맥심
글: 피에로 비앙코(Piero Bianco)/SPM Business Unit 사업부 매니저
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HB LED를 다양한 시스템에 통합하는 것은 높은 동작 효율, 낮은 비용, 넓은 디밍 범위 및 EMI 최소화와 같은 다른 이점을 달성하기 위해 많은 과제를 해결해야 한다. 설계자는 이러한 과제를 만족하기 위해 다중 스트링 LED 드라이버를 이용할 수 있다. 이 드라이버는 단일 IC로 다중 LED 스트링을 구동할 수 있는 장점이 있어 비용을 줄여주고 시스템 통합을 향상시킨다.
1세대 드라이버는 일부 제한 사항을 가지며 설계자가 효율 최적화나 외부 부품 수 최소화, EMI 최소화, 매우 넓은 PWM 디밍 범위를 달성할 수 없다. 그러나 MAX16814와 같은 최신 세대의 다중 스트링 LED 드라이버는 스위칭과 선형 제어 부 사이에 상호 통신을 제공함으로써 매우 깔끔하게 위에서 언급한 과제를 해결한다. 주간 주행등 또는 헤드업 디스플레이를 위한 설계의 예는 아래에 제공된다.
왜 HB LED인가
HB LED는 자동차 설계자에게 많은 이점을 제공함으로써 자동차 세계에서 각광을 받고 있다. HB LED는 다른 조명 기술보다 환경 친화적 기술로 탁월한 에너지 효율을 가질 뿐 아니라 수은이 포함되지 않아 재활용 시 유해한 화학물질의 배출이 적다. 또한 HB LED는 백열 램프보다 빠르게 켜지고 꺼지는 장점이 있어 자동차 안전을 향상시킬 수 있으므로 제동등에 많이 사용된다.
오늘날 자동차에서 LED 애플리케이션은 제동등과 후미등에서부터 전조등(중-고급형 자동차의 주간 주행등과 위치등, 최고급형 자동차의 하이 및 로우 빔), 내장 조명(조명 컬러를 제어하는 RGB LED로 자동차에 고유한 스타일을 제공)에 이르기까지 다양하다. 이 밖에도 내비게이션, 엔터테인먼트 및 클러스터 디스플레이 백라이트에서 LED 애플리케이션은 주류로 등장하고 있다.
LED 기술은 완전히 새로운 애플리케이션에도 중요하다. 일례로 헤드업 디스플레이가 있다. PWM 디밍을 사용하는 매우 넓은 범위의 LED 디밍 기능은 특히 주변 빛의 밝기에 따라 매우 낮은 단계에서부터 매우 높은 단계까지 조명 강도를 조정해야 하는 이러한 애플리케이션에 유용하다.
HB LED 설계 과제
자동차 애플리케이션에 LED를 통합하기 위해서는 많은 과제를 해결해야 한다. 그 중 하나는 가능한 비용을 낮추는 것이다. 일반적으로 LED 램프는 부품 수준에서 다른 기술(백열, 할로겐, CCFL)보다 비용이 높은 조명 솔루션이다. 이런 이유로 이 기술의 시장 침투를 향상시키려면 시스템 레벨에서 LED 솔루션 비용을 최소화해야 한다. 솔루션 비용을 낮추는 한 가지 방법은 드라이버 솔루션에서 필요로 하는 부품 수를 가능한 줄이는 데 있다. 이는 또한 PCB에서 각 부품이 시스템의 잠재적 오류 지점이 될 수 있기 때문에 신뢰성을 향상시킨다.
다른 과제는 효율이다. 높은 에너지 효율은 자동차, 특히 하이브리드 자동차에서 점점 중요한 특성이 되고 있다. 또한 전력 소모(열)를 줄이려면 에너지를 최적화해야 한다. 자동차 부품은 매우 높은 온도의 환경에서 동작한다. 엔진실에 있는 부품의 주변 온도는 105°C에 달하고 다른 많은 애플리케이션에서는 85°C 정도이다.
