한국광기술원
글: 송상빈, 천우영, 김진홍 박사
한국광기술원(www.kopti.re.kr)
최근 LED 소자와 패키징 기술의 향상에 따라 1W 이상의 고출력 LED가 등장하였으며, 기존 조명광원보다 높은 150lm/W가 개발되고 100lm/W 고효율 LED가 상용화 단계에 이르고 있다. 이러한 LED의 고효율화와 고출력화에 따라 경관조명, 가로등, 실내조명 등에 생활 조명산업에 급속히 침투하고 있으며 또한, 초박형 소형·경량화, 장수명, 수십 나노(~10-8) 초 단위의 고속응답 속도, 광색의 시인성 및 색재현성 등은 IT, BT, NT 기술과 융합되어 의료, 농업, 환경, 디스플레이, 정보가전 등의 넓은 응용 분야로 확대되고 있어 차세대 광원으로 각광을 받고 있다.
이러한 LED는 (가)기존 전통조명 광원보다 광변환 효율이 높으며 에너지 소비량이 매우 적고, (나)LED 광원 및 시스템의 소형화, 박형화, 경량화를 이룰 수 있고, (다)고체 반도체소자로써 약 3만 시간 이상의 장수명 및 내구성이 있으며, (라)방전등처럼 수은이나 방전용 가스를 사용하지 않기 때문에 환경 친화적이고, (마)점등 예열시간이 필요 없으며 점·소등 속도(수 10-9초)가 매우 빠르고, (바)안정적인 직류 점등방식으로 반복성 펄스 동작이 가능하며 시신경의 피로를 감소시킬 수 있고, (사)서로 다른 광색과 특성을 가진 LED를 조합하여 다양하고 다이내믹한 광원의 모양과 광색을 표현할 수 있어서 IT, NT, BT 기술과 융합하여 다양한 응용분야에 적용 가능한 장점이 있다. 그러나 LED 조명은 한정되고 좁은 배광각과 높은 휘도에 의한 눈부심 발생, 주위 온도 및 자체 발생 열에 의한 수명 단축 및 광 출력 저하 발생, 기존 광원에 비해 2~30배 이상의 높은 가격에 대한 문제점이 있다.
LED의 급속한 발전으로 LED를 광원으로 이용한 응용제품들이 일반조명 분야뿐 아니라 자동차, 해양조선, 디스플레이, 농업, 의료장비 등 다양한 분야에 전 세계적으로 개발되고 있다. 특히 다양한 광색 및 색온도, 광 출력에 대한 인공지능 제어가 가능하고 광원의 초박형화가 실현되어 다양한 디자인과 제품 슬림화 및 조명기구의 일체화가 실현되는 LED 장점 때문에 미래 조명 광원에 주류가 될 것으로 예상된다. 그리고 미래 IT 기술을 이용한 디지털 컨버전스와의 융합이 가능한 조명통신(Visual Lighting Communication)과 미래 신재생에너지(태양광, 풍력 등)와 결합된 독립형 LED 조명시스템의 구현이 실현되어 미래 사회의 변화를 예고하고 있다.
이러한 응용제품은 LED를 부착할 수 있는 PCB와 LED부를 고정시킬 수 있는 기구부분, 그리고 LED를 구동시키기 위한 회로부분들로 구성되어 있다. 특히 LED부와 기구부분은 LED의 발광으로 인해 발생하는 발열의 열적평형을 유지하기 위해 많은 방열 재료의 접목과 방열효과를 위한 구조들을 포함하고 있다. 구동회로 부분은 LED의 안정적인 구동 및 제어를 실현하기 위해 필요한 전압 및 전류를 인가하는 다양한 형태의 회로들이 적용되고 있다. 최근 LED 구동 및 제어회로는 회로 수명 향상과 컴팩트화, LED 온도 및 방열 특성 정합에 따른 고효율화, 다양한 응용분야 및 차별화를 위한 고기능화를 실현하기 위한 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.
