Technology Focus Ⅲ
이중 전류 레귤레이션 루프가 제공되는 LED 컨트롤러 이용
결함 LED 검출 및 100 : 1 아날로그 디밍
리니어 테크놀로지의 LT3796-1은 보고 기능이 있으며 2개의 독립적 전류 검출 증폭기, 2개의 FB 핀, 상단 차단 스위치 드라이버를 포함하고 있는 LED 컨트롤러이다. 이 디바이스는 견고한 결함 보호 기능과 포괄적인 툴셋을 제공하므로 고신뢰성 조명이나 고성능 아날로그 디밍 등의 까다로운 LED 애플리케이션에 적합하다.
Xin (Shin) Qi Linear Technology Corporation
리니어 테크놀로지의 스위칭 컨트롤러(LT3796-1)는 LED를 구동하기 위한 필수 요구사항으로, 출력을 정전류 또는 정전압으로 레귤레이트하도록 설계된 스위칭 컨트롤러이다. 이 디바이스는 2개의 독립적인 전류 검출 증폭기와 상단 PMOS 차단 스위치 드라이버를 통합하고 있다. 이 스위치 드라이버는 PWM 핀을 이용하여 스위칭 레귤레이터와 결합 동작하도록 하거나, TGEN 핀을 이용하여 독립적으로 동작하도록 할 수 있다.
LT3796-1는 특정 LED 애플리케이션에 따라 필요한 요구를 충족시킬 수 있다. 예를 들어 고신뢰성 조명 애플리케이션에서는 이 컨트롤러를 2개의 LED 스트링이 병렬로 구동되도록 구성하고, 이들 스트링은 서로를 레퍼런스로 이용하여 어느 한쪽 스트링에서 단일 LED 결함이 발생하는 것을 검출한다. 그리고 정확한 아날로그 디밍을 필요로 하는 애플리케이션에서는 2개의 전류 검출 증폭기를 스케일링하여 LED 전류를 고전류 및 저전류의 2개 범위로 레귤레이트함으로써 고전력 LED 드라이버의 아날로그 디밍 성능을 100 : 1로 확장할 수 있다. 이것은 단일 전류 제어 루프를 이용했을 때 통상적으로 가능한 것에 비해 10배 정도 향상된 것이다.
2개의 동일한 병렬 LED 스트링을 구동하면서 결함 LED 검출
부하, 온도, 제조 허용 오차에 따라 포워드 전압이 크게 변동할 수 있으므로 어느 한쪽 스트링에서 단일 LED 성능이 저하되거나 단락되는 것을 검출하는 것은 까다로운 과제일 수 있다. 이러한 변동성에 대응하는 한 가지 방법으로, 매칭된 2개의 스트링을 병렬로 이용, 두 스트링 사이의 포워드 전압을 비교한 후 차이가 있으면 결함이 발생한 것으로 생각하면 된다. 이러한 솔루션에서 이와 같은 스트링은, 총 포워드 전압 강하가 일치하도록 허용 오차가 일정 수준 이내로 선별된 부품들을 이용해야 한다.
단일 출력으로 2개의 병렬 스트링을 구동할 때 발생할 수 있는 문제는, 어느 한쪽 스트링이 개방되거나 비전도 상태로 됐을 때 다른 한쪽 스트링으로 두 배의 전류가 흐를 수 있다는 것이다. LT3796-1의 듀얼 전류 레귤레이션 루프를 이용하면 이와 같은 전류 호깅(Current Hogging) 현상을 방지할 수 있다.
그림 1은 부스트 LED 드라이버로 ISP/ISN 및 CSP/CSN 전류 검출 증폭기를 어떻게 구성하는지 나타낸 것이다. 정상 동작일 경우 ISP/ISN 전류 루프가 제어를 담당하고 LED 전류를 설정한다. LED 스트링 1의 전류를 ISMON으로 보고한다. CSP/CSN 전류 루프는 CSOUT으로 모니터링을 제공한다. 그리고 CSOUT 핀은 LED 스트링 2의 전류를 다음과 같이 보고한다.
2개의 스트링이 일치하지 않으면 보고 핀인 ISMON과 CSOUT이 전압으로 LED 전류 차이를 나타낸다. 이 두 아날로그 신호를 외부에서 비교하면 외부 컨트롤러가 결함 신호를 트리거링 할 수 있다.