LED는 많은 전도열을 발생시키므로(다른 종류의 조명과 같이 IR 또는 UV 대역에서 에너지를 조사하지 않는다), LED의 전력 소모는 주변 온도를 높이는 데 기여한다. 따라서 드라이버 IC 또는 드라이버 모듈의 다른 부품의 과열을 방지하려면 드라이버의 전력 소모를 최소화하는 것이 필수적이다.
많은 자동차 애플리케이션은 LED를 다중 스트링으로 배치하도록 요구한다(스트링은 일련의 LED를 직렬로 연결한 것으로 정의되며, 그러므로 동일한 전류를 갖는다). 디스플레이의 폼 팩터는 백라이트를 위해 보다 쉽게 LED를 다중 스트링으로 배치할 수 있게 해준다.
다중 스트링을 사용하면 오류 내성이 향상된다(1개의 LED가 개방 회로로 단락될 경우 전체 LED 대신 해당 스트링의 LED만 불이 들어오지 않는다). 다중 스트링을 사용하는 다른 이유는 안전상의 이유로 LED 스트링 전압을 제한하는 데 있다. 예를 들어 80V의 전체 전압을 갖는 단일 LED 스트링을 40V를 갖는 2개 스트링으로 분리하면 LED 접촉 부위나 와이어를 우연히 만지게 되는 경우에도 상해의 위험을 방지할 수 있다.
다중 스트링 드라이버는 많은 스트링에 대해 단 하나의 IC만 필요로 한다는 명백한 장점을 갖는다. 예를 들어 다중 스트링 구성은 LED 스트링, 입력 배터리 전압을 LED 스트링에서 필요한 고전압으로 변환하는 단일 부스트 컨버터, 그리고 각 스트링의 전류를 설정하는 다중 선형 전류 싱크를 포함할 수 있다.
다중 스위칭 컨버터를 갖는 솔루션에 비해 이 솔루션은 부품이 적고 비용이 저렴하다(인덕터 1개와 몇 개의 션트 커패시터만 필요). 또한 단일 스트링 드라이버를 갖고 LED 스트링을 병렬로 직접 연결하는 방법에 비해 이 솔루션은 스트링 간 전류 평형에서 장점을 갖는다.
다중 스트링을 병렬로 직접 연결하는 경우에는 일부 LED가 다른 LED보다 더 높은 순방향 전압을 가지기 때문에 이들 간에 전류가 균등하게 분배되지 않는다. 이 밖에도 LED 순방향 전압은 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문에 이러한 전류 비평형이 열 폭주를 일으킬 수 있다. 즉 더 많은 전류를 갖는 스트링은 더 뜨거워지고 순방향 전압이 감소하며, 따라서 더 많은 전류를 소비하게 되고 더 뜨거워지는 이런 과정이 반복된다.
전류 비평형이 증가하면 더 많은 전류를 갖는 스트링이 하나 이상 고장날 수 있다. 마지막으로 LED 스트링을 간단히 병렬 연결하는 경우에는 하나의 스트링이 고장나고 개방되면 드라이버는 전체 전류만 제어하기 때문에 해당 스트링 전류가 다른 스트링으로 전달된다. 그 결과 다른 스트링이 과구동되어 고장날 수 있다. 이러한 현상은 솔루션에서는 발생하지 않는다.
토폴로지에서 스트링 전류를 설정하기 위한 선형 MOSFET에 한 가지 제한 사항이 있다. MOSFET의 온도를 낮게 유지하기 위해서는 MOSFET 양단의 전압 강하가 가능한 낮아야 하지만 동시에 MOSFET가 포화 영역에 유지될 수 있을 정도로는 높아야 한다. 이상적인 부스트 출력 전압은 다음과 같다.
여기서 Vstring,i는 스트링 i의 전체 순방향 전압, Vsat는 선형 MOSFET가 포화되는 데 필요한 VDS이다. 이 전압을 이상적인 값으로 설정하는 드라이버는 적응형 전압 최적화(AVO)를 수행한다고 말할 수 있다.
