혼성 신호 및 고전압 PIC16HV785 MCU 사용하는 벅-부스트 LED 드라이버

마이크로칩 테크놀로지

광전환 효율이 낮아 전력소모량이 많고, 전구 수명이 짧아 사용자들의 많은 불편함을 자아내던 백열전구가 최근 유럽에서 단계적으로 퇴출되는 법안이 발효됨에 따라, 대체 광원인 LED 조명시장에 탄력이 붙게 됐다.
LED는 백열전구보다 일반적으로 세 배 이상 효율이 뛰어나고 내구성이 매우 우수하여 전도유망한 광원으로 급부상해왔다. LED의 기술발전 속도가 급격하게 빨라지는 시기에 발맞춰 효율적인 고전력 LED 구동 회로를 구현하는 방법에 대해 알아본다.

글: 스티브 보울링(Steve Bowling) / 루치오 디 자시오(Lucio Di Jasio)
마이크로칩 테크놀로지(www.microchip.com)

LED 관련 배경 정보

LED는 최근 수년 동안 실용적이면서 전도유망한 광원으로 부상해왔다. 따라서 이제는 더 이상 전자 장비의 '상태 표시기'로만 사용되지는 않는다. 기술이 발전함에 따라 백열전구보다 일반적으로 세 배 이상 효율이 뛰어난 LED가 나오게 되었다. 또한 LED는 내구성이 매우 뛰어나며 수명도 몇 만 시간을 초과한다.
조명 애플리케이션을 위한 파워 LED는 정전류 소스와 함께 구동되도록 디자인되어 있다. 일반적으로 서로 다른 LED 제조업체들 사이에서도 표준 전류 구동 레벨을 확인할 수 있는데, 350mA 및 700mA의 전류 구동 레벨이 보편적이다.
LED에 흐르는 순방향 전압은 직렬로 연결된 접점의 수와 유형에 따라 달라질 수 있다. 많은 파워 LED 제조업체들은 단일 모듈에 통합된 형태의 다중 접점을 제공하게 될 것이다. LED를 구동시키는 데 사용할 수 있는 간단한 방법은 전류를 제한하기 위해 저항을 직렬로 설치하는 것이다. 선형 전압 레귤레이터 또는 연산 증폭기(op-amp) 회로를 정전류 구성으로 연결할 수도 있다. 그러나 이러한 선형 방법을 사용할 경우에는 필요한 전력 레벨에서 효율이 부족한 상황이 발생하게 된다. 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는 LED 구동을 위한 훨씬 더 효율적인 솔루션을 제공한다. SMPS는 필요한 LED 전류를 제공하기 위해 입력 전압을 적당한 레벨로 낮추거나(buck) 끌어올릴(boost) 수 있다. 시스템 입력 전압 범위와 필요한 LED 순방향 전압에 따라 선택하는 SMPS 토폴러지가 결정된다.

벅 부스트 컨버터

벅-부스트 컨버터 토폴러지는 공급 전압이 필요한 출력 전압보다 높거나 낮을 수 있는 경우에 사용한다. 벅-부스트 컨버터는 배터리 애플리케이션에 특히 유용하다. 벅-부스트 토폴러지는 플라이백(Fly-back) 또는 인버팅 레귤레이터라고도 한다.
벅-부스트 컨버터는 그림 1과 같이 구현할 수 있다.
이러한 구현은 단순한 로우 사이드 MOSFET 드라이버 회로를 사용할 수 있다는 이점이 있다. 그림 1에 소개된 토폴러지는 입력-전압 레일로 참조되는 양의 전압을 발생시킨다. 이 벅-부스트 구현의 단점은 부하가 회로 접지로 참조되지 않는다는 것이다.

PIC16HV785를 사용한 회로 구현

그림 2에는 PIC16HV785와 같은 혼성 신호 고전압 8비트 마이크로컨트롤러를 사용한 단순화된 LED 드라이버 회로 디자인이 나와 있다. 이 회로의 출력은 접지가 아닌 배터리 전압으로 참조된다. 인버터 출력은 LED 양극에 연결되어 있으며 입력 전압보다 큰 전압을 발생시킨다.
PIC16HV785 혼성 신호 마이크로컨트롤러에는 8비트 마이크로컨트롤러 코어와 다음과 같은 여러 온칩 아날로그 주변장치가 통합되어 있다.

*SMPS의 전류 모드 제어에 적합한 고속 2상 PWM 회로
*전류 감지 저항에 걸리는 전압을 증폭시키는 데 사용할 수 있는 2개의 온칩 연산 증폭기. 이를 통해 극도로 작은 감지 저항을 사용할 수 있을 뿐 아니라 회로 손실을 줄여 전반적인 회로 효율을 높일 수 있다.
*높은 공급 전압으로 작동 시 외부 5V 레귤레이터에 대한 필요성을 없애 주는 고전압 션트 레귤레이터
*디지털 CCP(Capture, Compare and PWM) 모듈
*2개의 아날로그 비교기
*10비트 A/D 컨버터
*8MHz로 작동하는 내부 클록 회로
*값비싼 외부 부품의 필요성을 없애 주는 내부 정밀 전압 레퍼런스
*프로그래머블 BOR(Brown-Out Reset) 회로

또한 모든 회로 구성을 구현할 수 있도록 연산 증폭기 및 비교기의 모든 핀은 외부에서 접근이 가능하다.

