LED 조명을 제어하는데는 여러 가지 방법이 있다. 모든 애플리케이션이 다르고 LED 드라이버는 적절한 매개 변수를 선택해 효율성과 신뢰성을 제공할 수 있다. 기술 발전에 따라 우리는 효율, 스위칭 주파수, 부품수 등의 측면에서 트레이드 오프없이 전력 소비를 최소화 할 수 있는 보다 우수한 LED 드라이버 애플리케이션을 보게 될 것이다. 

적절한 발광 다이오드 드라이버는 에너지 효율적인 시스템을 보다 유연하게 설계할 수 있다.

발광 다이오드(LED)는 전류가 반도체 재료를 통과할 때 빛을 방출하는 반도체 소자다. 그러나 LED가 최상의 성능을 발휘하려면 더 나은 효율성, 신뢰성 및 수명을 제공하기 위해 LED 드라이버의 도움이 필요하다.

 

LED 드라이버는 온도에 따라 변하는 LED의 순방향 전압(VF)을 조절하고 열 폭주를 피하면서 LED에 일정한 전류를 공급함으로써 LED 손상을 방지하는 전기 장치다. LED 드라이버는 또한 새로운 에너지 요구 사항(예 : Energy Star)을 충족시키기 위한 노력을 지원한다.

LED 조명 기술의 꾸준한 성장으로 반도체 시장에서 광범위한 LED 드라이버 IC 옵션이 생성됐다. 적절한 드라이버가 성공적인 응용 프로그램을 만들어낸다. LED 조명, 자동차 조명, LED 간판, 스마트 폰 백라이팅 및 TV 백라이팅과 같은 디밍 LED 응용 프로그램에서 LED 드라이버가 활용되고 있다.

주요 LED 애플리케이션의 개발을 위한 다섯 가지 LED 드라이버 제품을 알아보자.

1. 소형 폼 팩터 램프의 조광

디밍은 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 되므로 ON/OFF 설정을 사용하는 LED 애플리케이션은 거의 없다. 스위치 모드 드라이버 회로의 LED 디밍 방법에는 아날로그 및 PWM (Pulse-Width Modulation) 디밍 방식이 많이 사용된다.

아날로그 디밍은 일반적으로 LED 전류를 조정하는 것을 의미한다. 아날로그 전압을 조정하고 LED 전류를 변경해 디밍을 달성한다. 이 방법은 현재의 변화에 ??따른 색상 변화가 있기 때문에 많은 애플리케이션에서 허용되지 않는다. 대조적으로, 펄스 폭 변조(PWM) 조광은 플리커 효과를 피하기 위해 충분히 높은 주파수에서 ON 및 OFF로 전환해 공칭 LED 전류를 조정함으로써 수행된다.

디밍의 과제 중 하나는 LED 조명을 TRIAC 또는 LED 용으로 설계된 적이 없는 위상 컷 디머와 페어링하는 것이다. 그러나 이 응용 프로그램에서 사용할 수 있는 제품군이 있다. 예를 들어 Power Integrations는 LYTSwitch-7을 제공한다(그림 1). 벅 토폴로지를 지원하기 위해 PFC와 정전류 출력을 결합한 페이즈 컷 디머블 일체형 LED 드라이버 IC다. LYTSwitch-7 제품군은 일체형(single-stage), 높은 PF(역률)의 정전류 LED 디머블 애플리케이션에 적합하다. 이 제품군은 고전압 MOSFET을 가변 온-타임 CrM 컨트롤러와 통합했다. 다양한 보호 기능과 가장 적은 수의 외부 부품을 사용해 최고의 전력 밀도와 기능을 제공한다. CrM 작동을 통해 턴온 손실을 줄이고 출력 다이오드 비용을 줄일 수 있다. LYTSwitch-7 디바이스는 4W~22W의 애플리케이션에 적합하다. 그리고 LYTSwitch -7 피크 전류 모드 작동은 액티브 블리더가 필요없는 TRIAC 애플리케이션에 적합하다.

