■ LED 시스템 스위칭 기술 다양한 토폴로지 활용


차량용 전원 공급 시스템에 사용되는 수많은 레귤레이터를 포함한 다양한 시스템에서, 전원 변환 레귤레이터 설계는 까다롭고도 복잡한 일이다. 이 글에서는 차량 LED 드라이버용으로 사용할 스위칭 토폴로지 선택 작업을 돕기 위해서 각 토폴로지별 이점과 절충 사항, 적합한 애플리케이션을 살펴본다.

LED는 전통적인 필라멘트 전구나 가스 램프와는 다르다. 특정한 반도체 접합 원리를 활용하는 LED는 전체적인 가시 대역뿐만 아니라 적외선(IR)과 자외선(UV)까지 이르는 다양한 색상의 조명을 발생할 수 있다. 차량 애플리케이션에서 LED는 주간과 야간의 모든 운전 상황에서 안전을 높일 수 있다. 향상된 효율은 전기차의 배터리 수명을 연장하도록 하며, 하나의 시스템에서 여러 LED를 사용함으로써 단일 소자 결함을 방지할 수 있다.

또한 LED는 범용성이 뛰어나서 다양한 방식으로 구동할 수 있다. LED로부터 제공되는 출력은 잘 제어된 빛이기 때문에 전원 시스템 측면에서 LED 부하는 전통적 부하들과 다르다. LED는 반도체 접합부를 통해서 정확하게 레귤레이트된 전류만을 사용해서 빛을 발생하며, 시스템 접지(혹은 차량용 시스템의 섀시)에 대해서 단자들의 전압은 상관이 없다. 그러므로 LED 시스템은 스위칭 기술을 통해서 다양한 토폴로지를 활용할 수 있다.

■ 차량 LED 시스템용 적합 스위칭 토폴로지 선택, 전체 시스템 차원 많은 고려 必

차량용 시스템으로 적합한 스위칭 토폴로지를 선택하기 위해서는 전체 시스템 차원에서 많은 것들을 고려해야 한다. 이러한 고려사항에는 최소 입력 전압, 최대 스트링 전압, 섀시 리턴 능력, 출력 단락 능력, 최대 입력 전류, 출력/LED 전류, PWM 디밍 등이 포함된다.

○ 스텝다운(벅) 컨버터

스텝다운(벅) LED 드라이버는 총 LED 스트링 전압보다 더 높은 전압을 사용해서 LED 스트링 전류를 례귤레이션한다. 벅 LED 드라이버는 시스템 접지로 안전하게 단락시킬 수 있다.

섀시 리턴이 가능하고(한 와이어는 전원에 사용), 매트릭스 또는 애니메이션 애플리케이션용으로 손쉽게 구성이 가능하다.

그림 1과 그림 2의 회로 예시는 컨트롤러가 상측 스위치를 변조해서 전류 제어를 하는 시스템 다이어그램을 보여준다.

 
스텝다운 LED 드라이버의 특징으로는 정주파수 동작, 뛰어난 스위칭 제어와 저항이 낮은 스위치를 통한 높은 효율, 아날로그 디밍 범위 전반에 걸친 높은 정확성, 우수한 EMI, 잘 설계된 스프레드 스펙트럼 주파수 변조를 들 수 있다.
○ 스텝업(부스트) 컨버터

스텝업(부스트) LED 드라이버는 총 LED 스트링 전압보다 낮은 전압을 사용해서 LED 스트링 전류를 레귤레이트한다. 이 토폴로지는 다수의 LED를 단일 스트링으로 전도해야 하는 경우에 유용하다. 통상적인 12V 차량용 시스템은 6V∼18V까지 범위에서 동작하므로, LED 드라이버가 최저 6V까지 동작해야 하고 높은 스텝업 비율을 제공해야 한다. 그림 3과 그림 4의 회로 예시는 컨트롤러가 상측 스위치를 변조해서 전류 제어를 하는 시스템 다이어그램을 보여준다.

 
○ 부스트 컨버터를 사용하는 부스트-벅

어떤 스텝업(또는 부스트) LED 드라이버는 LED 캐소드를 전원으로 리턴하도록 구성할 수 있다. 이러한 구성을 부스트-벅이라고 한다. 총 출력 전압이 VIN(VBATTERY)이고, 이것을 총 LED 스트링 전압에 추가한다. 이 토폴로지의 장점은 전원 전압보다 높거나, 낮거나, 같은 LED 스트링을 구동할 수 있다는 것이다. 이 토폴로지는 컨버터에 의해서만 제한된다. 하한 쪽은 컨트롤러 IC의 최소 전원 전압에 따라서 제한되고, 상한 쪽은 컨트롤러 IC의 최대 출력 전압에 따라서 제한된다.

 
○ 부스트 컨버터를 사용한 벅 모드

어떤 스텝업(부스트) LED 드라이버는 (표준 벅처럼 접지가 기준 전원이 되는 것이 아니라)전원 전압을 스텝다운하도록 구성할 수도 있다. 이것을 벅-모드 구성이라고 한다. 이 구성은 벅과 마찬가지의 제한이 적용된다. 즉, 총 LED 스트링 전압이 입력 전원보다 낮아야 한다.
○ 벅-부스트 컨버터

벅-부스트 LED 드라이버는 총 LED 스트링 전압보다 높거나 낮은 전원을 사용해서 LED 전류를 레귤레이트한다. 이 컨버터는 입력 전압에 연결된 상측 스위치를 스텝다운 모드로 변조하고 출력 측의 하측 스위치를 스텝업 모드로 변조한다. 이 토폴로지는 복잡성이 높은 대신에 유연성이 뛰어나다. VIN과 VOUT 범위는 컨트롤러 IC에 의해서만 제한된다. 매트릭스 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
■ 애플리케이션 필요 따른 적합한 스위칭 토폴로지·구성 선택

차량용 LED 조명 시스템은 스위칭 레귤레이터를 사용해서 다양한 방식으로 구동할 수 있다. 조명 디자이너는 서로 다른 애플리케이션의 필요에 따라서 적합한 스위칭 토폴로지와 구성을 선택하고 복잡성, 효율, EMI, 안전을 최적화할 수 있다. 

※ 저자 소개

조슈아 콜드웰(Joshua Caldwell)은 리니어 테크놀로지(Linear Technology, 현 아나로그디바이스)에서 10년 동안 재직하면서 설계 엔지니어링 부문 리더로서 모놀리식 벅, 부스트, 컨트롤러 LED 드라이버의 정의, 설계, 개발을 총괄했다. 콜로라도 대학에서 전기공학 학사학위를 취득했다. 사이클링과 그림 그리기가 취미이다.