개요: 백색 LED (WLED) 드라이버는 디스플레이의 LCD 백라이팅을 위해 높은 효율과 밝기 정합을 제공한다. 이 드라이버는 밝기를 제어하기 위해 직렬 또는 병렬 구성으로 배열된 LED에 흐르는 전류를 레귤레이트한다. 차지 펌프는 병렬 LED를 구동하며, LED의 전류는 개별 레귤레이터 또는 간단한 밸러스트 저항을 사용하여 레귤레이트된다. 인덕터 기반 컨버터는 LED 스트링에 본질적으로 동일한 전류를 공급한다. 두 구성은 모두 휴대전화, PDA 및 디지털 카메라에 사용되는 LED를 효율적으로 구동하기 위한 것이다.
이 애플리케이션 노트는 LED(WLED 포함)의 동작 방식을 설명한다. 또한 전력 소비가 중요한 리튬 이온(Li+ 또는 Li-ion), 니켈 카드뮴 (NiCd) 및 니켈수소화금속 (NiMH) 충전 가능 휴대용 소자를 포함하여 배터리 전원공급 방식 LED 애플리케이션에서 LED를 구동하는 방법을 살펴본다. LED 밝기 정합 및 직렬 LED와 병렬 LED 값을 비교 검토하고, 효율적으로 LED를 구동하고 제어할 수 있는 여러 LED 드라이버에 대한 애플리케이션 정보를 제공한다.
LED란 무엇인가
LED(light-emitting diode)는 진공 방식의 텅스텐 필라멘트 백열전구를 대체할 수 있는 고체 상태의 신뢰성 높은 효율적인 광원이다. GaAsP(Gallium Arsenide Phosphide)를 기반으로 하는 에피 재료는 적색, 녹색 또는 황색을 방출한다(그림 1). InGaN(Indium Gallium Nitrate)를 기반으로 하는 재료는 청색 또는 백색을 방출한다(그림 2). 다른 화합물은 다른 전기적 특성을 생성한다.
그림 1. 적색, 녹색 및 황색 다이오드의 상대적 스펙트럼 반응 (IF = 2mA, TA = +25°C)
그림 2. 백색 다이오드의 상대적 스펙트럼 반응 (IF = 20mA, TA = +25°C)
그림 1과 2에서 곡선 Vλ는 인간의 눈의 표준 반응을 나타낸다. 백색의 빛을 얻기 위해서는 청색 빛에 의해 자극받았을 때 황색 빛을 방출하는 물질을 청색 이미터(emitter)에 도포한다. 이 때 눈은 방출되는 빛을 백색으로 해석하며, 그림 2의 스펙트럼 반응을 보인다.
다이오드 바이어싱
LED는 전류 구동 소자로, 빛의 방출은 LED를 통과하는 순방향 전류에 직접적으로 의존한다. 전류 및 그에 따른 빛의 방출을 합리적으로 일정한 값으로 유지하는 간단한 바이어싱 회로가 의도된 전원을 LED와 직렬로 연결된 1개의 전류 제한 저항에 정합시킨다(그림 3).
그림 3. LED당 1개의 저항을 사용하는 LED 바이어싱
이 설계 방법은 저렴하지만 각 LED 간의 다양한 VF 값으로 인해 전류 변동이 존재한다. 그림 4와 그림 5는 순방향 전압 특성과 순방향 전류를 비교한 그림으로 +25°C에서 변동을 보여준다. 20mA에서 GaAsP LED는 VF의 최대값이 +2.7V까지 상승하며, InGaN LED는 +4.5V까지 상승한다. 휴대전화 디스플레이 백라이트(8개 LED)와 같이 여러 개의 다이오드가 필요한 시스템의 경우, 추가되는 저항은 PCB에서 상당한 공간을 차지한다.
그림 4. +25°C에서 일반적인 GaAsP 순방향 전압 vs. 순방향 전류
그림 5. +25°C에서 일반적인 InGaN 순방향 전합 vs. 순방향 전류
VSOURCE의 값을 증가시키면 VF 변동이 미치는 영향을 줄일 수 있다. 그러나 이 방법은 전력을 낭비하며 단일 리튬 이온 셀과 같은 저전압 배터리 전원과 호환이 되지 않는다. 리튬 이온 단자 전압은 완전 충전 시 +4.2V에서부터 방전 시 +3V까지 변동한다. 따라서 간단한 저항 바이어싱을 사용한 전원으로 구동되는 LED는 빛의 방출에서 눈에 띄는 변동을 보여준다. 따라서 전압강하를 향상시키고 전원 전압에서 휘도의 변동을 안정시킬 수 있는 보다 나은 방법은 전류 바이어싱을 이용하는 방법이다.
