[ Technical FocusⅡ]
고전압, 고휘도 LED 구동

국가적인 차원에서 백열등 사용량이 지속적으로 줄고 있고, 기업의 경우에도 대안 조명 방식, 즉 LED와 CFL을 우선적으로 선택하여 에너지 절약을 구체화하고 있는 요즘과 같은 상황에 저비용 친환경 조명 솔루션은 그 어느 때보다 필요한 실정이다. 현재 두 가지 대안 조명 모두 실현할 수는 있지만, 아직 가야 할 길이 멀다고 할 수 있다.

Dave Priscak Texas Instruments

백열등을 대체할 두 가지 대안 조명 방식 중 CFL(Compact Fluorescent Lamp) 조명의 가장 큰 단점은 반응 속 도가 느리고 디밍 성능이 빈약하다는 점이다. 그러나 LED 솔루션에 비해 비 용이 훨씬 저렴하다는 장점도 갖고 있다. 반면에 LED는 반응이 우수하고 디 밍 성능 역시 우수하지만 비용 문제로 인해 보급률이 저조하다.
반도체 제조업체들은 시스템의 복잡 성과 비용을 줄일 수 있는 새로운 LED 드라이버 구성품을 지속적으로 만들고 있다. 그러는 동안 LED 제조 업체들은 LED 조절을 위한 전력 소모량을 저감 시키고 필요한 LED의 수를 줄이기 위 해 고휘도 LED의 효율성(발광 효율)을 향상시키려고 노력하고 있다.
그러한 혁신적인 노력 중 하나가 바 로 고전압, 고휘도(HVHB) LED를 도입 한 것이다. 이 LED의 경우, 전류가 흐 르기 시작하려면 훨씬 더 높은 전압과 그에 따른 발광 특성이 요구된다. 이 LED는 새로운 과제와 함께 기회를 제공한다. AC 라인 OFF 상태에서 직접 자체 구동되도록 설계됐음에도 불구하 고 낮은 효율성, 낮은 전력 효율, 디밍 불능과 같은 요소로 인해 제공할 수 있 는 애플리케이션의 수가 제한된다.



그림 1을 보면 AC 라인이 OFF인 상 태에서 직접 LED를 구동하는 데 따른 문제점을 확인할 수 있다. 전체 전압 범위(90∼135Vac 또는 207∼253Vac)를 충족시키기 위해, 순전압 강하(Vf)는 가장 낮은 AC 전압 이하에서 존재해야 한다. 이는 전압이 상위 한계 상태에 있을 때 전류를 제한하는 레지스터에서 전압 이 강하한다는 것을 의미한다. 이로 인 해 손실이 발생하고 효율성이 급격히 떨어진다. 또한 열이 발생하여 LED의 수명을 제한할 수도 있다.
이제 그림 1에서 켜지는 시간을 확인 해 보자. LED는 Vf를 충족시키거나 이 를 초과할 때에만 켜지므로 발광시키려 면 피크 전압이 사용된다. 전체 AC 기 간에서 아주 적은 부분을 차지하므로 역률은 매우 낮다(미국, 유럽, 인도에서 요구되는 등급보다 훨씬 낮아 주거용 조명과 상업용 조명에는 사용할 수 없 다). 다시 말해, 전력 공급 업체들은 이 LED의 피크 전력 수요를 충족시키기 위해 필요 이상으로 더 많은 전력을 공급해야 한다.