LED 구동회로 소개
초기에 개발된 LED는 발광효율이 높지 않아 주로 표시소자용으로 사용되었다. 이때 주로 사용한 방식은 MPU의 출력포트와 연결하여 기기의 상태를 표시할 수 있는 적은 전류(약 20mA 이하) 수준의 회로들이 주로 적용되었다. 하지만 최근에는 고출력의 LED들이 조명제품에 적용되면서 구동전류의 사양이 이전의 표시용 LED에 비해 매우 크게 증가하였다. 이러한 고출력 LED를 구동시키는데 있어서는 이전의 적은 전류공급 회로에 비해 큰 전류를 공급할 수 있는 회로를 채택하게 되었다. 또한 이러한 LED 구동회로는 IT 기술과 접목되는 제어회로와 결합되어 보다 다양한 기능성을 갖는 LED 조명시스템을 구성하고 있다. 이러한 LED 조명시스템의 회로 구현 방법에 대해 분류해 보면 다음과 같은 방식으로 나누어 볼 수 있다.
* 전원공급 회로(SMPS)와 LED 조명모듈로 구성된 방식
* 전원공급 회로(SMPS)와 드라이버 회로, 그리고 조명모듈로 구성된 방식
* 전원공급 회로(SMPS)와 드라이버 회로, 제어회로 그리고 조명모듈로 구성된 방식
* 전원공급 회로(SMPS)와 드라이버 회로, 제어회로, 원격제어 시스템 그리고 조명모듈로 구성된 방식
이러한 조명시스템의 구현에 있어서 전원공급 회로와 드라이버 회로의 설계는 전체 조명시스템의 안정적인 제품 개발에 있어서 중요한 부분을 차지한다. LED 조명시스템의 전기적인 사양에서 중요한 요소로 인식되고 있는 소비전력, 역률, 고조파 함유율, 효율 등을 결정짓는 부분이 바로 전원공급 회로와 드라이버 회로 부분이다. 이러한 LED 구동회로는 LED 배열과 맞물려 전체 시스템의 성능을 결정짓기 때문에 최근에 많은 기술개발과 회로 표준화 방안에 대한 연구가 진행되고 있다. 이 글에서는 LED 조명시스템의 특성을 반영할 수 있는 LED배열의 구성과 드라이버 IC를 이용한 구동회로 설계 그리고 기능성을 가질 수 있는 제어회로의 설계, 마지막으로 LED조명제품 응용사례에 대한 부분들을 설명하고자 한다.
LED 구동회로 설계 요소 및 절차
LED가 조명분야에 적용되면서 LED의 특성에 부합하는 구동회로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 LED 패키지 및 모듈의 효율과 수명이 기존 광원보다 높더라도 LED 특성에 부합하는 회로가 적용되지 않으면 그 장점이 부각되지 못하게 되고, LED의 감성조명을 실현하고 다양한 기능성을 부가하기 위해서는 구동회로의 설계가 매우 중요하다.
따라서 LED의 특성에 부합하고 조명 환경에 부합되는 회로를 설계하는데 있어서 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
(가) LED 동작 개수 결정: LED 조명제품의 사이즈 및 광출력과 전력을 고려하여 설계
(나) LED 인가전압의 형태: AC, DC, 구형파, 삼각파 등
(다) LED 어레이(Array) 회로 구조
- 직렬구조(LCD BLU 등 디스플레이에 주로 사용)
* 각각의 LED에 일정한 전류가 공급되어 LED 어레이의 균일한 휘도 발생
* 하나의 LED가 소실될 경우 전체 LED 어레이가 소등
- 병렬구조(배터리를 이용한 조명분야에 주로 사용)
* 각각의 LED에 일정한 전류가 공급되지 않아 LED 어레이의 불균일한 휘도 발생
* 하나의 LED가 소실될 경우 전체 LED 어레이에 영향이 없음
- 직병렬구조(일반조명에 주로 사용)
* LED 동작전압과 전류를 고려하여 설계할 경우, 직렬구조와 병렬구조의 장점 부각
(라) LED 동작 제어 방식
- 정전류제어 방식
