핵심 단어: charge pump, step-up, dc dc converters, switching power supply, regulated voltage, regulated current supply, white LED, backlight, power, boost, switched capacitor, series, parallel, charge pumps
직렬 또는 병렬 연결 백색 LED 전원 공급을 위한 차지 펌프 및 스텝 업 DC-DC 컨버터 솔루션
개요: 백색 LED는 CCFL 백라이트보다 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 더 작기 때문에 휴대용 기기의 LCD 백라이트에 많이 이용되고 있다. PDA와 휴대전화, 디지털 카메라와 같은 휴대용 장치는 컬러 LCD 디스플레이로 변환하기 위해서는 백라이트가 필요하다. 이 글은 직렬 또는 병렬로 구성된 백색 LED에 전원을 공급하기 위한 차지 펌프 및 인덕터 스텝 업 컨버터 솔루션을 설명한다. 여기에는 레귤레이트된 전압 또는 레귤레이트된 전류 컨트롤러가 사용된다. 크기, 효율, 배터리 수명 및 LED 정합의 절충에 대해서도 살펴본다.
컬러 LCD 디스플레이가 휴대폰, PDA 및 디지털 카메라에 널리 쓰이면서 백색 LED가 광원으로 각광받고 있다. 단색 디스플레이는 전자발광 백라이트 또는 컬러 LED와 같은 컬러 광원을 사용할 수 있지만, 컬러 디스플레이에서 컬러를 적절히 표시하기 위해서는 백색 광원이 필요하다.
백색 광원을 제공하는 주된 방법으로는 백색 LED와 CCFL(cold-cathode fluorescent lamp) 두 가지가 있다. CCFL은 노트북 컴퓨터에 오랫동안 사용되어왔다. 그러나 백색 LED가 크기와 복잡성, 비용상의 장점때문에 소형 휴대용 기기의 새로운 광원으로 각광받고 있다.
백색 LED는 낮은 DC 전압(3V ~ 4V 사이)을 필요로 하므로, 단순한 인덕터 또는 커패시터 기반 회로를 이용해 전원을 공급할 수 있다. 이와 반대로 CCFL은 높은 AC 전압 (200VRMS ~ 500VRMS)을 필요로 하므로, 전원을 제공하기 위해서는 값이 비싸고 부피가 큰 트랜스포머 기반 회로를 사용해야 한다(그림 1).
그림 1. CCFL 회로는 형광관에 고전압을 공급하기 위해 트랜스포머가 필요하다.
일반적으로 적색 및 녹색 LED의 순방향 전압 강하(forward-voltage drop)는 1.8V ~ 2.4V이므로 일반 배터리 전원에서 직접 구동할 수 있을 만큼 충분히 낮다. 그러나 백색 LED는 보통 3V ~ 4V의 순방향 전압 강하를 가지므로, 별도의 전원이 필요할 가능성이 크다.
LED 구동
발광 휘도는 LED를 통과하는 전류와 비례하여 증가한다. 최대 밝기 출력은 약 20mA에서 발생한다. 일반적으로 디지털 카메라와 휴대폰은 2 ~ 3개의 LED를 사용하며, PDA는 3 ~ 6개 LED를 사용한다.
LED는 그림 2에서 보듯이 병렬 또는 직렬로 구동된다. 병렬 구동 방법의 단점은 LED 전류와 밝기가 자동으로 정합되지 않는다는 점이다. 직렬 방법은 자체적인 정합 특성을 가지고 있지만 더 높은 전원 전압을 필요로 한다.
그림 2. 방법 A(병렬 LED)는 가장 낮은 전원 전압을 사용하는 한편, 방법 B(직렬 LED)는 최상의 정합을 제공한다.
