내부 PWM 디밍과 확산 스펙트럼 기법 결합

4개의 전력 스위치를 갖는 동기식 벅-부스트 컨버터는 스텝업 및 스텝다운 DC/DC 변환을 모두 제공하면서 매우 높은 효율을 제공할 수 있다. 또 2개의 개별 컨버터(벅 및 부스트) 기능을 결합하므로 솔루션 크기와 비용을 줄여주는 장점이 있다.

4-스위치 컨버터는 스텝업 또는 스텝다운 변환만 필요할 경우 최고 효율을 위해 단 2개 스위치로 동작할 수 있어야 한다.

그러나 Vin과 Vout의 상태에 따라 4-스위치 동작을 이용할 수 있어야 하고 이러한 동작 모드 사이에 매끄럽게 전환할 수 있어야 한다. 2-스위치 부스트, 2-스위치 벅, 그리고 4-스위치 동작을 위한 제어 루프를 결합하고 이러한 동작 영역 사이에 거의 완벽하고 매끄러운 전환을 설계하기는 어렵다. 하지만 차세대 벅-부스트 컨버터는 이러한 과제를 해결하며 그 이상을 구현한다.

LT8391 60V 4-스위치 벅-부스트 LED 드라이버는 최대 250W 고출력 LED를 구동하고 2-스위치 부스트, 4-스위치 벅-부스트, 2-스위치 벅 동작 영역 사이에 매끄럽게 전환하도록 설계됐다.
특허 출원 중인 4-스위치 벅-부스트 전류 감지 저항 제어 구조는 단일 감지 저항으로 모든 동작 영역에서 IC가 피크 전류 모드 제어에서 동작하는 단순하면서 완벽한 방법을 제공한다.

이 차세대 벅-부스트 LED 드라이버는 함께 동작하는 확산 스펙트럼 주파수 변조와 내부에서 생성되는 PWM 디밍을 제공한다.

LT8391은 확산 스펙트럼 적용 시에도 내부 및 외부 PWM 디밍에서 모두 깜빡임 없는 PWM 디밍을 제공한다(특허 출원 중인 또 하나의 기술).

 98% 효율 벅-부스트 LED 드라이버

[그림1]의 LT8391 고전력 벅-부스트 LED 드라이버는 넓은 입력 전압 범위로부터 2A에서 25V LED를 구동한다. 효율은 최고 지점에서 98%에 도달할 수 있다. 일반적인 자동차 배터리 범위인 9V~16V에서 컨버터는 95%~97% 효율에서 동작한다.

단일 고전력 인덕터 사용시 50W에서도 온도 상승은 낮다. 12VIN에서 25도(°C) 이상 온도가 상승하는 부품은 없다. 6VIN에서 표준 4-레이어 PCB 및 히트싱크나 공기흐름이 없는 조건에서 가장 온도가 높은 부품은 50도(°C)를 넘게 상승하지 않는다.

이러한 특징은 컨버터의 출력을 증가시킬 여지를 남겨주며 수백 와트가 가능하다. [그림2]

LT8391은 최저 4VIN까지 동작하지만 IIN은 매우 높을 수 있다. LT8391은 매우 높은 입력 전류를 처리하거나 피크 스위치 전류 제한을 사용해 출력 전력을 낮추면서 낮은 VIN에서 안정적으로 동작하도록 설계됐다.

이것은 전력 부품 크기나 비용을 증가시키지 않고도 컨버터를 자동차 콜드-크랭크 전압이나 다른 VIN 강하에서 동작할 수 있게 한다.

LT8391은 깜빡임 없이 1000:1 PWM 디밍을 달성할 수 있다. 하이 사이드 PWM(TG) MOSFET PWM이 접지된 LED 스트링을 디밍한다. 이것은 또한 단락 회로시 과전류 분리 기능을 한다.

내부에서 생성되는 PWM 디밍

LT8391은 표준 외부 PWM 디밍과 내부에서 생성되는 PWM 디밍을 모두 제공한다.
LT8391의 고유 내부 PWM 디밍은 클록킹 디바이스와 마이크로컨트롤러와 같은 부품의 필요를 없애주며, 128:1과 같은 높은 비율로 정확한 PWM 밝기를 생성한다.

200㎐와 같이 IC의 내부에서 생성되는 PWM 주파수는 RP 핀의 간단한 저항을 이용해 설정한다. PWM 핀에서 1V~2V 사이의 전압은 PWM 듀티 사이클을 결정한다.

내부 디밍의 듀티 사이클은 128 스텝의 하나로 선택되며 내부 히스테리시스는 듀티 사이클 채터를 방지한다. 내부에서 생성되는 PWM 디밍의 정확도는 ±1% 미만이며 모든 동작 영역에 동일하다.

EMI를 저감시키는 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM)

SSFM은 스위칭 레귤레이터에서 EMI를 감소시킨다. 스위칭 주파수는 주로 AM 대역(530㎑~1.8㎒) 밖에서 선택되지만 완화되지 않은 스위칭 고조파는 여전히 AM 대역 내에서 엄격한 자동차 EMI 요구사항을 위반할 수 있다. SSFM을 추가하면 다른 영역은 물론 AM 대역 내에서 모두 EMI를 크게 줄일 수 있다.

SSFM을 작동하면 LT8391의 50W LED 드라이버 EMI가 AM 대역에서 CISPR25(클래스 5)의 피크 및 평균 EMI 요구사항보다 낮게 떨어진다.

CISPR25 평균 EMI 제한은 일부 경우 피크 제한보다 20dB킮 더 낮으므로 스위처의 경우 통과하기가 더 어렵다. 이러한 이유로 LT8391의 새로운 SSFM은 평균 EMI를 피크 EMI보다 더 많이 감소시켜 평균 EMI 저감은 18dB킮 이상이고 피크 EMI 저감은 약 5dB킮다. [그림3]

일부 LED 컨버터에서 SSFM 및 PWM 디밍은 함께 작동하면 깜빡임이 발생한다. SSFM은 EMI를 확산되지 않은 피크 값보다 낮춰 확산하기 위해 스위칭 주파수 변경 소스로 외부에는 잡음처럼 나타날 수 있지만 깜빡임 없는 동작을 위해 PWM 디밍과 함께 작동할 수 있다.

리니어의 특허 출원 중인 PWM 디밍과 SSFM 동작은 높은 디밍 비율에서도 깜빡임 없는 동작으로 두 기능을 동시에 실행할 수 있다. 외부 PWM의 1000:1 PWM 디밍 및 내부 PWM의 128:1에서 SSFM은 깜빡임 없는 LED 전류로 동작한다. [그림4] 

글: 키스 솔루샤(Keith Szolusha) 리니어 파워 매니지먼트 제품
애플리케이션 엔지니어링 부문 리더
자료제공: 리니어테크놀로지(www.linear.com)