Display Backlight
사용되는 배터리의 개수에 상관없이 모든 태블릿 PC 제조업체들은 배터리의 수명을 극대화하고자 한다. 디스플레이 백라이트는 태블릿에서 가장 전력 소모가 큰 시스템 중 하나이다. 7~10인치 디스플레이 크기를 가진 최근에 발매된 태블릿 PC의 백라이트 LED 수는 20~36개다. 본고는 효율성과 그로 인한 배터리 수명을 희생하지 않고도 태블릿 애플리케이션 요구조건을 충족시킬 수 있는 최적의 WLED 드라이버와 LED 스트링 구성을 선택하는 방법에 대한 지침을 제공한다.
글: 제프 펄린(Jeff Falin), 수석 애플리케이션 엔지니어 / 샹하오 밍(Xianghao Meng), 시스템 엔지니어
텍사스 인스트루먼트 / www.ti.com
태블릿 백라이트 요구조건
노트북이나 넷북과 마찬가지로 태블릿 백라이트 드라이버 애플리케이션은 DC/DC 컨버터에 기반하며 LED 접지를 위한 저항 경로에 의존한다. 이러한 유형의 애플리케이션은 일반적으로 다음 요구조건을 가진다:
1. RF 범위에서의 낮은 EMI
2. 디밍 동안 플리커가 보이지 않음
3. 세라믹 출력 캐패시터의 압전 잡음으로 인한 청각적 잡음 최소화
4. 디스플레이에서의 일관된 밝기
5. 높은 디밍율
6. 최대 배터리 수명을 위한 최고의 효율성
첫 번째 요구조건인 RF 범위에서의 낮은 EMI를 충족시키기란 그리 어렵지 않다. 전력 공급 설계자는 차폐 인덕터를 사용하여 스위칭 주파수와 RF 범위를 벗어난 이후 하모닉스를 설정하고 최소 길이와 넓은 트레이스를 가진 PC를 설계하여 그러한 기술을 몇 년 안에 배울 수 있다. 일부 드라이버 IC는 RF 범위에서의 잡음 방출을 줄이기 위해 계층화된 상승 시간을 가진 통합 MOSFET 게이트 드라이브 회로를 가지고 있다.
디밍의 유형은 다음 네 가지 요구조건에 큰 영향을 미친다. 평균 DC LED 전류를 생산하기 위해 최대 전류 수준에서 LED 전류 펄스를 켜고 끌 수 있는 펄스-폭-모듈화(PWM) 디밍 기능을 통해 백라이트 플리커는 PWM 디밍 주파수가 60Hz 이상일 때 드러나지 않는다. 아날로그 디밍을 사용할 경우 플리커가 문제되지는 않는다. 왜냐하면 LED DC 전류 레벨은 디밍을 위해 최대값에서 줄어들기 때문이다.
세 번째 요구조건, 세라믹 캐패시터의 청각적 잡음 최소화는 드라이버 토폴로지의 기능이다. 그림 1은 LED 전류를 위한 접지 경로로써 전류 감응 레지스터를 가진 간단한 드라이버를 보여준다. 컨버터는 전류 감응 레지스터에서 전압을 조절하고 그에 따라 LED 전류를 제어한다.
그림 2는 통합 전류 싱크를 가진 LED 드라이버를 보여준다. 드라이버는 각각의 전류 싱크에서 전압을 표본화하고 컨버터가 전류 싱크의 작동을 유지하도록 충분한 전력을 제공한다.
플리커와 마찬가지로 아날로그 디밍을 사용하는 경우 문제될 사항이 없다. 출력 캐패시터의 전압은 LED 전류에서 작은 변화를 수용하기 위해 작은 변화만을 만들기 때문이다. 그러나 PWM 디밍을 사용하는 경우, 드라이버가 출력 캐패시터의 방전을 방지하는 방식이 중요해질 수 있다. 가장 간단한 드라이버는 드라이버 피드백(FB)에서 접지까지 레지스터를 가지고 있으며 출력 캐패시터는 드라이버의 컨버터가 효과적으로 꺼지는 동안 낮은 디밍 주기에서 상당한 양이 방전될 수 있다.
전류 감응 레지스터 대신 통합 전류 싱크를 가진 보다 복잡한 드라이버(그림 2)는 LED를 구동하는 싱크와 DC/DC 컨버터만 끄면 된다. 따라서 출력 캐패시터의 방전과 충전 경로를 제거할 수 있다. 일부 드라이버는 PWM 펄스 이후 컨버터가 이전 상태로 신속하게 복구되어 출력 캐패시터의 용량을 거의 변화시키지 않도록 하기 위해 컨버터 오류 증폭기의 출력에서 샘플 홀드를 통합시키기도 한다.
네 번째 요구조건, 디스플레이에서의 일관된 밝기는 각각의 스트링을 통해 LED 전류를 정확하게 일치시켜 최적의 결과를 얻을 수 있다. 통합 전류 싱크를 가진 드라이버의 주요 기능은 스트링 간 매우 정확한 일치다. 전류 싱크가 없는 드라이버의 경우, LED와 나란히 배치되는 밸러스트(ballast) 레지스터가 스트링 간 일치를 개선시킬 수 있다.
다섯 번째 요구조건, 높은 디밍율(예: 0.1% 또는 1000:1)은 아날로그 디밍이나 PWM 디밍에 관계없이 간단한 드라이버로는 구현하기가 쉽지 않다. 낮은 주기의 아날로그 디밍의 경우 아날로그 제어 전압이 너무 작기 때문에 IC의 누설 전류와 상쇄 전압은 정확도를 상당히 저하시킬 수 있다. 간단한 드라이버를 통한 PWM 디밍은 컨버터를 완전히 껐다 켜서 가장 일반적으로 사용된다.