* 초기 동작시 LED 접합온도가 낮으므로 낮은 전류가 LED에 인가
* 동작 시간 경과 후 자체 발열량에 의해 접합온도 상승하여 높은 전류가 LED에 인가
* 광출력은 LED 접합온도에 반비례하여 동작시간 및 온도에 따른 광출력 변화 적음
* 오랜 시간 점등 동작하는 실내등, 독서등 등에 사용
- 정전류 제어 방식: 동작시간 및 온도에 따른 광출력 변화가 큼
* 동작시간 및 온도에 관계없이 항상 일정전류 제공
* 초기 동작 시 LED 접합온도에 비례하여 높은 광출력을 나타냄
* 동작시간 경과 후 자체 발열량에 의해 접합온도 상승하여 낮은 광출력을 나타냄
* 짧은 동작시간을 나타내는 경광등, 인체감지센서, 섬광등, 화장실등 등에 사용
(마) 온도 보상
- 정격전류를 인가하는 LED 조명기기가 고온 동작 시에 광출력 감소와 색좌표 및 색온도 변화가 발생하여 온도보상회로가 채용되어야 함
- 최근에는 온도 특성에 유리하도록 PWM 제어를 실시하여 Duty 비율 변화
(바) 디지털 제어(주로 PWM 제어)
- 다양한 광색 LED의 광출력을 변화시켜 광색 및 색온도 제어를 통한 감성조명 실현
그리고 LED 구동회로 설계를 위한 절차는 사용되는 LED 특성을 정확히 측정하고 이를 바탕으로 조명상황에 맞는 소비전력 및 동작개수를 결정하며, 이 동작개수에 대한 LED 어레이 회로 토폴로지(Topology)를 결정해야 한다. 여기서 LED 특성을 광학적, 전기적 특성을 정확히 측정하여 구동회로의 동작 제어 방식 및 LED 구조를 결정하여만 구동회로의 가장 중요한 신뢰성 및 특성을 만족시키므로 그 중요성을 이야기하고 싶다. 그리고 결정된 LED 어레이 구조에 대한 구동회로의 동작 해석을 실시하고 이를 바탕으로 회로 소자 및 정수 값을 결정하여 LED 구동회로를 제작한다.
LED 구동 방식
LED 구동방식으로는 DC 구동, AC 구동, PWM 구동으로 분류할 수 있다. 그림 2는 DC전원을 인가하여 LED를 구동하는 기본적인 회로이다. LED는 전압의 작은 변화에 큰 전류 변화를 나타내기 때문에 전압 제어 시 정확한 설계가 필요하다. 예를 들면, 그림 2는 DC 구동에 대한 3가지 전압제어방식을 나타내고 있다.
교류를 이용한 구동은 상용전압을 직접 제어하여 사용하는 방법이다. 이러한 경우에 LED에 순간적으로 높은 전압이 공급되기 때문에 LED를 보호하기 위한 수단이 필요하다. 보통 보호다이오드를 채용하여 LED가 갖는 역방향 전압보다 큰 전압이 걸리는 경우에 LED를 보호한다. 현재 이러한 회로는 회로가 간단하면서도 조광이 가능하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.
펄스구동회로, 즉 변조된 펄스를 광 신호로 바꾸는 회로는 LED의 접합온도가 감소되어 LED의 광속 유지율의 향상을 가져오고, 변조회로가 전지에 의하여 전력을 공급받을 경우에 변조회로의 전력소모가 감소하기 때문에 전지가 갖고 있는 유효 수명을 늘릴 수 있는 이점이 있다. 따라서 현재 많이 쓰이고 있는 방법이며, 온도보상 및 광출력 제어가 간단하고 세밀한 제어가 가능하지만 상용저압에서는 회로가 복잡하다는 단점이 있다.
LED 배열(Array) 방식
5W 이하의 LED는 점광원 형태의 광원으로 10W 이상의 대용량의 조명제품을 구현하기 위해서는 다수의 LED 배열을 통하여 원하는 조명제품의 특성을 만족시킬 수 있으므로 초기 개발 시에 LED 배열을 정확히 구성해야 한다. 이러한 다수의 LED 배열은 전원공급 회로와 연결되어 구동전압 및 전류를 결정하게 되는데, 이는 LED 조명제품의 효율과 신뢰성에 많은 영향을 미치므로 그 중요성이 매우 크다.
