개요: 백색 발광 다이오드(LED)는 플래시나 휴대용 전자제품의 디스플레이 백라이팅과 같은 다양한 조명 애플리케이션에서 인기를 얻고 있다. 백색 LED는 백열전구에 비해 흰색 빛이 더 강하고 전력 소비는 적으며, 형광튜브에 비해 사용이 간편하다. 여러 개의 백색 LED를 합치면 정합이 나빠질 수 있다. 저가의 선형 레귤레이터(LDO)를 사용할 경우 상이한 LED의 정합도 크게 개선될 수 있다.
몇년 전에 발명된 백색 발광 다이오드(LED)는 이후 꾸준한 인기를 얻고 있다. 백열전구에 비해 흰색 빛이 더 강하고 형광튜브에 비해 사용하기 쉽기 때문에 백색 LED는 플래시나 휴대용 전자제품의 디스플레이 백라이팅과 같은 다양한 조명 애플리케이션에서 꾸준한 시장 점유율을 확보해 왔다. 그러나 백색 LED는 몇 가지 기술적인 문제를 안고 있다.
백색 LED 사용 시 가장 뚜렷한 문제는 정합이 약간 떨어진다는 것이다. 한 예로, 백색 LED의 포워드 전압 규격(20mA에서 Vf)은 최소 3.0V, 기본 3.5V, 그리고 최대 4.0V일 수 있다. 분명한 점은, 전류는 일정 전압에서 기기마다 크게 다르기 때문에 정전압 소스는 해결책이 될 수 없다는 것이다. 정합 휘도 달성을 위해 권고되는 방법은 각각의 LED를 동일한 전류량으로 구동시키는 것이지만, 이것은 많은 비용이 소요된다. 대부분의 애플리케이션은 그림 1과 같이 단순히 고정 바이어스 전압과 밸러스트 저항을 사용한다.
그림 1. 대부분의 애플리케이션은 간단히 고정 바이어스 전압(이 경우 5V)과 밸러스트 저항(이 경우 75Ω)을 사용하여 대략적인 백색 LED 휘도 정합을 달성한다.
그림 1과 같은 회로는 일반적으로 상당히 양호한 휘도 정합을 달성한다. 그러나 대부분의 대량 생산 과정에서 알고 있는 바와 같이, 하나 하나씩 조립 라인에서 생산된 제품들은 상당히 균일한 특성을 나타내지만, 생산 과정이 장기화되면 로트(lot) 간에 상당한 편차가 발생할 수 있다. 이것은 물론 백색 LED에도 그대로 적용된다. 일반적으로 생산의 어려움은 각각의 새로운 LED 묶음을 특성화하고 상이한 밸러스트 저항값을 선택해야 하는 경우에 발생한다. 다수의 백색 LED 공급업체를 이용할 경우 문제는 더욱 악화된다. 이것을 실증하기 위해, 각각 다른 제조업체가 생산한 세 개의 백색 LED를 구입하여 그림 1의 회로를 사용하여 테스트하였다. 브랜드 A는 1급 백색 LED 제조업체에서 구입했고 도착된 LED는 작은 비닐백에 들어 있었다. 브랜드 B는 2급 백색 LED 제조업체에서 구입했으며 도착한 LED는 테입에 담겨 있었다. 소형 제조업체 제품인 브랜드 C는 가까운 전파상에서 구입했으며 개별 포장되어 있었다. 테스트 결과는 표 1과 같다.
표 1. 그림 1의 회로의 제조 상태를 평가하기 위해 3개 제조사로부터 3개의 백색 LED를 구입하여 LED 전류를 측정하였다. 브랜드 간 정합은 평균의 표준 편차가 3.27mA로 매우 좋지 않았다.
표 1의 "Stdev" 표준 편차 열에서 알 수 있듯이, 각 브랜드 내 정합은 비교적 양호하다. 브랜드 A와 브랜드 B는 매우 양호한 정합을 보여준다. 예상할 수 있겠지만, 브랜드 C의 개별 포장된 LED는 정합이 한층 더 느슨하다. 브랜드 내 정합의 성능지수 0.54mA는 표준 편차의 평균을 취해 얻어진 값이다.