대부분의 애플리케이션에서는 LED를 PWM 디밍해야 하므로 AVO가 더욱 복잡해진다. LED는 선형 전류 싱크를 켜고 끔으로써 일정한 듀티 사이클로 꺼야 하는데 모든 LED 스트링이 꺼질 때 부스트 컨버터의 수행이 문제가 될 수 있다. 이러한 문제는 몇 가지 가능한 해결 방법과 함께 일부 제한 사항을 갖는다. 이에 대해서는 나중에 설명한다.
기존 다중 스트링 드라이버
토폴로지를 사용하는 기존 LED 드라이버는 부스트 스위칭 컨버터 및 개별 요소로 동작하는 다중 전류 싱크를 포함하고 있다. 이러한 컨버터를 사용하여 AVO를 구현하려면 일정한 수의 외부 부품이 필요하며 이러한 방법은 일부 문제를 초래할 수 있다.
외부 회로는 가장 높은 순방향 전압(또는 가장 낮은 캐소드 전압)을 갖는 LED 스트링을 검출해야 하며, 적색으로 표시된 구조와 같은 다수의 다이오드로 구성된 구조로 수행할 수 있다. 이러한 솔루션은 보드 공간과 솔루션 비용을 증가시킨다.
이 솔루션의 또 다른 문제는 LED 고장 시 발생하는 문제이다.
세 번째 문제는 LED가 PWM 디밍될 때 이 회로의 수행에 있다. LED가 꺼지면 다이오드 회로는 부스트 출력 전압을 설정하기 위해 기준으로 사용해야 할 스트링 전압을 갖지 못한다. 가능한 솔루션은 적색으로 표시된 회로와 같이 또 다른 다이오드를 추가하여 분배기를 통해 부스트 출력에 연결하는 것이다. 이 다이오드는 LED가 꺼지면 켜지고, 부스트 출력 전압을 사전 결정된 전압으로 설정한다. 이러한 솔루션과 관련된 분명한 문제는 부스트 컨버터의 출력 전압이 PWM 디밍 주파수에서 높은 리플을 갖는다는 것이다. 이것은 EMI 잡음을 발생시킬 수 있으며, 이는 앞에서 설명했듯이 자동차 애플리케이션에 심각한 문제가 되며 출력 커패시터 Cout로부터 가청 잡음을 발생시킬 수 있다.
차세대 다중 스트링 드라이버
차세대 다중 스트링 드라이버는 크게 향상된 성능을 가지며, 부스트 스위칭 컨버터 부와 선형 전류 싱크 부가 각각 독립적으로 동작하도록 하는 대신 이들 간에 상호 통신을 제공함으로써 위에서 언급된 세 가지 문제를 해결하거나 해결할 수 있다. 이 차세대 드라이버에서 IC는 내부적으로 LED 스트링 전압(각 전류 싱크 MOSFET의 드레인 전압)을 감지하며 내부 다이오드 또는 아날로그 스위치 기반 회로를 사용하여 그 중에서 가장 낮은 전압을 선택한다. 이러한 방법은 솔루션 비용과 외부 부품 수를 크게 줄일 수 있다.
이 밖에도 이러한 종류의 상호 통신은 스트링에서 1개의 LED가 고장나고 개방될 때 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 이 경우 이러한 문제가 발생하면 부스트 컨버터 출력 전압이 증가하기 시작하고 이 전압이 과전압 보호 임계값에 도달하면 오류 스트링이 식별되고 디스에이블된 다음
차세대 드라이버를 사용하여 LED를 디밍할 경우 스위칭과 선형 부의 통합은 그림 2에 설명된 것과는 다른 좀 더 조용한 솔루션을 구현한다. LED가 꺼질 때 부스트 컨버터를 정지시키는 것이 가능하다.