전류 바이어싱
이 방법은 이름에서 알 수 있듯이 LED가 전류 소스에 연결된다. 전류 소스가 적절한 동적 범위를 갖는다고 가정하면 이러한 바이어싱 방법은 VF 변동의 영향을 제거한다. 따라서 개별적인 전류 소스가 그림 5에 보이는 개별 저항들을 대체한다(그림 6). 그러므로 전류 소스와 LED를 바이어스하기에 충분한 전원 전압이 존재한다고 가정한다면 빛의 방출은 전원과 순방향 전압의 영향을 받지 않는다. 앞에서와 마찬가지로 Q1은 인에이블 스위치를 제공한다.
그림 6. 전류 소스를 이용하는 LED 바이어싱
MAX1916은 LED 전류 바이어싱의 간단한 방법을 제공한다. 3개의 전류 소스를 소형 6핀 SOT23 표면 실장 패키지(그림 7)에 집적한 MAX1916은 그림 6의 전류 소스 방법을 구현한다. SET 저항의 전류는 3개의 OUT 단자에서 미러링(mirrored)된다. 전류가 '미러링'됨에 따라, nMOS 트랜지스터의 게이트와 소스 사이의 전위가 동일하다면, 이들의 채널 전류도 동일해진다. 추가적인 장점으로, 미러링된 MOS 소자(Q2, Q3, Q4)가 미러 (mirror) MOS 소자(Q1)보다 m배 크다면, 출력 전류는 미러 전류(ISET)보다 m배 크다.
마지막으로 집적 회로는 개별 회로보다 더 정밀한 전류 비를 달성한다.
그림 7. MAX1916 LED 전류 미러의 간단한 다이어그램
MAX1916에서 출력 간의 전류 부정합은 최대 5%이며, 미러 상수(mirror constant)는 230A/A ±10%이다. IOUT는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
IOUT = 230 ISET
SET 단자는 +1.215V ±5%로 내부적으로 바이어싱되고 다음과 같이 SET 전류를 생성한다.
ISET = (VSOURCE -1.215V)/RSET
모든 LED 전류는 다른 LED 전류와 5% 이상 차이를 보이지 않는다. 예를 들어 1개의 LED 전류가 207 ISET(-10%)라면, 나머지 LED 전류는 207 ISET와 218 ISET 사이에 있다.
출력 포화 전압은 비선형이므로 저항에 의해 모델링될 수 없다. 온도에 따른 대표적인 최대값은 20mA에서 +0.410V, 10mA에서 +0.360V, 5mA에서 +0.180V이다.
따라서 5mA에서 동작하는 저전류 GaAsP 다이오드가 적절히 동작하기 위해서는 최소 VF + 180mV 전압을 필요로 하며, LED 동작은 +2.9V까지 유지될 수 있다. 이와 같은 저전압강하 값은 MAX1916이 매우 낮은 드레인 소스 전압에서도 레귤레이션을 유지할 수 있다는 것을 보여준다. 보다 낮은 강하 전압과 더 높은 출력 전류를 구현하려면 MAX1916 출력을 미러 상수 (mirror constant) 690과 병렬로 연결할 수 있다.
설정된 전류 단자에 대한 전압 전원은 주 대전류 전원에서 개별적으로 가져올 수 있다. 예를 들어, 셀룰러 라디오(cellular radio)에서 동작하는 MAX1916의 경우, VSET는 RF 회로의 저잡음 +2.8V 전원에서 가져올 수 있다. 단일 리튬 배터리에서 직접 구동하는 경우 MAX1916은 GaAsP 낮은 순방향 전압강하 LED에 사용하기에 적합하다. 리튬 배터리에서 구동되는 InGaN WLED는 다른 방법이 필요하다. 입력 전압이 이러한 WLED를 바이어싱하기에는 충분하지 못할 수 있기 때문이다.
WLED를 위한 인덕터 없는 부스트 전원
WLED 애플리케이션은 부스트 전원이 필요한데, 그 이유는 WLED가 다른 LED 유형보다 순방향 전압(20mA에서 +3.5V ~ +4.5V)이 더 높기 때문이다. 과거에는 이러한 문제를 해결하기 위해 차지 펌프 부스트 전원을 MAX1916과 함께 쌍으로 구성했다. 그러나 이제 이러한 기능들은 MAX1574/MAX1575/MAX1576 컨트롤러에 결합되어 보드 공간도 줄이고 가격도 낮출 수 있게 되었다.
MAX1574/MAX1575/MAX1576은 고효율, 과전압 보호 및 최대 8개 LED 구동 핀을 위한 고출력 전류, 우수한 전류 정합 및 적응형 모드 스위칭을 제공한다. 설정 전류의 퍼센트(%)로 프로그래밍 가능한 밝기 제어는 직렬 펄스 코드 구조를 사용하는 DualMode™ 인에이블 핀을 통해 제공된다.
그림 8은 최대 총 180mA 출력에서 3개의 LED를 구동하는 MAX1574 차지 펌프를 보여준다. 1MHz 스위칭 레이트를 제공하므로 차지 펌프에서 소형 세라믹 커패시터를 사용할 수 있다.