그림 5는 일반적으로 많이 사용되고 있는 LED의 배열에 대해 나타내었으며, 왼쪽부터 직렬배열, 병렬배열, 직·병렬 배열에 대한 특징을 살펴보면 다음과 같다.
1. 직렬배열의 경우, 구동전압은 높으나 각 LED의 전류는 동일하다. 그러나 회로의 특성상 배열을 구성하는 LED가 하나라도 불량이 발생할 경우 전체 LED의 구동에 영향을 미치게 된다. 주로 응용분야는 LED BLU 등 개별 LED의 광출력 및 색상 변화를 최소화하기 위한 분야에 사용된다.
2. 병렬배열은 동일 수의 LED를 직렬로 연결한 경우에 비해 구동전압을 낮출 수 있다. 그러나 전류는 높아지게 되고 각 병렬 라인별로 LED의 전기적 특성에 대한 편차가 있기 때문에 광출력 균일도를 유지할 수 없는 방식이다. 이 방식은 LED의 동작개수가 유동적이고 개별 LED의 고장에 의한 영향의 최소화를 위한 채널 간판용 LED 모듈 구동회로 등에 사용된다.
3. 직·병렬배열은 각각의 개별 LED의 불량 발생에 대해 최소한의 광출력 변화를 실현하기 위한 방식이다. 회로설계의 PCB 구현 시에 많은 배선으로 인하여 복잡도가 증가하는 단점을 가지고 있다. 이러한 방식은 직렬과 병렬배열방식의 단점을 보완하는 방식으로 주로 조명용에 많이 사용된다.
LED 구동 방식
부하의 변화 또는 입력전압의 변동에 대해서 LED 배열에 일정 전압 또는 일정전류를 공급하기 위해서는 능동회로를 사용하여야 한다. 이들 회로는 광출력이 부하의 상태나 입력전압의 변동에 무관해야 하며 일정하게 유지되어야 하는데, 그림 6에 다양한 방식을 소개하였다. (a), (b), (c)는 전압을 일정하게 유지하는 회로이고 (d), (e), (f)는 전류를 일정하게 유지하는 회로이다. 각각 Shunt,Series Pass,스위칭 방식으로 구성이 가능한데, Shunt와 Series pass방식은 반도체소자가 능동영역에서 동작한다. 그러나 스위칭 방식은 반도체소자가 on-off로만 동작이 되고 효율이 좋은 반면, 구성이 보다 복잡하지만 회로 구조에 따라서 승압 또는 강압이 가능하다. 스위칭 방식에서의 회로구조는 다양하게 제시되고 있지만, LED 조명과 관련해서는 주로 Buck형 또는 Boost형이 사용된다.
LED는 전류 제어나 전압제어 방식으로 구동이 되는데, 전류제어의 경우 전체전류는 전압, 온도, 순방향전압 불균형 특성과 무관하게 결정된다. 전압제어의 경우는 LED 배열의 순방향전압은 전압변동에 무관하게 유지되게 된다. 그러나 주변온도의 변화와 서로 다른 순방향전압 특성을 갖는 LED를 사용할 경우에 순방향전류에 영향을 줄 수 있다.
LED 구동회로 IC
LED 구동회로를 단순한 LED 조명제품의 부품으로 간추하면 큰 낭패를 볼 수 있다. LED는 반도체소자로써 동작전압 및 전류를 정확히 제어하지 않으면 그 수명과 광출력을 보장할 수 없다. 따라서 LED 구동회로 선택에 있어서 고려해야할 사항은 LED 조명제품의 용도에 맞는 구동방식을 선택해야 한다. 표 1은 LED 구동회로에 대한 입출력 사양, 전력변화방식, 제어방식 등을 고려한 검토조건을 나타내고 있다.