이러한 유형의 디밍은 플리커 범위 근처에서 PWM 디밍 주파수를 매우 낮게 만드는 컨버터의 소프트 시동 시간을 초래한다. 낮은 주기를 통해 출력 캐패시터는 방출시키고 충전 동안 버즈(buzz)할 수 있다. 따라서 통합 전류 싱크를 가진 드라이버를 매우 빠르게 껐다 켜서 높은 디밍율을 얻을 수 있다.
여섯 번째와 마지막 요구조건, 높은 효율성은 드라이버뿐만 아니라 LED 구성의 기능이다. 드라이버 DC/DC 컨버터의 전력 MOSFET, 인덕터, 정류 다이오드는 컨버터의 효율성을 결정한다. 간단한 드라이버의 접지 경로는 전류 감응 레지스터이다. 컨버터의 FB 전압이 낮을수록 전반적인 드라이버 효율성은 증가한다. 마찬가지로 통합 전류 싱크를 가진 드라이버의 경우 싱크 간 최소 작동 전압이 낮을수록 드라이버의 효율성이 더 커진다.
동일한 외부 구성품을 가지고 있다는 점을 고려할 때 전류 싱크가 일반적으로 전류 감응 레지스터보다 더 높은 바이어스 전압을 요구하기 때문에 간단한 드라이버가 싱크를 가진 드라이버보다 항상 더 효율적이다. 그러나 태블릿 PC의 다른 성능 요구조건을 충족시키기 위해 통합 싱크를 가진 드라이버를 가장 선호한다.
최적의 LED 구성
최적의 스트링 수와 스트링 당 최적의 LED 수를 선택함으로써 전력 소비를 최소화하고 배터리 수명을 극대화할 수 있다. 적은 수의 스트링을 사용할 경우 스트링 당 더 많은 LED를 사용해야 하기 때문에 부스트 컨버터에 더 높은 출력 전압을 초래하게 된다. 부스트 컨버터의 입력과 출력 전압 간 차이가 클수록 효율성이 낮아지게 된다. 또한 스트링 수가 많을수록 인덕터와 부스트 정류 다이오드를 통과하는 전체 출력 전압이 높아지고 손실이 커진다.
그림 3은 여러 직렬(S)와 병렬(P)을 조합한 세 개의 여러 LED 구성에 대한 모의 실험된 부스트 전력단의 효율성을 보여준다. 더 많은 스트링을 사용할 경우 스트링 당 더 적은 LED를 사용하게 되고 낮은 출력 전압을 제공하게 되지만 전력을 소모해야 하는 더 많은 전류 싱크를 요구하게 되어 드라이버의 전반적인 효율성이 낮아진다.
그림 4는 그림 3과 같은 LED 구성에 대한 전력단 및 전류 싱크 효율성을 포함한 전체 드라이버 효율성을 보여줍니다. 곡선에서 20개 LED에 대한 4개의 병렬 스트링(5S4P), 24개 LED에 대한 6S4P, 36개 LED에 대한 6S6P에서 5개의 직렬 LED에서 최고의 모의 실험된 효율성이 발생함을 쉽게 알 수 있다. 이 결과에 근거하여 태블릿의 백라이트-드라이버 효율성을 극대화하기 위한 일반적인 규칙은 최대한 서로 같은 위치에 있거나 근접한 S 및 P에 대한 수를 선택하는 것이지만 2개의 교류가 제공되는 경우 P에 대해 적은 수를 선택하는 것이다.
백라이트 구성 예
앞선 분석에 근거하여 텍사스 인스트루먼트 TPS61181A 노트북 백라이트 드라이버와 같은 통합 싱크를 가진 백라이트 드라이버를 태블릿 PC 백라이트 용으로 최적화할 수 있다(그림 5 참조). 2개의 리튬-이온 배터리를 가진 태블릿의 경우 드라이버와 부스트 전력단 모두 배터리에서 직접 구동할 수 있다.
단일 리튬-이온 배터리로 태블릿을 구동할 경우, 패널의 AVDD 레일 또는 4.5V 이상의 시스템에서 다른 공급장치 옆에 드라이버 바이어스 레일을 제공할 수 있다. TPS61181A는 대부분의 태블릿 PC가 요구하는 약간 높은 전력을 제공할 수 있기 때문에(예: 전력 FET 크기는 약간 크기 때문에 매운 낮은 RDS(on)을 가지게 됨), 컨버터의 전력 손실은 출력 전력에 특수하게 고안된 제품보다 더 낮아져 효율성을 좀 더 높일 수 있다. 그림 6은 6S6P 구성에서 TPS61181A로 측정된 효율성 결과를 보여준다.
결론
태블릿 PC를 위한 최적의 백라이트를 선택하기 위해서는 모든 애플리케이션 요구조건을 고려해야 한다. 통합 전류 싱크를 가진 드라이버는 효율성의 가능한 예외를 포함하여 모든 요구조건을 충족시키는 데 있어 가장 우수하다. 그러나 약간 크기가 과도한 컨버터, 가장 낮은 전력 강하를 가진 외부 부품, 최적의 LED 스트링 구성을 가진 드라이버를 선택할 경우 배터리 수명을 극대화하는 동시에 모든 설계 요구조건을 충족시킬 수 있는 태블릿 백라이트를 만들 수 있다.
그림 1. 간단한 LED 드라이버
그림 2. 통합 전류 싱크를 가진 LED 드라이버
그림 3. 부스트 전력단 효율성
그림 4. 토탈 드라이버 효율성
그림 5. TPS61181A 구동 태블릿 백라이트
그림 6. 단일 리튬-이온 배터리로 구동될 때의 TPS61181A 효율성
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