전류 감지 회로

전류 감지 연산 증폭기는 전류 감지 저항에 걸리는 전압을 정확하게 측정하기 위해 차동 증폭기로 연결된다. 전류는 회로 요구 사항을 단순화하도록 전원이 회귀할 때 측정된다. R1, R2 및 C1은 존재할 수 있는 스위칭 잡음을 줄이기 위한 로우 패스 필터를 형성한다. 이 필터의 컷오프 주파수는 제어 루프 응답을 제한하지 않도록 컨버터 스위칭 주파수보다 높게 선택해야 한다.

전류 레귤레이터 회로

2상 PWM 모듈, 내부 비교기 및 전압 레퍼런스는 LED 전류의 양을 안정화하는 회로를 형성한다. 2상 PWM 모듈은 셋/리셋 원리로 작동하는 '아날로그' 스타일의 PWM 모듈이다. 먼저, PWM 출력을 주기적으로 켜도록 시스템 클록에서 파생된 클록 신호가 사용된다. PWM 클록 신호는 기본 PWM 주파수를 설정한다. 둘째로, 지정된 레퍼런스 레벨에 도달하면 온칩 비교기 중 하나의 리셋 신호가 PWM 출력을 끈다.
증폭된 전류 신호는 PIC16HV785에 있는 비교기 1(Comparator 1)의 양의 입력으로 내부에서 전달된다. PIC16HV785의 CCP1(Capture-Compare Peripheral)은 비교기의 전압 레퍼런스를 생성하도록 PWM 모드에서 사용된다. PWM을 사용하면 비교기 레퍼런스 전압을 미세하게 제어할 수 있다. PWM 신호는 아날로그 전압을 생성하도록 RC 필터를 통해 필터링 되며 음의 비교기 입력 핀에 연결된다.

소프트웨어 구현

LED 전류 제어 기능은 아날로그 영역에서 수행되기 때문에 이 애플리케이션을 위한 소프트웨어는 매우 단순하다. 모든 주변장치가 활성화되고 전류 레퍼런스 레벨이 설정되면 LED는 소프트웨어의 개입 없이도 계속해서 조명을 밝히게 된다.
하지만 애플리케이션 코드는 LED를 일정한 작동 전력 모드로 구동시키기 위해 공급 전압(온칩 10비트 A/D 컨버터 사용) 및 알맞은 공급 전류를 측정할 수 있다. 배터리 입력 전압이 변경되면 D/A 회로(CCP 주변장치를 통해 구현)를 통해 보상할 새 전압 레퍼런스 값이 생성된다.

LED 밝기 레벨 설정

마이크로컨트롤러 코어는 전력 안정화 프로세스에서 적은 시간만 소모하기 때문에 배터리 상태 모니터링 및 밝기 레벨 제어 같은 추가 사양을 제공하기 위해서는 물론 사용자 인터페이스에도 더 많은 시간을 할당할 수 있다. 이 회로와 소프트웨어를 사용하여 LED 밝기 레벨을 조정하는 방법에는 두 가지가 있다.
첫 번째 기법은 LED의 밝기가 구동 전류에 따라 변경된다는 원리를 이용하는 것이다. 실제로, 이 방법을 사용하면 LED 밝기를 선형에 가깝게 제어할 수 있다. 그러나 가변 전류 디밍은 LED 밝기 레벨을 설정하기 위한 최선의 방법은 아니다. LED는 제조업체에서 지정한 최대 구동 전류 레벨에서 가장 높은 효율을 나타내기 때문이다.
저주파 PWM 신호를 사용하여 LED 구동 전류를 변조시킬 수 있다. 이 경우 전류 구동 레벨을 줄이는 대신 LED는 가동 시간 내내 항상 최대 전류로 구동된다. PWM 신호의 듀티 사이클은 LED에 전류를 제공하는 평균 시간을 설정한다. 인간의 눈으로 깜박임을 감지할 수 없는 속도로 LED 전류가 켜지고 꺼지도록 PWM 주파수는 충분히 높게 선택한다. 또한 전류 안정화 회로가 PWM이 가동되는 동안 충분한 시간을 가지고 안정화를 수행할 수 있을 만큼 낮은 PWM 주파수를 선택한다. 이러한 조건이 모두 충족되면 인간의 눈은 시간이 지남에 따라 LED에서 나오는 빛의 출력을 평균화하게 된다. PWM 디밍 신호의 주파수는 대개 60Hz에서 1,000Hz 사이이다.

요약

PIC16HV785에는 효율적인 고전력 LED 구동 회로를 구현하는 데 필요한 모든 구성품이 들어 있다. 또한 입력-전압 범위에 따라 벅 동작 또는 벅-부스트 동작에 맞춰 손쉽게 구성할 수 있다. 이 애플리케이션에서는 마이크로컨트롤러의 RAM 및 플래시 메모리를 소량만 사용하므로 추가 사용자 애플리케이션 코드를 위한 여유분이 넉넉하다. 실제로 PIC16HV785 마이크로컨트롤러에는 보조 LED 드라이버, 배터리 충전기 또는 다른 스위치 모드 회로를 구현하기 위한 사용되지 않는 주변장치가 충분하게 있다.