온 세미컨덕터
그 동안 표준화 정책 미비로 LED 구동 및 조절 방식에 있어서 여러 가지 의견이 분분했다. 많은 애플리케이션이 LED의 특수한 요건을 고려하지 않은 기존 솔루션을 사용했다. 이러한 접근 방식이 새로운 인증 조건을 해결할 수 있음에도 불구하고 이상적인 시스템 솔루션을 제공하지 못했다. 따라서 고휘도 LED 기술의 잠재력과 열망을 보다 잘 실현시킬 수 있는 타깃 규격 애플리케이션 솔루션에 대한 기회와 요구가 점점 증가하고 있다.
글: 팀 카스케(Tim Kaske) & 폴 드 클뢰트(Paul Decloedt)
ON Semiconductor / www.onsemi.com
시스템 솔루션
현재 업계에서 퇴임한 전임 애질런트 테크놀로지의 과학자 롤랜드 하이츠(Roland Haitz) 박사는 "에디슨은 필라멘트 기반 램프를 38번째로 발명했지만 일괄 조명 시스템을 제공한 최초의 사람이다"라고 말하며 조명 부문 및 전체 전자 산업에 있어서의 개발에 대한 중요성을 지적했다.
고휘도 LED는 빛보다 열이 더 많이 나고 에너지 효율도 부족하며 신뢰성과 내구성도 떨어지는 형광 조명의 단점을 해결할 수 있는 기회를 창출해낼 수 있다. 그러나 하이츠 박사가 언급한 대로 아이디어를 현실화해 필라멘트, 형광등, 심지어 할로겐과 크세논 램프와 같은 기존의 조명 시스템을 고휘도 LED 시스템으로 대체하려면 시스템 솔루션이 필수적이다.
반도체 소자(solid state)를 이용한 고휘도 LED 조명 시스템의 핵심 요소는 전력 전환, 조절 및 구동, 열관리, 광학 그리고 LED 소자 등으로 광범위하게 분류될 수 있다는 점이다. 이중 어느 한 가지 요소라도 충분한 고려 없이는 그 어떤 고휘도 LED 조명 시스템도 효과적으로 작동할 수 없다. 예를 들어 렌즈 및 광섬유를 사용해 광원의 초점을 맞추고 조절할 수 없다면 애플리케이션 조명용 스펙이 만족되지 않는다. 또한 열 관리 문제가 신중히 고려되지 않는다면 LED 접합 온도가 기기용 최대 정격 값 이상의 레벨로 솟아오르므로 시스템의 작동 수명도 현격히 낮아지도록 절충될 것이다.
고휘도 LED 조명 시스템의 전압 장치는 애플리케이션 타입에 따라 다르다. 일반적으로 건축 및 빌딩 애플리케이션에서는 주로 AC 메인을 사용해 공급 전압을 기대한다. 동시에 외부 조명은 12V 납축전지(lead acid battery) 혹은 태양열 발전 등 정류되지 않은 서플라이인 AC 메인에 의해 공급된다. 자동차의 경우 전원 장치는 전형적으로 12V 배터리이다.
설령 그것이 가능하다 할지라도 전압 장치로부터 어떤 형태의 전력 변환 없이 LED를 구동하는 것은 전압 변동이 큰 LED 전류 차이를 만들어낼 수 있기 때문에 좋은 생각이 아니다. 롯트별 LED의 순전압(일반적으로 1V보다 크다)에서 나타나는, 급경사의 V/I 커브 및 다양한 변화와 같은 요소들은 절연된 또는 비절연형 전력 변환 단계를 반드시 필요로 한다.
LED 전류 조절
LED 드라이버의 주요 기능은 입력 조건과 작동 조건 범위에 따른 순전압 변화에 관계없이 전류를 제한한다는 것이다. 전체 시스템 솔루션은 물론 드라이버 자체 또한 효율성, 허용 전류, 폼 팩터, 크기, 가격 및 안전성에서 애플리케이션 조건을 만족시켜야 한다. 선택된 접근 방식 또한 구현이 용이해야 하며 특정 애플리케이션의 극단적인 환경 조건도 만족시킬 만큼 강력해야 한다. 애플리케이션 스펙에 따라 설계자들이 선택할 수 있는 기본 레귤레이터 토폴로지로는 다음 3가지가 있다.
·벅(스텝 다운) - 최소 Vin이 모든 작동 조건에서 LED 스트링의 최대 전압보다 항상 클 경우
·부스트(스텝 업) - 최대 Vin이 모든 작동 조건에서 LED 스트링의 최소 전압보다 항상 작을 경우
벅-부스트 또는 SEPIC(Single-ended primary inductor converter) - 입력 및 출력 전압이 중복될 경우. 결합된 인덕터의 기술적 특징들은 이러한 솔루션을 벅 또는 부스트 토폴로지와 같은 물리적 크기에서 더 쉽게 구현시킨다. 잘 알려진 바와 같이 SEPIC 토폴로지는 더 빈번히 사용된 토폴로지에 대해 많은 이점을 제공할 뿐 아니라 더 높은 효율성, 더 작은 폼팩터, 더 낮은 가격도 제공할 수 있다. LED 전류 조절 솔루션은 다음과 같이 광범위하게 분류될 수 있다.
