개요: 최근의 휴대용 전자장치에 이용되는 백색 LED를 구동하기 위해서는 특수한 레귤레이터가 필요하다. 일반적으로 두 종류의 레귤레이터가 많이 사용되며, 각기 고유한 장점과 단점을 갖는다. 이 애플리케이션 노트에서는 각 레귤레이터의 장점을 살펴볼 것이다. 여기서는 예로 MAX1561과 MAX1573을 비교해보았다.
최근 휴대용 전자장치는 일반적으로 백색 LED를 백라이트로 하는 컬러 LCD 디스플레이를 갖고 있다. 백색 LED를 최적으로 구동하기 위해서는 LED의 높은 순방향 전압을 극복할 뿐 아니라 배터리 전압에 따른 휘도 변동과 LED간의 편차에 의한 휘도 변동을 최소화하기 위해 정전류를 구동하는 특별한 레귤레이터를 필요로 한다. 이를 위해 주로 두 가지 종류의 레귤레이터가 사용되는데, 하나는 인덕터 기반 부스트 컨버터이고 다른 하나는 커패시터 기반 차지 펌프 컨버터이다. 각 레귤레이터 타입은 고유한 장점과 단점을 가지고 있어, 최적의 선택은 시스템의 특징에 따라 우선순위를 결정하는 것이다.
이 글에서는 두 종류를 대표하는 최신 레귤레이터 MAX1561 부스트 컨버터와 MAX1573 차지 펌프를 비교한다. 각 레귤레이터의 장점을 평가하여, 결론은 시스템 설계자가 적절한 솔루션을 선택하도록 도움을 줄 것이다. MAX1561과 MAX1573은 두 제품 모두 동시에 설계되고 동일한 설비에서 동일한 공정으로 제작되었으며 모두 1MHz의 동일한 주파수에서 스위칭하기 때문에 비교하기에 아주 적합하다.
회로 복잡성: 차지 펌프 다소 우수
그림 1은 두 레귤레이터 솔루션에 대한 회로도를 보여준다. 이 회로는 몇 개의 외부 부품만을 탑재하고 있어 간단하지만, 부스트 컨버터는 인덕터와 쇼트키 다이오드가 필요하다. (일부 경쟁사 부스트 컨버터는 쇼트키 다이오드가 내장되어 있지만 항상 효율 감소를 수반한다.)
그림 1. MAX1561 부스트 컨버터(a)와 MAX1573 차지 펌프(b)는 백색 LED를 구동하기 위한 선택가능한 첨단 제품들이다. 회로 복잡도는 유사하지만 차지 펌프에는 인덕터가 필요없다.
효율: 차지 펌프가 놀랍게도 다소 우수
그림 2는 두 솔루션의 효율을 보여준다. 효율은 표준화된 리튬 이온 배터리 C/5 방전 프로파일 동안 배터리 전원에 의해 분배되는 LED에서의 전력으로 측정되었다. 18mA/LED에서의 곡선은 일반적인 백라이트 휘도 레벨에서의 효율을 보여준다. 부스트 컨버터와 차지 펌프 두 제품의 평균 효율은 83%이다. 2mA/LED에서 보이는 곡선은 비활성화(inactivity) 상태에서 밝기를 제어하였을 때의 효율을 나타낸다. 59% 효율의 부스트 컨버터에 비해 차지 펌프는 평균 76%의 뛰어난 효율을 갖는다.
그림 2. MAX1561 부스트 컨버터(a)와 MAX1573 차지 펌프(b)는 모두 Li+ 배터리 수명 동안 18mA/LED에서 평균 83% 효율을 달성한다. 그러나 2mA/LED에서 밝기가 제어되는 경우에는 차지 펌프가 부스트 컨버터보다 훨씬 더 효율이 높다.
대부분의 차지 펌프는 거의 이런 효율을 구현하지 않기 때문에 위의 결과는 다소 놀라운 것이다. MAX1573은 1x 패스 스루(pass-through) 및 1.5x 부스트 차지 펌프 모드, 적응형 모드 전환, 배터리 전력이 감소하는 동안에도 가능한 한 오래 동안 보다 효율적인 1x 모드를 유지할 수 있는 초저전압강하 선형 전류 레귤레이터를 내장하여 동급 최고의 효율을 달성한다. 1x 모드가 없는 구형 차지 펌프는 보통 50% ~ 67% 효율을 얻는데 그친다. 또한 1x 모드를 포함하고 있는 일부 경쟁사 차지 펌프는 대부분의 배터리 수명 동안 이 모드를 사용하지 못하므로 평균 효율은 83%에 훨씬 못 미친다.
부스트 컨버터의 경우, MAX1561은 업계에서 가장 뛰어난 효율을 보이는 제품 중 하나이다. 그러나 보다 높은 효율을 달성하기 위해서는 그에 따른 절충이 필요하다. 그 좋은 예가 MAX1599인데, 이 제품은 18mA/LED에서 87% 효율을, 2mA/LED에서는 71% 효율을 제공한다. MAX1599는 스위칭 손실을 낮추기 위해 발진기를 1MHz에서 500KHz로 낮추는 점만 제외하면 MAX1561과 정확히 동일하다. 감소된 주파수로 인해 인덕터의 물리적 크기는 두 배가 된다.