▲ 그림 1. Power Integrations ‘LYT Switch-7’

2. 자동차 조명

LED 자동차 조명 시장은 활발히 성장하고 있다. 모든 자동차 조명 솔루션에는 고유한 LED 드라이버가 포함돼 있다. 그들은 에너지 절약 솔루션, 가시성 등에 사용된다. 애플리케이션에 따라 때로는 드라이버를 바꾸는 대신 리니어 드라이버를 사용하는 것이 좋다. 이것은 LED 조명이 실외 또는 실내 또는 자동차의 뒤 또는 앞쪽에 있는 경우 자동차 조명에도 적용된다. 그들은 환경과 배치에 따라 다른 수준의 열을 방출한다.

LED 조명은 전조등을 ON, OFF 또는 희미하게 할 때 시야 범위를 넓혀 운전자와 보행자의 안전을 향상시켜 여행의 어느 단계에서나 효율적으로 수행할 수 있다. LED 헤드 라이트는 입력 전압이 조건에 따라 달라질 수 있으므로 몇 가지 문제점을 안고 있다. 따라서 더 나은 성능을 위해서는 스텝 다운(벅) 및 스텝 업(부스트) 토폴로지가 필요하다.

리니어 테크놀로지의 LT3922(그림 2)는 40V, 2A 파워 스위치와 PWM 제너레이터가 내장된 모놀리식 동기식 스텝업 DC/DC 컨버터다. 고정 주파수 피크 전류 모드 제어 방식으로 동작되며 최대 34V까지의 LED 스트링에 대해 ±2% 이내로 LED 전류를 정확하게 제어한다. 내장된 PWM 제너레이터는 최대 128:1의 디밍 비율을 제공한다. 5,000:1의 디밍 비율이 요구되는 애플리케이션에는 LT3922와 외장 PWM 제너레이터를 사용하면 된다. LT3922의 입력 전압 범위는 2.8V ~ 36V로서 자동차, 산업용, 건축 조명 같은 매우 다양한 애플리케이션에 적합하다. 리니어 테크놀로지 고유의 사일런트 스위처(Silent Switcher) 토폴로지와 대역 확산 주파수 변조 기술이 결합되어 EMI 문제를 최소화한다. LT3922는 자동차용 전원 입력에서 최대 34V, 350mA의 백색 LED를 10W 이상 구동 가능하다. LT3922는 하이사이드 전류 감지를 통합하고 있어서 부스트 모드와 벅 모드 또는 벅-부스트 토폴로지에 사용할 수 있다. 

▲ 그림 2. 리니어테크놀로지 ‘LT3922’

3. 16×16 LED 디스플레이

간판, 대중 교통 표지 등과 같은 실외용으로 매우 유용하기 때문에 16×16 디스플레이가 점점 보편화되고 있다. 오늘날 대부분의 LED 디스플레이는 8×8이며 많은 국제 영숫자 문자를 전달할 수 없다. 그러나 16×16 디스플레이를 사용하면 더 많은 LED가 필요한 여러 언어로 표지판을 만들 수 있다.

최근 Maxim은 4개의 MAX7219 LED 드라이버를 통합해 256개의 LED가 있는 16x16 디스플레이를 생성하는 기준 설계 MAXREFDES99 #(그림 3)를 출시했다. MAXREFDES99 #은 최소 7W의 전력과 7.5V dc ~ 12V dc 범위의 출력 전압을 제공하는 벽 사마에서 전원을 공급받을 수 있다. 레퍼런스 디자인은 Arduino 및 ARM mbed 플랫폼 모두에서 작동한다.

▲ 그림 3. 맥심 ‘MAXREFDES99#’

MAX7219는 마이크로 프로세서(μP)를 최대 8자리 숫자의 7세그먼트 숫자 LED 디스플레이, 막대 그래프 디스플레이 또는 64 개별 LED에 연결하는 소형 직렬 입/출력 공통 음극 디스플레이 드라이버다. 

4. 스마트 폰 백라이팅

LED는 더 얇은 백라이트 설계를 가능하게 하고 PCB 면적을 줄이고 비용을 절감하는 고급 백라이트 아키텍처를 지원한다. LED의 양은 스마트폰 디스플레이의 크기에 따라 달라진다. 더 큰 디스플레이는 백라이팅 애플리케이션을 위해 더 많은 LED를 필요로 한다.