저항
저항은 전류 조절에 대해 가장 단순하고도 최저 수준의 가격과 기술적 접근 방식을 의미한다. 실제로 저항은 LED 휘도를 변경시키는 배터리 전압으로서 효율이 낮고 LED 비닝(binning) 실행에 시간 및 비용을 많이 소비하므로 실질적인 솔루션이 되지는 못한다.
선형 레귤레이터
디자인이 용이하고 효율적인 전류 조절 및 폴드백(fold back)을 제공하며 외장 전류 셋트 포인트를 갖춘 선형 레귤레이터는 고휘도 LED 시스템에서 전류 조절에 대한 '중간 범위(mid-range)' 솔루션을 의미한다. 그러나 이러한 에너지 측면에서 보면 선형 레귤레이터는 옥외 조명, 빌딩 및 배터리 작동 애플리케이션을 비롯한 여러 분야에서 너무 많은 전력을 소비하면서도 기대 이하의 낮은 효율성을 내는 것으로 알려져 있다. 효율성이 떨어지는 선형 레귤레이터는 처리되어야 할 열 관리를 항상 위험성을 내포한다. 따라서 시스템의 전체 설계에 부피와 비용의 방법을 추가하게 하는 히트 싱크를 반드시 필요로 하게 된다.
스위칭 레귤레이터
스위칭 레귤레이터는 LED 전류 컨트롤에 가장 비싸고 기술적으로 복잡한 솔루션을 제공한다. 선형 레귤레이터 및 단순 저항과 달리 스위칭 레귤레이터는 설계자들이 해결해야 할 추가 설계 문제인 EMI(electromagnetic interference)에 쉽게 영향을 받는다. 그러나 이 레귤레이터는 효율성이 뛰어나고 전압에 의존하지 않으면서도 애플리케이션의 휘도를 조절한다. 스위칭 레귤레이터는 중간에서 고전력에 이르는 솔루션으로 특히 넓은 입력 전압 범위를 처리해야 할 경우에 유일한 해결책이 된다.
정전류 레귤레이터
온세미컨덕터에 의해 개발된 2핀과 3핀 정 전류 레귤레이터는 선형 및 스위칭 레귤레이터와 비교해 더 간단하고 저렴한 솔루션이면서도 저항에 비해 중요한 성능 및 장점을 제공한다. 2핀 소자가 단순히 하나의 고정된 출력을 제공하는 데에 비해 3핀 소자는 단순히 외장 저항을 사용해 장착된, 조정 가능한 출력을 제공한다. 출력 값의 범위는 20mA에서 150mA이며 45V의 최대 작동 전압은 배터리 로드 덤프 전압을 견뎌낸다.
선형 및 스위칭 레귤레이터와 함께 정전류 레귤레이터는 지원하는 LED의 넓은 전압 범위에 걸쳐 지속적으로 휘도를 보장한다. 이 소자들은 또한 더 높은 입력 전압 구동으로부터 LED를 보호하므로 비용이 많이 들고 문제가 많은 비닝(binning) 의 필요성을 확연히 줄이거나 완전히 제거한다. 최대 40V에 이르는 광범위한 입력 범위로 인해 입력전압변동이 큰 다양한 애플리케이션에 적합하다.
정전류 레귤레이터는 스텝 다운(벅), 스텝 업(부스트) 또는 SEPIC 토폴로지 중 하나로 설정될 수 있다. 구동되는 LED 스트링이 하나의 정전류 레귤레이터가 공급하는 것보다 더 높은 전류를 필요로 한다면 소자를 병렬로 사용할 수 있다.
발광된 LED 광원은 LED를 통한 평균 출력 전류에 비례한다. 정 전류 레귤레이터 또한 이 전류 조절로 빛 출력을 조절하는 디밍 성능을 제공한다. 디밍은 아날로그 또는 디지털 PWM(pulse width modulation) 기술 중 하나를 이용해 구현된다. 아날로그 방식은 입력 PWM 신호와 평균 출력 전류를 감소시키는 피드백 전압을 결합시킨다. 디지털 접근 방식은 레귤레이터의 스위칭을 억제하고 평균 출력 전류를 줄이기 위해 입력 PWM 신호를 사용한다. 200Hz 이상의 근소한 변화는 눈으로 확인할 수 없으나 그 이하는 가능하므로 전형적인 디밍 주파수는 200-1000Hz이다.
결론
고휘도 LED는 광범위하고 다양한 애플리케이션의 조명 시장에서 엄청난 잠재력을 지닌다. 에너지 효율성, 긴 수명, 다양한 디자인은 다른 기술과 비교했을 때 고휘도 조명이 가진 몇 가지 이점들이다. 정 전류 레귤레이터의 개발 덕택에 시스템 전반의 솔루션은 비용, 성능 및 신뢰성 조건을 더욱 완벽하게 맞춰 구현 할 수 있게 될 것이다.
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