대부분의 휴대용기기의 배터리 전압은 어느 방법의 경우에나 너무 낮기 때문에 부스트 컨버터가 필요하다. 차지 펌프 컨버터는 전압 변환을 위해 소형 커패시터만 필요로 하므로 최소형의 가장 저렴한 솔루션이 될 수 있다. 그러나 차지 펌프 컨버터는 여러 개별 입력 전압(1.5x, 2x 등)을 발생하는 경우에만 효율적이다. 따라서, LED 직렬 방법에는 일반적으로 인덕터 기반 컨버터가 사용된다. 인덕터 기반 컨버터를 사용할 경우, 넓은 입력-출력 전압 범위에서 보다 높은 스텝 업 비를 쉽게 얻을 수 있고 고효율이 유지된다.
병렬 LED 구동
그림 3은 LED를 병렬 연결로 구동하는 세 가지 주요 방법을 보여준다.
기존 전압을 사용하여 각 LED를 통과하는 전류를 독립적으로 레귤레이트한다.
전원 전압만 레귤레이트하고, 전류 정합은 LED 정합과 직렬 저항에 따라 정해진다.
1개의 LED를 통과하는 전류를 레귤레이트하고, 나머지 LED에 대한 정합은 LED 정합과 직렬 저항에 따라 정해진다.
그림 3. 병렬 LED를 구동하는 세 가지 방법을 볼 수 있다. A) 각 LED를 통과하는 전류를 독립적으로 레귤레이트한다. B) 출력 전압을 레귤레이트하고, 전류 정합은 직렬 저항에 따라 정해진다. C) 1개의 LED 전류를 레귤레이트하고, 나머지 전류 정합은 직렬 저항에 따라 정해진다.
방법 A. 각 LED를 통과하는 전류를 독립적으로 레귤레이트한다
통합된 LED 전류 레귤레이터
LED의 순방향 전압 강하를 구동할 수 있을 만큼 충분히 높은 전원 전압이 존재하는 경우, 유일한 설계 문제는 전류의 제어와 최대 밝기에서 모든 LED를 구동하기 위한 별도의 전류 제어에 있다.
b>그림 4는 정전류에서 3개의 백색 LED를 구동하는데 사용되는 MAX1916을 보여준다. 이 소자는 저비용 솔루션으로 LED 밝기 정합을 구현한다. 원하는 최대 밝기와 LED의 최대 정합 사이에 절대 전류만 설정하면 된다. 전류 정합은 균등한 디스플레이 조도를 유지할 수 있을 정도로 충분히 우수해야 한다. 일반적인 전류 정합은 0.3%이고 절대 전류 정확도는 ±10%이다. 20mA 전류를 유지하기 위한 각 출력의 강하 전압은 410mV 미만이다. 따라서 3.8V LED의 경우 이러한 회로를 구동하는 데에 4.2V만 필요하다. LED 핀 전류는 SET 핀으로 흐르는 전류의 230배로 설정된다. SET 핀에 바이어스 전류를 공급하기 위해, RSET은 1.215V SET 핀 바이어스 전압보다 큰 전압에 연결된다.
그림 4. MAX1916은 SOT23 패키지로 제공되며 0.3% 전류 정합을 제공한다.
그림 5. MAX1916에서 백색 LED의 전류를 조정하는 세 가지 방법.
그림 5에서 보듯이 LED 밝기를 동적으로 조정할 수 있는 여러 가지 방법이 있다.
한 가지 방법은 DAC으로 RSET을 구동하는 것이다(그림 5A). LED 전류는 DAC 출력에서 SET 핀 바이어스 전압을 뺀 함수로 나타낼 수 있다. 이러한 방법에 유용한 DAC으로는 SOT23 패키지인 저가의 MAX5360-MAX5365 시리즈가 있다.
컨트롤러 I/O 핀에 의해 구동되는 여러 개의 저항을 사용하는 간단한 디머(dimmer)는 그림 5B에서 볼 수 있다. 원하는 SET 핀 전류를 얻기 위해 하이(on)와 3상태(off) 사이에 핀을 토글한다.
마지막 방법은 로직 레벨 PWM 신호로 ENABLE 핀을 구동하는 것이다(그림 5C). 대부분의 프로세서는 0% ~ 100% 듀티 사이클로부터 저주파수 PWM 신호를 제공할 수 있는 포트를 가지고 있다. MAX1916 ENABLE 핀의 응답 속도는 PWM 동작을 최대 2KHz까지 허용한다.