그림 9는 최대 총 480mA 출력에서 4개 LED로 구성된 2개 그룹을 구동하는 MAX1576 차지 펌프를 보여준다. 플래시 그룹은 LED당 최대 100mA까지 가능하다. 각 그룹은 독립적인 설정 전류, 직렬 펄스 밝기 제어 및 2-wire 로그 밝기 제어 기능을 갖는다. 적응형 모드 스위칭을 사용할 경우 평균 효율은 단일 리튬 배터리 방전 곡선에서 83%이다(그림 10). MAX1576은 LED 플래시를 사용하는 디지털 카메라 애플리케이션에 적합하다.
제품군의 MAX1575는 총 120mA 출력에서 두 그룹의 LED(4개 메인 LED와 2개의 서브 LED)를 구동한다.
그림 8. 한 그룹의 LED 전류 소스를 갖는 통합된 차지 펌프
그림 9. 두 그룹의 LED 전류 소스를 갖는 통합된 차지 펌프
그림 10. 일반적인 리튬 배터리 전압에서 MAX1576 효율
인덕터 기반 WLED 컨트롤러
부스트 컨버터와 전류 감지 기능을 8핀 SOT23 패키지에 통합한 MAX1848은 +2.6V ~ +5.5V 범위의 입력 전원에서 3개의 WLED로 구성된 2개 스트링을 구동할 수 있다(그림 11). MAX1848은 전압 피드백을 사용하여 LED에 흐르는 전류를 레귤레이트한다. 아날로그 제어가 전체 LED 밝기를 설정한다. DualMode 제어 핀을 구동하는 DAC 또는 전압 분배기가 LED 전류를 설정한다. 그림에 보이는 회로의 전압 제어 범위는 +250mV ~ +3.3V이며, 이때 LED 전류 범위는 스트링 당 2mA ~ 20mA 미만이다(셧다운 시 0V). 그러나 병렬 스트링의 경우 스트링 간의 밝기 정합이 문제가 될 수 있으므로 추가 직렬 저항이 추가되는데, 효율이 희생된다. 적절한 절충은 LED당 20Ω 또는 3개의 LED에 대해 총 60Ω이다.
그림 11. MAX1848 인덕터 부스트 컨버터를 사용하는 전류 레귤레이션은 최대 6개 LED를 구동할 수 있다.
직렬 LED 수에 맞추어 사용할 수 있는 다양한 인덕터 부스트 컨트롤러가 제공된다. 최대 9개 LED를 직렬로 구동할 수 있으므로 병렬 스트링을 정합할 필요가 없다. 표 1은 각 부품에 대한 LX 핀 정격을 보여준다. 이들 부품들은 과전압 셧다운 기능을 갖추고 있어 LX 핀의 최대 정격과 직렬 LED 스트링의 최대 전압 사이에 가드밴드가 존재한다.
그림 12. MAX8595X 인덕터 부스트 컨버터를 사용하는 전류 레귤레이션은 최대 9개 LED를 구동할 수 있다.
MAX1848보다 부품 수가 더 적은 대안으로 MAX8595/MAX8596 고전압 컨트롤러를 사용할 수 있으며, 그림 12에서 볼 수 있다. MAX8595X는 25mA에서 9개의 LED를 구동할 수 있다. MAX8596X는 +42°C를 초과하는 주변 온도에서 최대 LED 전류를 강하할 수 있도록 온도 디레이팅 (derating) 기능을 추가하고 있다. MAX8596Z는 최대 8개의 LED를 구동한다.
DualMode 제어 핀은 comp 핀의 커패시터를 필터로 사용하여 로직 레벨 PWM 밝기 제어를 수행할 수 있다. 200Hz ~ 200KHz 범위의 주파수가 사용될 수 있다. 0% ~ 100%의 듀티 사이클은 0에서부터 전체 값까지 출력 전류를 생성한다. 또한 DAC로부터 간단한 아날로그 전압 레벨을 사용할 수 있다. 이 경우 출력 전류 감지 전압은 제어 전압의 1/5과 같으며, 클램프 전압을 넘지 않는다. 클램프 전압은 제어 전압이 상기 제한값을 초과하여 증가하는 경우에도 LED 전류를 전체 값으로 제한한다.
내장된 발진기는 1MHz에서 동작하므로 소형 부품을 사용할 수 있다. 최대 86% 효율을 달성할 수 있다. MAX8596은 구동 LED 수에서 최소형 패키지와 최소 부품 수를 제공한다.
MAX8790A는 WLED 애플리케이션에 여러 개의 병렬 스트링을 위한 고효율, 전류 모드 스텝 업 드라이버이다. MAX8790A는 여러 개의 직렬 연결 LED에 6개의 병렬 스트링을 구동할 수 있다. 이 소자는 2개의 디밍 제어를 제공하는데, 하나는 보다 높은 컨버터 효율을 위한 아날로그 디밍, 다른 하나는 색상 왜곡을 줄이기 위한 디지털 디밍이다.
그림 13. 최대 6개의 병렬 LED 체인을 구동하는 MAX8790A 인덕터 부스트 컨버터
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