마지막으로, 대다수의 조광기(TRIAC 또는 전자식)는 램프에 제공된 AC 파형 을 재단하여 작동하므로 램프가 작동하 는 짧은 기간 동안에만 디밍이 발생한 다. 즉, 디밍 범위의 90% 이상에서 램프 는 완전히 켜지거나 완전히 꺼진 상태 가 될 것이다.
그럼에도 불구하고, HVHB LED는 저전압 제품과 비교했을 때 몇 가지 장 점을 갖고 있다. 드라이버 관점에서 볼 때, 이 LED는 부스트 PFC(Power Factor Correction) 공급 장치(그림 2) 로부터 직접 구동할 수 있다.
이 토폴로지는 AC 전압 파형과 전류 소모를 일치시켜 부하로 전달되는 전 력을 컨트롤하여 우수한 전력 효율(역 률)을 보장한다(일반적으로 0.97이상). 이러한 PFC 형태는 미국, 유럽, 인 도에서 주거용과 상업용 조명 판매에 필수적인 7 또는 9항의 규제 기관 요구 조건을 쉽게 충족시킨다. 입력 전압 부 스팅에 추가된 이점은 입력 전압과 상 관 없이 하나의 전원 공급 장치를 사용 할 수 있을 정도로 충분히 높은 전압을 생성할 수 있는 기능이다. 따라서 일반 적인 입력 LED 조명(90∼253Vac)을 얻을 수 있다.
그러나 항상 그렇듯이 일반적인 입력 에는 상충되는 부분이 존재한다. 120Vac와 220Vac의 애플리케이션 을 모두 만족시키는 설계는 하나의 제 품 설계, 하나의 구성, 하나의 재고 품목 이라는 장점을 제공한다. 그러나 이를 가능하게 하려면 110Vac 작동에 요구되 는 것보다 더 높은 전압과, 고전압 애플 리케이션에 요구되는 것보다 더 높은 전류를 견딜 수 있도록 설계해야 한다. 이와 같은 설계는 각각의 전압 범위에 최적화된 솔루션과 비교했을 때 더 높 은 BOM과 더 큰 구성품을 요구한다.
고전압은 주어진 출력에 비해 낮은 전류를 의미하기도 한다. 예를 들어, 총 380Vdc의 Vf를 가진 16W LED 광원을 만드는 데(4개의 4W LED를 직렬/병렬 로 사용하여) 필요한 전류는 불과 42mA이다. 전류가 낮다는 것은 저장 정전용량이 적어 수명이 길며 상대적으 로 저렴한 세라믹 콘덴서를 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 그러한 콘덴서 를 사용할 경우에는 전해 콘덴서를 사 용할 필요가 없으므로 전체적인 광원의 수명을 증가시킬 수 있다.
일반적으로“수명이 긴”전해는 20,000시간이지만, 과열될 경우 급격 하게 줄어드는 반면 LED는 50,000시 간의 수명을 갖는다. 이러한 LED는 가 로등, 높이가 높은 등대, 주변 온도가 높 은 곳에서 사용되는 애플리케이션에서 상당한 성과를 이루고 있다.
효율성이라는 관점에서, 스위치 모드 LED 드라이버의 주요 손실 요인은 LED 자체의 스위칭 전원 공급(IC), 드 라이브 FET, 정류기이다.
적절한 주파수(예를 들면 150KHz)에 서 스위칭 주파수를 유지시키면 FET에 서의 스위칭 손실이 최소화되며, 전류 가 낮으면 정류기에서의 전력 손실이 줄어든다.
또한 90%를 초과하는 효율성을 기대 할 수 있으며 전체 VIN 범위에서만 약간 달라질 수 있다. 그리고 다음과 같이 다 양한 방법으로 역률을 보정할 수 있다.

① 능동적으로 : 전류 소비와 입력 전 압을 일치시키기 위한 내장 알고 리즘을 가진 IC 이용
② 밸리-필(valley-fill) 기술 : AC 입 력이 진행 중일 때 전류를 공급하 기 위해 라우팅 다이오드와 저장 콘덴서가 필요
③ 자연적으로 : 불연속으로 작동하 는 플라이백(flyback) 구성으로 스 위치 모드 전원 공급 또는 SMPS 밸리-필(Valley-fill) 작동은 수명이 짧은 전해를 요구하여 드라이버 수명을 제한하고, 플라이백 작동은 많은 전자 파(EMI) 방출(변압기의 흐름 손실을 통 해)과 전도(반사 전압과 불연속적인 작 동으로 인한 높은 전압과 전류 스파이 크를 통해, VIN＋VOUT과 같아진다)를 생 성하고 변압기 비용을 요구한다.