LED를 이용한 조명제품의 구동회로에 있어서 최근에 많이 사용되어지는 방법은 스위칭 레귤레이터 방식에 의한 드라이버 IC를 많이 사용하고 있다. 이는 입력전압의 범위가 넓으며 대부분이 정전류 출력방식을 사용하고 있고, PWM 입력을 받아 출력을 제어하여 밝기를 조절하는 방식을 채택하고 있다. 또한 대부분 많은 LED조명제품 설계에 있어서 Buck 타입의 드라이버 IC를 사용하고 있다. 이는 효율 면에서 우수한 특성을 보이고 사용상 편리함 때문이라고 판단된다. 고출력 LED를 이용한 초기에 사용된 드라이버 IC는 HV9910을 많이 사용하였다. 이 드라이버 IC가 애플리케이션을 구성하는데 설계상 편리한 점을 많이 제공하여 초기 LED 응용제품 개발에 많이 이용되어졌다. 그러나 가격적인 면과 해외제품으로서 납기 문제 등이 발생하여 최근에는 국내에서도 드라이버 IC들이 개발되면서 국내 IC의 사용이 늘고 있다. 국내 드라이버 IC 중에서 DW8501과 DW8525는 고출력 LED 응용 애플리케이션 제작에 솔루션을 제공함으로써 외국의 드라이버 IC와 경쟁을 하고 있다.
DW8501은 최대 출력을 1.5A까지 제공할 수 있으며, 외부의 PWM 디밍(Dimming) 신호를 입력받을 수 있도록 되어 있다. 최근에 LED의 구동에 있어서 디밍 기능은 에너지 절감과 연결되어 조명으로서 반드시 갖추어야 할 기본 요건으로 정의되어 가고 있다. 적용분야로는 상용전원에 대한 백열등 대체 LED전구, 형광등 대체 평판조명 등에 적용 된다. DW8501 드라이버 IC를 이용하여 평판형 조명을 설계 시 적용 구동회로에 대한 것을 그림 7에 나타내었다. 그림 7에서 나타낸 것처럼, Rs의 저항값의 결정에 의해 LED에 흐르는 전류의 값을 정할 수 있다. 전류의 값은 다음의 식과 같이 결정된다.
Iout[mA]=(610[mV]/Rs[Ω])×100
또 하나의 드라이버 IC로 Thermal Shutdown 기능과 Short circuit protection 기능이 포함된 드라이버 IC가 있다. 최대출력 1A를 정전류 방식으로 출력해주는 IC로 입력전압 범위는 6-35V 이다. 이와 같이 Thermal Shutdown 기능이 있는 IC는 정해진 온도 이상으로 회로의 온도가 올라갈 경우 IC의 동작이 멈춤으로 LED도 OFF 상태가 된다. 이와 같은 드라이버 IC를 사용하여 LED 조명제품을 설계할 경우에는 열 설계 부분이 중요한 요소로 등장한다. 내장된 FET의 Switching과 인덕터에 의한 전류의 평활과 FeedBack 전압을 보상하는 회로구성을 통하여 보다 안정적으로 동작할 수 있는 드라이버 IC이다. LED 조명제품에 가장 많이 사용되는 구동회로 AC-DC SMPS 살펴보면 현재 효율은 85% 수명은 15,000~ 20,000시간으로 LED 장점인 고효율, 장수명에 대한 성능을 만족하지 못하고 있다. 구동회로는 Switching 소자, 제어 IC, 트랜스포머, EL-CAP 등등 다양한 부품으로 구성되어 있기 때문에, 각각의 부품에 Stress에 대한 손실의 최소화는 최적 설계가 필요하며, 이는 구동회로 수명과도 관련이 있다. 특히 EL-CAP은 구동회로의 수명에 큰 펙터로 작용한다. 중국제품의 EL-CAP사용으로 SMPS 불량률이 높은 것은 중국제품의 품질이 낮아서 발생하는 것보다 저가격을 위해 Stress 최적 설계에 적합 하지 않는 부품을 사용하기 때문에 발생한다.