표 1의 "Avg" 평균 열에서 알 수 있듯이, 브랜드 간 정합은 상당히 안좋다. 브랜드 A는 가장 많은 전류(평균 24.6mA)를 소비하고, 브랜드 B는 가장 적은 전류(평균 18.3mA)를 소비한다. 브랜드 간 정합의 성능지수 3.27mA는 평균의 표준 편차를 취하여 얻어진 값이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 개별 LED 전류 또는 최소한 하나의 LED의 전류를 레귤레이트하는 솔루션은 제품의 제조 수명에 걸쳐 더 나은 로트 간 및 브랜드 간 정합을 제공할 것이다. 그러나 이러한 솔루션은 일반적으로 상당한 고가의 IC를 필요로 한다. 다행히도 완벽한 정합보다는 비용이 더 문제가 될 경우, 저렴한 저전압강하(LDO) 선형 레귤레이터는 각각의 새로운 LED 묶음으로 밸러스트 저항값을 조정하지 않아도 되는 이점을 충분히 제공할 수 있다. 그림 2는 하나의 LED 순방향 전압에 대한 응답에서 바이어스 전압을 자동으로 가변하는 전압 및 전류 레귤레이션 모드에서 LDO를 사용하는 방법을 보여준다.
그림 2. 저가의 LDO를 추가하여 바이어스 전압을 자동으로 가변화함으로써, 백색 LED 로트 간 및/또는 브랜드 간 편차에 대한 휘도 정합은 상당히 개선된다.
그림 2의 이점을 실증하기 위해, 3개의 제조업체에서 생산한 동일한 3개의 LED를 다시 테스트하였으며 그 결과는 표 2와 같다. 브랜드 내 정합이 약간 절충되었으나(0.77mA 대 표 1의 0.54mA), 브랜드 간 정합은 340% 개선되었다(0.96mA 대비 표 1의 3.27mA)!
표 2. 그림 2의 회로의 정합 성능을 평가하기 위해 동일한 3개의 백색 LED 묶음을 다시 테스트하였다. 평균의 표준 편차가 0.96mA이고 이것을 표 1의 3.27mA와 비교하여 알 수 있듯이, 브랜드 간 정합은 훨씬 더 개선되었다.
참고로 그림 2의 LDO는 피드백 임계값(VSET)이 1.25V인 MAX8863과 같은 외부 가변 유형이어야 하다. 또한, 소형 SOT23 패키지로 제공되는 LDO를 추가하는 규모와 비용은 부분적으로 상쇄되는데, 그 이유는 LDO에 셧다운 핀이 있어 On/Off 또는 PWM 조광 제어를 위해 그림 1의 N채널 FET이 더 이상 필요하지 않기 때문이다. LDO는 또한 LED 단락 회로 보호, 넓은 입력 전원 전압 범위, 그리고 5V 전원을 다른 회로와 공유하는 경우에서의 PSRR과 같은 다른 이점들도 제공한다. 그 밖에도 브랜드 A의 LED는 더 이상 "핫" 상태로 동작하지 않으므로 전력 소비에 따른 스트레스 문제가 감소된다.
그림 3은 표면 실장 백색 LED를 사용하는 대부분의 휴대용 백라이팅 애플리케이션에서 요구하는 LED 당 15mA가 되도록 그림 2를 수정하는 방법을 보여준다. MAX8863은 LED 당 15mA에서 최대 8개의 LED를 지원한다. LED의 순방향 전압과 밸러스트 저항 간 전압은 15mA 미만일 것이므로 최소 입력 전압도 낮아진다.
그림 3. MAX8863 LDO는 LED 당 15mA에서 양호한 1~8개의 백색 LED를 구동할 수 있으며 LED 로트 간 또는 브랜드 간 편차에도 불구하고 양호한 휘도 정합이 이루어진다.
본 기사는 ECN 지 2002년 11월호에 게재되었다.
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