통합된 차지 펌프 부스트 전원과 전류 레귤레이터
기존의 전원 전압을 사용할 수 없는 경우, 전용 LED 전원을 사용해야 한다. 저가의 MAX1574/MAX1575/MAX1576 차지 펌프 컨트롤러는 부스트 전원과 전류 레귤레이터 기능을 결합하고 있다. 이 부품들은 고출력 전류, 우수한 전류 정합, 고효율을 위한 적응형 모드 스위칭, 과전압 보호 및 최대 8개 LED 구동 핀을 제공한다.
그림 6은 최대 180mA 총 전류에서 3개의 LED를 구동하는 MAX1574 차지 펌프를 보여준다. 1MHz 스위칭 레이트는 차지 펌프에서 소형 세라믹 커패시터를 사용할 수 있게 해준다.
그림 7은 최대 480mA 총 전류에서 4개의 LED로 이루어진 두 그룹을 구동하는 MAX1576 차지 펌프를 보여준다. 플래시 그룹은 LED 당 최대 100mA를 허용한다. 각 그룹은 독립적인 설정 전류, 직렬 펄스 디밍 및 2선식 로그 디밍 제어를 갖는다. 적응형 모드 스위칭을 채택할 경우, 평균 효율은 단일 리튬 배터리의 방전 곡선에서 83%이다(그림 8). MAX1576은 LED 플래시를 사용하는 디지털 스틸 카메라 애플리케이션에 이상적이다.
제품군의 MAX1575는 120mA 총 출력에서 두 그룹의 LED(4개의 메인 LED 및 2개의 서브 LED)를 구동한다.
그림 6. 한 그룹의 LED 전류 소스를 갖는 MAX1574 차지 펌프.
그림 7. 두 그룹의 LED 전류 소스를 갖는 MAX1576 차지 펌프.
방법 B. 레귤레이트된 출력 전압을 이용한 전원 사용
방법 A와 마찬가지로 방법 B는 기존의 전원 전압을 사용할 수 있는 경우 이용된다. 방법 B는 매우 경제적이지만 방법 A보다 정확도가 떨어진다. 방법 B에서는 전류가 레귤레이트되지 않기 때문에 LED의 원하는 최대 밝기와 최대 정격 사이에서 각 LED를 통과하는 절대 전류를 유지해야 한다. 균등한 조도를 유지할 수 있도록 전류 정합은 충분히 우수해야 한다.
위의 그림 3의 방법 B를 보면, 전원 출력 전압(VOUT)으로부터 순방향 LED 전압(VD)을 빼고, 이를 R로 나누면, LED를 통과하는 전류를 결정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
I = (VOUT - VD)/R (식 1)
그림 9A는 일반적인 휴대용 기기에 사용되는 2개의 백색 LED에 대한 I-V 곡선을 보여준다. 동일한 전류의 경우, 다이오드를 걸리는 전압은 같지 않다. 그림 9B는 전류의 함수로서 LED 간의 전압 차를 보여준다.
그림 9A. 일반적인 휴대용 기기에 사용되는 2개의 백색 LED에 대한 I-V 곡선.
그림 9B. 전류에 대비한 2개의 백색 LED 간의 전압 차.
LED 전류의 부정합
순방향 전압의 부정합이 전류 정합에 어떠한 영향을 미치는지 이해하기 위해 식 1을 사용하여 LED 전류의 비를 구해 볼 수 있다. 예를 들어, I2에 대한 I1 비는 다음과 같다.
I1/I2 = R2/R1 ((VOUT - VD1)/(VOUT - VD2)) (식 2)
R1 = R2라고 가정하여 식 2를 단순화하면, 식 2는 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다.