다시 말하면 LED가 꺼지는 동안 컨버터는 스위칭을 멈추고 스위칭 전력 MOSFET는 개방 상태를 유지하며 보상 회로도 개방된다. 이 시점에서 보상 커패시터는 충전을 보존한다(보상 루프의 상태). 다음으로 부스트 출력 전압이 출력 커패시터 Cout에 의해 보존되며, 이 전압은 LED가 꺼져 있기 때문에 방전되지 않는다. 따라서 유일한 방전 전류는 누설 전류이다. LED가 다시 켜지면 컨버터가 최소 리플로 스위칭을 다시 시작한다. 이러한 솔루션에서는 부스트 출력 전압이 전체 PWM 디밍 사이클에 걸쳐 거의 일정한 상태를 유지하므로 EMI 잡음뿐 아니라 출력 커패시터로부터 가청 잡음이 크게 감소된다.
이 솔루션의 유일한 제한 사항은 온 (On) 시간 시 PWM 디밍이 몇 번의 (3번 또는 4번) 스위칭 사이클보다 길어야 한다는 점이다. 이 시간 동안 부스트 컨버터가 오프 (Off) 시간 동안 오프로 누설된 충전으로 출력 커패시터를 재충전할 수 있어야 하기 때문이다. 이것은 달성할 수 있는 최소 듀티 사이클을 제한한다.
차세대 드라이버의 사용
자동차에서 주간 주행등과 헤드업 디스플레이는 유사한 성능 요구를 갖는다. 이들은 자동차가 달릴 때 켜져 있어야 하므로 항상 이용 가능성을 보장할 수 있도록 높은 신뢰성과 리던던시를 필요로 한다. MAX16814와 같은 차세대 다중 스트링 드라이버를 사용할 경우 주행등과 헤드업 디스플레이에 높은 신뢰성을 달성할 수 있으며 동시에 부품 수를 최소화할 수 있어 시스템 비용을 감소시키고 신뢰성을 향상시킨다. 이러한 애플리케이션은 또한 넓은 입력 전압 범위 동작, 자동차 배터리로부터 최대 40V(일반)의 전압 피크 (부하 덤프) 유지, 낮은 EMI 발생 등 유사한 요구사항을 갖는다.
오류 내성은 두 애플리케이션에 모두 필수적이다. 생명에 직결되는 이들 애플리케이션은 오류 발생 시 LED 조명이 완전히 꺼지는 일이 발생되어서는 안 된다. MAX16814와 함께 다중 스트링 방법을 사용하면 1개의 LED가 개방되거나 단락되어도 해당 스트링만 셧다운되며 다른 스트링은 정상 동작을 계속한다. 이 밖에도 MAX16814에는 오류 출력이 있어 1개 LED에 고장이 발생하면 드라이버에 오류 상태가 전달된다.
또한 헤드업 디스플레이 애플리케이션은 매우 넓은 (1000:1 이상) PWM 디밍 범위를 필요로 한다. MAX16814는 고유의 특허 출원 중인 PWM 디밍 솔루션을 사용하여 (디밍 주파수의) 부스트 출력 전압에서 리플을 제거하므로 EMI와 가청 잡음을 최소화한다.
이 솔루션은 사용된 방법과 유사하지만 동시에 (다른 모든 유사한 제품보다 넓은) 200Hz에서 5000:1의 매우 넓은 디밍 비를 구현함으로써 앞에서 언급한 최소 온 시간 제한을 극복한다.
이 칩은 4개의 LED 스트링을 구동할 수 있으며 위에서 언급한 스위칭과 선형 부 간의 상호 통신을 제공하므로 외부 부품 수를 크게 줄여준다. 이 밖에도 MAX16814에는 완벽한 오류 보호 및 검출 기능이 내장되어 있어 어느 스트링에서 1개의 LED가 개방 또는 단락되는 오류가 발생해도 해당 스트링만 디스에이블되고 오류 상태가 시스템에 전달된다.
이 소자는 완전한 기능을 갖춘 자동차용 제품으로 40V 최대 입력 전압 기능을 가지며 -40°C ~ 125°C 온도 범위에서 동작한다.
HB LED 기반 시스템을 설계할 경우 부품 수, 효율, 신뢰성 등 고려할 수 있는 많은 절충이 있다. 설계자가 애플리케이션에 최고의 방법을 선택하는 것을 도와줄 수 있도록 다양한 다중 LED 드라이버 솔루션을 요약하고 비교하여 보여준다.
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