유도 성 드라이버(유도 DC-DC 컨버터)는 여러 개의 LED 스트링으로 애플리케이션을 구동 할 때 매우 효율적이다. 낮은 출력 전압에서 단일 LED 스트링보다 더 효율적으로 작동하기 때문에 배터리 런타임이 길어진다.

AMS의 AS3492(그림 4)는 시스템 효율이 86%(DC-DC 및 전류 소스 결합)인 두 개의 LED로 각각 최대 5개의 스트링을 구동할 수 있는 유도 DC-DC 컨버터다. DC-DC 컨버터는 2MHz의 고정 주파수에서 동작하며 소프트 스타트 업을 포함하고 있어 잡음에 민감한 RF 시스템에 쉽게 통합할 수 있다.

▲ 그림 4. AMS ‘AS 3492’

DC-DC 컨버터의 출력은 최대 10개의 LED에 연결된 5개의 전류 소스에 사용된다. AS3496에는 단락 보호(SLP), 개방형 LED 보호(OLP) 및 과전압 보호(OVP)와 같은 기본 보호 메커니즘이 내장돼 있다. 이 디스플레이 백라이트 드라이버는 휴대폰, 디지털 카메라, PND 및 PMP 용으로 특별히 설계됐다.

5. TV 백라이트

LED는 다양한 크기의 TV, 모니터, 노트북 등의 백라이트 기술을 위한 냉 음극 형광 램프(CCFL) 및 액정 디스플레이(LCD)를 대체해 왔다.

TV 또는 모니터의 백라이트 장치(BLU)는 전력 소비의 주요 원천이다. LED 드라이버는 직접 백라이트 및 에지 백라이트와 같은 다양한 백라이트 아키텍처를 통해 상당한 전력 절감 효과를 제공한다. 에지 백라이트 아키텍처에서는 LED가 디스플레이의 가장자리를 둘러싸고 있다. 이러한 접근 방식은 적은 수의 LED를 사용함으로써 비용 절감의 이점을 제공한다. 직접 백라이트 아키텍처는 LED를 디스플레이 바로 뒤에 놓는다. 이렇게 하면 더 나은 명암비를 얻을 수 있지만 더 높은 비용을 제공한다.

LED 백라이트 애플리케이션에는 두 가지 주요 디밍 모드, 즉 글로벌 디밍과 로컬 디밍이 사용된다.

이 시장을 겨냥한 제품 중에는 중소형 LCD 패널 백라이트 용 LED 드라이버인 NXP 반도체의 MC34844(그림 5)가 있다. 특히, 저전력 휴대용 및 고화질 기기(예 : 모니터 및 HDTV, 42 인치, 개인용 컴퓨터 노트북, GPS 스크린, 소형 스크린 TV 등)에 사용된다. MC34844는 7V에서 28V 전원으로 작동하며 10개의 병렬 스트링으로 최대 160개의 LED를 구동할 수 있다. 통합 부스트 컨버터는 모든 LED를 선택된 전류로 비추는데 필요한 최소 출력 전압을 생성해 90% 효율(DC-DC)을 제공한다. MC34844는 또한 LED 디밍을 위한 PWM 발생기를 포함하고 있다.

▲ 그림 5. NXP 반도체 ‘MC34844’

LED는 I2C/SM 버스 인터페이스를 통해 프로그래밍 된 256개의 레벨 중 하나로 흐리게 표시될 수 있다. 따라서 최대 65,000 : 1 (256 : 1 PWM, 256 : 1 전류 DAC)의 디밍 비율을 지원할 수 있다. 외부 PWM 입력도 사용할 수 있다.

MC34844는 LED 과열 보호, LED 단락 보호 및 LED 개방 회로 보호 기능을 갖추고 있다. 이 IC에는 과전압 보호, 과전류 보호 및 저전압 차단 기능이 있다. 다수의 LED를 직렬로 구동하기에 충분한 전압을 달성하기 위해 부스트 컨버터가 구현돼 보다 작은 전압에서 보다 높은 전압을 발생시키며, 이는 일반적으로 논리 블록이 기능을 수행하는데 사용된다. 

김진희 기자 (eled@hellot.net)