I1/I2 = (VOUT - VD1)/(VOUT - VD2) (식 3)
VOUT이 매우 높은 값에 접근함에 따라 식 3은 1에 가까워진다. 따라서 더 나은 전류 정합을 얻기 위해서는 더 높은 VOUT이 바람직하다. 정전류를 유지하려면 R은 VOUT - VD에 비례하여 증가해야 한다. 그러나 VOUT가 높을수록 R의 소비 전력이 증가한다는 문제가 있다. 이것이 효율 대 전류 정합의 절충의 문제이다.
예를 들어, 3.60V LED에서 5V의 전원을 사용할 경우 R에 대한 전압은 1.40V가 된다. 3.42V의 LED로 교체할 경우, R을 걸리는 전압은 거의 1.58V까지 높아지고, LED 전류는 13% 증가한다. LED 전압은 5%만 변경되었을 뿐이다. 이 예는 효율과 정합의 합리적 절충을 보여준다.
실제 정확도
위의 그림 3의 방법 B에서 실제 LED 전류의 오차는 식 1을 사용하여 계산할 수 있다. 선택된 LED에 대한 VD vs. ID 그래프를 사용한다(그림 9A).
식 1에서 원하는 동작 전류 I, 전류 I에서 VD에 대한 공칭 전압(그래프에서) 및 선택한 VOUT 값을 대입한다. 그런 다음 R에 대해 푼다. 그 R 값을 사용하고, LED 데이터 시트에서 최악 조건 VD를 사용하여 식 1을 푼다. 반드시 VD의 온도 변동을 허용하도록 한다. 이렇게 하면 LED 전류의 예상된 범위를 얻을 수 있다. 이 값은 LED에 대한 최대 정격을 넘지 않아야 한다.
디밍(dimming) 방법
그림 3에서 방법 B의 LED 전류는 VOUT을 변경하여 조정할 수 있다. 그러나 전원을 공유하는 경우 이 방법은 권장되지 않는다. 대신, MOSFET을 사용하여 스위치 저항을 병렬로 연결해 간단한 디머(dimmer)를 구현할 수 있다(그림 10). 그러나 이 방법은 많은 디밍 레벨이 필요한 경우 급속도로 비용이 높아진다. 따라서 그림 6의 통합 방법이나 직렬 스트링 방법(아래에 설명)을 고려할 필요가 있다.
그림 10. R3a와 R1a에 대해 R3b와 R1b 스위치 저항을 MOSFET을 사용하여 병렬로 연결해 구현한 디밍
방법 C. 출력 전류를 레귤레이트하는 컨버터 사용
그림 3의 방법 C는 전압 대신 전류를 레귤레이팅하는 컨버터를 보여준다. 이 설계에서 LED 중 하나를 통과하는 전류는 저항 R1을 가로질러 감지되며 컨버터에 의해 레귤레이트된다. 컨버터는 인덕터 기반 컨버터, 차지 펌프 컨버터 또는 선형 레귤레이터가 될 수 있다.
LED 전류의 식은 식 1과 동일하지만, 편의를 위해 다시 반복하면 다음과 같다.
I = (VOUT - VD)/R (식 4)
그러나 위의 경우와 달리 VOUT 대신 I1가 레귤레이트되므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
I1 = VFEEDBACK/R1 (식 5)
오직 하나의 전류만 레귤레이트되므로, 앞에서 설명했듯이 나머지 LED의 순방향 전압의 차가 전류에서 오차를 발생시킨다. 따라서 여기에서도 솔루션은 그림 11의 수정된 방식으로 R1을 증가시키는 것이다.
그림 11. 그림 3의 방법 C의 회로에 대한 전류 정합은 R1A를 증가시킴으로써 개선되었다. R1B는 선택된 전류에 대해 일정한 상태를 유지해야 한다. R2 및 R3는 R1A + R1B로 설정된다.
전류는 일정한 상태를 유지해야 하므로, R1은 R1A와 R1B로 분리된다. R1B는 전류를 제어하고, R1A는 원하는 전류 정합을 위해 별도의 출력 전압을 제어한다. 식 4에 R1 = R1A + R1B를 대입하고, 식 5에 R1 = R1B를 대입한다. 전류 정합을 위해 R2 및 R3는 R1A + R1B로 설정한다.
