 높게 조절한다. 그럼으로써 밸러스트 회로를 통해서 소실되는 전력을 최소화하고 효율을 최적화한다. 그림 3은 최고 90%에 달하는 LT-3599의 효율을 보여준다. 그럼으로써 히트 싱크를 필요로 하지 않으므로 매우 컴팩트한 로우 프로파일 풋프린트를 제공한다.

구동을 위해 마찬가지로 중요한 점으로서 LED 어레이가 정확한 전류 매칭을 제공하므로 패널 전체에 걸쳐서 백라이팅 밝기가 균일하게 유지되도록 한다. LT3599는 -40℃~125℃ 온도 범위에 걸쳐서 2% 미만의 LED 전류 변동을 제공하는 것으로 보장한다.

온도대비 전류 정합

LT3599는 고정 주파수 정전류 부스트 컨버터 토폴로지를 이용한다. 이의 내부 44V 2A 스위치는 최대 10개의 100mA LED가 직렬로 연결된 4개의 스트링을 구동할 수 있다. 스위칭 주파수를 200kHz에서 2.5MHz 사이로 프로그램하고 동기화할 수 있으므로 스위칭 주파수를 AM 무선 대역 바깥으로 유지할 수 있으며 외부 부품의 크기를 최소화할 수 있다.

이 디자인은 또한 1~4개의 LED 스트링을 구동할 수 있다. 스트링을 적게 이용할수록 각 스트링이 추가적인 LED 전류를 제공할 수 있다. 각각의 LED 스트링이 동일한 수의 LED를 이용하거나 아니면 스트링마다 각기 다른 수의 LED를 이용해서 비대칭으로 구동할 수 있다.

LT3599는 True Color PWM 디밍이나 아니면 제어 핀을 통한 아날로그 디밍을 이용해서 LED를 디밍할 수 있다. True Color PWM은 자동차 애플리케이션에 주로 이용되는 최고 3,000:1의 디밍 비율을 제공한다. 최대 전류로 LED를 PWM함으로써 LED 광의 어떠한 색상 변이를 제거할 수 있으며 주파수가 매우 높으므로 사람의 시각으로 감지할 수 없다.

아날로그 디밍은 CNTRL 핀 전압의 레벨을 변화시킴으로써 최대 20:1의 디밍 비율을 달성할 수 있는 매우 간단한 기법을 제공한다. 이 디밍 기법은 LCD 패널이 작동하는 주위 빛의 변화에 따라서 결정할 수 있다.

또한 LT3599는 개방 및 단락 회로 보호 및 경고 핀을 포함하는 보호 기능들을 통합했다. 예를 들어서 하나 이상의 LED 스트링이 개방 회로이면 LT3599가 나머지 스트링을 조정한다. 모든 스트링이 개방 상태이더라도 계속해서 출력 전압을 조정하고 두 경우 모두 OPENLED 핀을 표시한다. 마찬가지로 VOUT과 어떤 LED 핀 사이에 단락 회로가 발생하면 LT3599가 즉시 그 채널을 턴오프하고 SHOR-TLED 플래그를 설정한다.

채널을 정지시킴으로써 LT3599를 고전력 발열로부터 보호하며 신뢰할 수 있는 동작을 보장한다. 신뢰성을 최적화하는 그 밖의 기능으로서 셧다운 시의 출력 차단, 프로그래머블 저전압 록아웃, 프로그래머블 LED 온도 디레이팅을 포함한다. LT3599의 고전압 용량 및 높은 수준의 통합은 자동차 백라이팅 애플리케이션을 위한 이상적인 LED 드라이버 솔루션을 제공한다.

결론

이들 애플리케이션은 또한 매우 컴팩트하며 열 효율적 솔루션 풋프린트를 필요로 한다. Linear Technology는 LT3599와 같은 LED 드라이버 IC에 그러한 설계 요구들을 그대로 반영했다.

뿐만 아니라 Linear Technology는 LCD 백라이팅에서부터 방향 표시등 및 전조등 애플리케이션에 이르는 자동차 애플리케이션을 겨냥한 다양한 고전류 LED 드라이버 제품군을 개발했다. 그러므로 오늘날의 자동차 조명 시스템 디자이너는 까다로운 LED 조명 디자인을 위해 간편하고 효율적인 LED 드라이버 소스를 이용할 수 있게 되었다.