저전압 LED 구동에 이와 같은 기술 을 사용하려면 먼저 PFC를 위한 입력 전압을 부스트한 후 전압을 LED 스트 링의 Vf 강하까지 내려야 한다. 이로 인 해 복잡성이 증가하고 드라이버 비용이 증가하며, 높은 PFC 전압을 LED 전류 로 변환하기 위해 전체 전력 단계가 추 가되기도 한다. 저전압 LED를 구동할 수 있는 보다 일반적인 방법은 불연속 적인 방법으로 작동하는 플라이백 토폴 로지에서 전원 공급 장치를 사용하는 것이다(그림 3). 변압기의 권수비는 VIN 과 Vf간 전압 차이를 극복하는 데 도움 을 준다.
이 토폴로지의 단점은 복잡성(연결로 인한 높은 비용), 유니버설 AC 입력 수 용 불능, EMI 전도 및 방출 증가(반사 전압과 변압기의 흐름 손실로 인해)이 다. 또한 벌크 콘덴서 없이 설계하는 것 은 무척 까다롭다.
고전압 벌크 콘덴서는 일반적으로 전 해질이며 특히 뜨거운 조건에서 수명이 제한된다. 게다가 전압이 낮을수록 전 류가 높아져 선택한 LED의 출력이 제 한될 뿐만 아니라 전력 경로 구성품의 온도와 크기가 증가하게 된다.
LED 조명의 중요한 속성 중 하나로 기존의 디밍 솔루션(주로 TRIAC 기반) 을 이용하여 디밍할 수 있는 능력을 들 수 있다. 이러한 디밍 기능은 TRIAC 구 간 전체 범위에서 가능하며 CFL 옵션 뿐만 아니라 적절하게 구동되는 LED와 그렇지 못한 LED, 자체 구동되는 LED 를 구별한다.
전도 모드에서 조광기를 유지하려면 깜박거림(TRIAC 오작동)을 방지하고 약간 흐린 상태에서 충분한 부하를 제 공해야 한다. 전도성 EMI의 제한은 입 력 파형으로 역 전파(따라서 FCC 규격 을 위반)하기 위해 필수적이며, AC 라 인 필터링은 LED에서 60Hz 파형이 구 동 전압에 미치는 영향을 줄이기 위해 필수적이다.
디밍은 TRIAC 디밍 동안 AC 신호를 “디코딩”하고 결과를 전압이나 전류로 변환하여 이루어진다. 이는 전원 공급 장치에 직접 삽입되거나 펄스 폭 변조 (PWM) 신호로 변환되어 디밍 비율에 따라 LED가 켜지는 시간을 조절할 수 있다.



디밍 시에는 상충이 발생한다. 드라 이브의 피드백 경로로 투입된 아날로그 전압이나 전류는 가장 저렴한 방법이며 최소한의 추가 회로를 요구한다. 그러 나 여러 가지 단점도 포함하고 있다.
루프 안정성은 PWM SMPS에서 침 해될 수 있으며 과도 전압 시 진동이나 울림이 발생한다.
이는 LED의 광출력 에서 깜박거림으로 나타날 수 있다. 다 른 단점으로는 아날로그 디밍이 LED를 통과하는 전류를 줄여 디밍 범위에서 색상 변화를 일으킨다는 것을 들 수 있 다. 예를 들어, 최대 전류에서의 블루- 화이트 LED는 낮은 전류에서 옐로우- 화이트로 보일 수도 있다.
디지털 디밍(예를 들면 PWM)을 사용 할 경우, LED 스트링을 병렬 FET로 “쇼팅(Shorting)”하여 켜고 끄거나 전 류 감응 레지스터로 FET를 병렬 배치 하여 접지로부터 분리한다. 이 방법에 서 전류는 LED를 통과하여 일정한 상 태로 유지되지만, 일정한 시간 동안 켜 져 있기 때문에 흐리게 보인다. 장점은 색상이 디밍 범위에서 변하지 않는다는 것이다.
에버라이트 HiVo 시리즈와 같은 LED는 110Vac와 220Vac 전압을 수용 할 수 있는 Vf 범위를 가진다. 2개의 220Vac LED를 직렬로 연결할 경우, 능 동적인 PFC 부스트 설계로 모든 입력 전압(90∼277Vac)을 수용할 수 있다. 이를 직렬이나 병렬로 연결할 경우 여 러전력및전압구성을다룰수있는유 연성을 얻을 수 있다.


결론적으로 PFC 부스트 구성으로 구 동할 때 HVHB LED는 작은 크기, 높은 PFC, 높은 효율성, 낮은 비용, 낮은 복 잡성이라는 장점을 갖게 된다. 이러한 장점 덕분에 오늘날의 시장에서 이용되 는 것이며 CFL 조명 솔루션과 비교되 는 경쟁력 있고 매력적인 솔루션을 구 현할 수 있는 것이다.


참고문헌
(1) HVHB LED과 관련한 자세한 정보는 에버라이트 일렉트로닉스(Everlight Electronics)사에서 확인할 수 있다.
(2) TI가 제공하는 LED 솔루션에 대한 자세한 정보는 www.ti.com/led-ca에서 확인할 수 있다.