LED 제어방식
드라이버 IC를 이용하여 LED 구동회로를 설계할 경우, LED의 기능성을 부여하기 위해서 제어회로가 부가적으로 구성되는 것이 일반적인 설계 방식이다. 제어회로의 경우는 프로세서(Processor)를 사용하여 펌웨어(Firmware) 코드에 의해 원하는 기능을 제공하는 것이 많이 사용되어지는 방식이며, 시스템 구현을 보다 편리하게 하는 방식이다. 제어회로의 기능으로는 온도에 대한 입력을 받아 출력을 보상하는 방식, 통신에 의해 원하는 구동을 할 수 있는 명령처리 방식, 실사(Real time)에 의한 색온도 처리방식, 스위치 입력에 대한 처리 방식 등 다양한 형태의 처리를 알고리즘에 의해 처리할 수 있다. LED 조명제품에 IT적인 요소를 결합하여 보다 차별화된 조명제품 설계에 유용한 방식이다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 LED 모듈의 디밍 처리는 프로세서 내부의 PWM 출력 기능을 이용하는 방식과 I/O 포트(port)를 이용하여 PWM 출력을 구성하는 방식이 있다. 프로세서 내부 타이머 기능을 이용하는 PWM 출력은 정밀도 면에서 매우 우수한 PWM 출력 방식이다. 내부레지스터를 세팅(Setting)하는 이 방법은 레지스터의 기능을 충분히 이해하여 우선시 되어야 한다. I/O 포트의 출력을 이용하여 PWM을 출력하는 방식은 구현하기에 편리한 이점을 가지고 있다. 그러나 절차적인 프로그래밍 방식에 의해 구현된 코드는 딜레이(Delay)의 생성에 많은 시행착오를 거쳐야 한다. 이러한 PWM 신호의 생성에 대한 회로의 그림을 그림 10에 나타냈다.
그림 10의 마이크로컨트롤러는 범용으로 사용되는 컨트롤러로 내부의 Flash 메모리를 가지고 있다. 외부의 메모리에 프로그램을 로딩하는 방식에 비해 개발 시 많은 이점을 가지고 있다. 특히 온도에 대한 센싱부분은 A/D 변환을 통하여 제어할 수 있으므로 기능구현에 편리하다. 인터럽트 포트를 통한 외부의 입력(스위치 입력, Remote control 등) 처리도 가능하다. 그림 10과 같은 형태로 제어회로 부분과 드라이버 IC 구동회로를 설계할 경우 시스템 설계에 편리한 점이 있을 뿐만 아니라 설계도 간편하다. 최근에는 실시간으로 색온도를 변화시키고자 하는 감성조명 실현에 많이 적용되고 있는데, 외부에 실사 클록(clock)을 사용할 경우 주소(Address)만 잡아주면 정확히 원하는 시간에 원하는 색온도 출력을 위한 PWM 신호 출력이 가능하다.
LED 감성조명을 위한 색온도 및 CMS(color management system) 제어
RGB 광색혼합이론을 적용하여 색온도 알고리즘을 개발하였으며, 이러한 RGB 광색혼합이론은 백색을 구현하기 위한 빛의 3원색인 RGB에 대한 자극치 X, Y, Z 함수를 이용하여 색도좌표 x, y값으로 표현하기 위한 것이다. 그림 11은 삼자극치와 1932 CIE 색도좌표 다이어그램를 나타내고 있다. 이러한 RGB 광색혼합이론을 이용하여 색온도 알고리즘을 구현하기 위하여, 우선 RGB LED의 색도좌표(x, y) 및 휘도계수(Y)가 정해지면 이로부터 혼합광에 대한 색도좌표를 가법혼색이론을 적용하여 구할 수 있다.
LED를 조광을 통해 광색 제어하는 경우에는 각 LED의 듀티비를 다음과 같이 고려해야 한다. 따라서 동일한 광색의 LED를 일정한 듀티비(duty ratio) Ti(i=r,g,b)로서 디밍을 하는 경우에는 다음과 같은 듀티비로써 광색을 제어하면 원하는 색도좌표를 갖는 혼합광을 얻을 수 있다.
LED를 이용한 평판조명(BLU포함)에 있어서 LED의 광량에 대한 조절은 중요한 위치를 차지한다. 전체적인 휘도의 균일도를 나타내기 때문이다. 전체적으로 휘도가 균일하지 않을 경우에는 화면으로 표출되어 화면의 불균일성을 나타내게 된다. 또한 색온도가 일정한 값을 유지해야 한다. 일정한 색온도가 유지되지 않을 경우 화면을 볼 때 마다 색상이 다른 화면을 봐야 하기 때문에 사용자의 입장에서는 불편을 초래할 수 있다. 그래서 휘도의 조절과 색온도를 유지시킬 수 있는 제어기능이 필요하게 된다. 그래서 이러한 기능들을 제어할 수 있는 IC를 선정하여 휘도조절과 색온도 조절을 할 수 있는 LED조명 시스템을 설계하게 되었다.