이러한 마지막 방법을 변형한 제품이 그림 12의 MAX1910/MAX1912 차지 펌프이다. 디밍 입력이 추가되었으며 감지 저항이 모든 LED에서 공유되어 전체 전류를 레귤레이트한다. 이 컨트롤러들은 효율 향상을 위해 1.5x 및 2x 스텝 업 옵션을 제공한다. 입력 전압에 따라 최대 120mA의 출력 전류를 사용할 수 있다. 자세한 정보는 데이터 시트에서 확인할 수 있다.
그림 12. 디밍 제어기능이 있는 MAX1910/MAX1912 애플리케이션.
직렬 LED 구동
백색 LED의 직렬 구동은 각 LED를 통해 동일한 전류가 흐르기 때문에 본질적으로 균등한 밝기라는 핵심적인 장점을 갖는다. 이 설계의 단점은 순방향 전압 강하가 함께 추가되기 때문에 더 높은 전압을 필요로 한다는 점이다. 이러한 구성에서는 인덕터 기반 컨버터가 주로 사용되는데 높은 전압을 효율적으로 발생시키기 때문이다. 인덕터 기반 컨버터를 선택할 때에는 Lx 핀의 출력 전압 정격을 고려해야 한다.
표 1에서 보듯이 다양한 부품이 Lx 핀 전압에 따라 다양한 수의 직렬 LED를 지원할 수 있다. 과전압 셧다운을 허용하려면 Lx 핀의 최대 정격과 LED의 직렬 스트링의 최대 전압 사이에 가드밴드가 필요하다.
표 1. 원하는 수의 직렬 LED 구현을 위한 부품 선택
부품번호
Lx 핀 정격 (V)
직렬 LED 수
패키지
MAX1848
14
3
8-SOT23
MAX1561/MAX1599
30
6
8-TDFN
MAX8595Z/MAX8596Z
37
8
8-TDFN
MAX8595X/MAX8596X
40
9
8-TDFN
MAX8596Z는 최대 8개의 백색 LED를 직렬로 구동하기 위해 특별히 설계된 스위칭 레귤레이터이다(그림 13). 이 소자는 2.6V ~ 5.5V 입력 전압 범위를 가지므로, 단일 리튬 배터리 또는 3개의 NiCd/NiMH 배터리로부터 IC에 전원을 제공할 수 있다. MAX8596Z는 공간 절약형 8핀 TDFN 패키지로 제공된다. 고속 1MHz PWM 동작이 가능하므로, 소형 외부 부품을 사용할 수 있다. 32V ~ 36V의 과전압 차단 임계값이 LED가 개방 회로가 되는 경우에 대비해 IC를 보호한다. 그 밖에 고온에서의 전류감소 기능이 있다. 42°C 이상 온도에서는 출력 전류가 감소되어 LED 소비 전력을 낮춘다.
그림 13. 최대 8개의 백색 LED를 직렬로 구동하는 MAX8596Z 스위칭 레귤레이터.
LED 전류는 DC 전압을 사용하여 CTRL 핀을 구동하거나 또는 필터링되지 않은 PWM 신호를 사용하여 조정할 수 있다. 0.24V ~ 1.72V의 CTRL 핀 전압은 LED를 희미한 수준에서 최대 밝기까지 구동한다. 1.72V 이상에서 출력 전류는 최대 수준에서 클램프된다. PWM 신호는 200Hz ~ 200KHz에서 사용할 수 있다. 오차 증폭기와 보상 커패시터가 PWM 신호에 대한 필터의 역할을 하므로 입력 필터링이 필요하지 않다.
다양한 수의 LED를 구동하는 MAX8596Z의 효율이 그림 14에 나와있다. 최대 효율은 85% 이상이다.
그림 14. 그림 13의 회로에 대한 MAX8596Z 효율.
Dual Mode는 Maxim Integrated Products, Inc.의 상표이다.
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