그림 2는 스트링 1에서 어느 한 LED가 단락되었을 때의 오실로스코프 파형이다. ISP/ISN 전류 검출 증폭기가 즉시 과전류 이벤트를 검출하고 PMOS 스위치를 차단한다. 한 번의 소프트-스타트 사이클 후, ISP/ISN 전류 루프는 이 LED 스트링을 새로운 출력 전압으로 레귤레이트한다. 그러면 이것은 8개의 LED 포워드 전압 강하에 해당된다. 이 새로운 출력 전압은 9개의 LED를 구동할 수 없으므로, LED 스트링 2가 전류 전도를 중단하고 CSOUT이 0V를 보고한다. 마찬가지로 스트링 2에서 어느 한 LED가 단락되면 CSP/CSN 전류 루프가 제어를 장악하고, 그림 3과 같이 FB2 핀을 통해 출력 전류를 625mA로 레귤레이트한다. 그러면 LED 스트링 1이 전류 전도를 중지하고 ISMON이 0V를 보고한다.
또한 이 컨버터는 상단 PMOS 차단 스위치의 드라이버 핀 TG를 통해 고성능 PWM 디밍과 두 스트링에 대하여 견고한 단락 회로 보호 성능을 제공한다. ISP/ISN 전류 검출 증폭기에 통합된 과전류 비교기는 스트링 1의 단락 회로에 대해 보호를 제공하며 D4, Q1, R9-R11로 이루어진 회로는 스트링 2의 단락 회로를 검출할 경우 FB1 핀을 하이로 구동하고 PMOS 스위치 M2와 M3을 턴오프한다.
100 : 1 아날로그 디밍 비율이 가능한 LED 드라이버
대부분의 고전력 LED 애플리케이션은 높은 아날로그 디밍 비율을 필요로 하는데, 이것은 단일 전류 검출 경로를 이용할 경우 달성하기 어렵다. 문제는 동적 범위이다. 높은 전류일 때는 검출 저항으로 전력 소모를 제한하기 위해 통상적으로 250mV 미만의 낮은 차동 전압을 필요로 한다. 그런데 사용할 수 있는 신호가 매우 낮아서 전류 검출 증폭기의 수mV 정확도가 10% 아날로그 디밍이라고 하더라도 검출 전압 오차에 크게 기여할 수 있다.
LT3796-1의 전류 검출 루프 2개는 전류 레귤레이션 작업을 2개의 루프 사이에서 분할함으로써 높은 아날로그 디밍 비율을 가능하게 한다. 한 루프는 낮은 값의 검출 저항을 이용함으로써 고전류 경로로 전력 소모를 제한할 수 있으며, 또 다른 루프는 저전류 경로로 더 높은 검출 신호를 이용함으로써 전력 소모가 조금 덜 중요할 때 정확도를 향상시킬 수 있다.
그림 4는 LTC1541(단일 패키지로 정밀 레퍼런스, 연산 증폭기, 비교기를 통합한 제품)을 이용하여 LT3796-1을 SEPIC 모드에서 100 : 1 아날로그 디밍 비율을 달성하도록 구성한 것이다.
M2의 RDS(ON)을 무시할 만하다고 했을 때 200mA에서 1A 사이의 고전류 범위에 대해서는 ISP/ISN 전류 루프가 출력 전류를 다음과 같이 레귤레이트 한다.
VCTRL이 1.2V 아래로 떨어지면 LTC1541의 비교기가 TGEN 핀을 로우로 전환하고 M2를 차단한다. 그러면 CSP/CSN 루프만 LED 스트링을 검출 및 레귤레이트한다. CSP/CSN 루프가 제어를 장악하고 있을 때에는 FB2 핀 전압을 1.25V로 레귤레이트 하고, CTRL_IN 입력이 CSOUT 핀에서 R6을 거쳐 전류를 나오게 함으로써 CSP/CSN 임계값을 설정한다.
CSP/CSN 디밍 범위는 668mV부터 33.4mV까지이고 200mA부터 10mA까지 낮은 LED 전류 범위를 검출하면서 정확도를 유지한다. 그림 5와 같이, 2개의 전류 루프를 결합하여 100 : 1 아날로그 디밍 범위를 제공한다.