광원으로부터 발생하는 아날로그 R, G, B에 대한 정보를 센서를 통하여 받아들여 내부적인 처리를 거친 후 R, G, B LED의 밝기를 조절할 수 있는 회로에 PWM 신호를 제공하는 역할을 한다. 그림 12에 선정한 IC의 내부 블럭다이어그램을 나타냈다.
그림 12의 왼쪽에는 입력신호들에 대해 나타내었고 오른쪽에는 출력신호에 대한 사항들을 나타내었다. SENSE_X, SENSE_Y, SENSE_Z는 컬러 센서 모듈(Color Sensor Module)로부터 전달되는 R,G,B 색상에 관한 입력신호이다. 이 신호들은 내부의 A/D변환을 거쳐 컬러 컨트롤러(Color Controller)의 알고리즘에 의해 오른편의 출력신호 PWM_R, PWM_G, PWM_B 신호를 제어하는데 사용되어진다. 또 중요하게 사용되는 입력신호로는 SDA, SCL, A1, A0가 있다. 이 부분의 신호는 외부의 마이크로 컨트롤러(Micro Controller)와 통신을 담당하는 부분으로 TWI(Two Wire Interface) 통신을 처리하는 부분이다. SDA는 입력데이터(Data)이고 SCL은 통신을 위한 클록 신호이다. A1, A0는 통신을 위해 IC 디바이스(Device)가 가지고 있는 고유의 ID를 선정하기 위한 부분이다. 그 외의 입력신호로서는 Global RESET과 전원부분에 관한 사항들이 있다. 전체적인 개념은 외부의 마이크로 컨트롤러에 의해 TWI 통신으로 CMS IC 내부의 저항 값들이 세팅되면 그에 맞도록 IC가 동작하여 LED가 구동될 수 있는 PWM 신호를 generation 되는 개념이다.
LED 구동회로의 응용사례
LED 전구는 대략적으로 그림 13과 같이 구조로 설계가 되어있다. LED 전구에 적용되는 구동회로의 주요 설계 요건은 작은 면적에 맞는 간단한 회로 설계가 중요하다. 전구용 구동회로는 fly-back 타입으로 구성하며, 스위칭 소자와 제어 IC가 일체되는 소자를 적용하여 공간의 활용을 넓히는 방법이 있다.
실내 LED 면발광 조명장치는 면적 및 용량이 큰 조명제품으로 LED 구동회로가 외부에 장착 되는 것을 볼 수 있다. 외부에 장착되는 경우는 용량이 40W 이상이며, PF 기능이 부가 때문에 회로 크기가 커지며, 스위칭 소자 및 트랜스포머 등 구성 소자의 방열에도 많은 관심을 가지고 설계를 해야 한다.
가로등과 같은 실외 LED 조명제품에 적용되는 구동회로는 고용량으로 포워드 컨버터(Forward converter)방식을 많이 이용하며, 스위칭 소자 및 트랜스포머 등 구성 소자의 방열이 매우 중요하다. 또한 외부 환경에 맞는 방수, 방진에 알맞은 기구설계가 또한 중요하다.
수술용 무영등에 적합한 LED 배열을 구성하고 최적 제어를 하기 위한 구동회로와 마이크로 컨트롤러 및 센서를 통한 CMS 기능의 제어회로를 시제품으로 개발하였다. 다양한 HB LED를 전기적, 광학적 특성을 측정한 결과 LED 무영등에 적합한 LED를 선택하였고 선정된 LED 특성에 적합하도록 동작개수 및 광학적 배치, 배열 모듈을 구성하였다. 개발된 구동회로에 있어서 LED 구동전류는 350mA, 소비전력은 50W, 조도는 20,000 lux였다.
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