물리적 크기: 차지 펌프 우수
그림 3은 외부 부품을 포함한 두 솔루션에 대한 PCB 풋프린트를 보여준다. 부스트 컨버터는 핀 개수가 더 적어 소형의 3mm x 3mm 패키지가 가능하지만, 인덕터가 더 넓은 면적과 큰 높이를 필요로 한다. 1mm 높이에 달하는 인덕터는 그림 3에서 보는 것보다 더 많은 보드 공간을 필요로 한다. 차지 펌프는 좀 더 큰 4mm x 4mm 패키지에 실장되지만, 4개의 소형 1µF 세라믹 커패시터만 있으면 된다. 그림 3(b)는 0603 크기의 커패시터를 보여주는데 이미 최소 3개 제조업체가 그림 3(c)와 같은 보다 소형의 0402 크기로 제품을 제공하고 있다. 극도로 공간의 제약을 받는 애플리케이션의 경우 MAX1573 차지 펌프는 초소형 2mm x 2mm 칩 스케일 패키지로도 제공될 수 있으므로, 전체 차지 펌프 솔루션을 단 11mm2로 구현할 수 있다.
그림 3. 부스트 컨버터(a)는 인덕터가 필요하기 때문에 차지 펌프(b)보다 더 많은 보드 공간과 높이를 필요로 한다. 칩 스케일 패키징과 1µF 0402 크기 커패시터가 내장된 차지 펌프 솔루션(c)은 초소형 구현이 가능하다.
시스템 유연성: 부스트 컨버터 우수
부스트 컨버터의 한 가지 중요한 장점은 차지 펌프는 LED가 병렬 구성인데 반해 부스트 컨버터는 LED가 직렬로 연결된다는 점이다. 그림 4(a)에서 보듯이 이러한 직렬 구성은 부스트 컨버터와 LED 사이에 단 2개의 트레이스만 필요하다. 이것은 특히 부스트 컨버터 또는 차지 펌프는 메인 시스템 PCB에 놔두고 별도의 디스플레이 모듈에 LED를 실장해야 하는 경우 유리하다. 이러한 경우, 부스트 컨버터는 더 적은 커넥터 단자를 사용한다. 이 밖에도, 디스플레이 모듈에서 각기 다른 개수의 LED를 사용하는 다양한 모델에 대해 동일한 부스트 컨버터 회로를 사용할 수 있다. 또는 부스트 컨버터 회로에 전혀 영향을 미치지 않으면서 특정 모델의 디스플레이 모듈을 언제라도 변경할 수 있으며, 반대로 디스플레이 모듈에 전혀 영향을 미치지 않으면서 부스트 컨버터를 변경할 수 있다. 이러한 LED 직렬 연결은 설계 일정의 위험을 현저히 줄여준다.
차지 펌프를 효율적으로 만들기 위해서는 그림 4(b)에서 보듯이 1x 모드는 각 LED에 대한 개별적인 전류 레귤레이터가 필요하다. LED의 수를 변경할 경우, LED에 연결되는 트레이스의 수도 변경해야 한다. 또 때로는 사용하지 않는 전류 레귤레이터를 디스에이블하기 위해 회로도를 변경해야 하기도 한다(예를 들면, MAX1573의 경우 사용하지 않는 전류 레귤레이터를 IN에 연결한다). 차지 펌프를 경쟁 솔루션으로 변경하는 경우, 문제가 생길 수 있다. 사용하지 않는 전류 레귤레이터는 다른 방법(OUT에 연결하거나 또는 부동 상태를 만드는 등)을 통해 디스에이블할 수 있다. 더 안 좋은 방법은 새로운 차지 펌프를 공통 양극이 아닌 공통 음극을 갖는 LED 배열로 설계할 수 있는데, 이는 디스플레이 모듈을 추가로 변경해야 한다는 것을 의미한다.
그림 4. 부스트 컨버터(a)는 LED 연결이 단 2개지만, 차지 펌프(b)는 많은 연결이 필요하다. 부스트 컨버터의 경우 유연성이 더 큰데, 그 이유는 부스트 회로에 영향을 미치지 않으면서 LED 수를 변경하거나 LED 구성에 영향을 미치지 않으면서 부스트 컨버터 IC를 변경할 수 있기 때문이다. 차지 펌프의 경우 LED 구성은 사용되는 특정 IC에 따라 다소 고유한 특성을 갖는다.
리플 및 잡음: 차지 펌프 우수
차지 펌프와 부스트 컨버터는 스위칭 레귤레이터이므로 입/출력에서 전압 및 전류 리플을 발생시키고 인덕터와 스위칭 노드에서 EMI를 방출한다. 때로 이러한 리플과 잡음이 휴대전화기의 RF 트랜시버와 같은 제품 내부에서 다른 민감한 회로와 결합하여 성능상의 문제를 야기할 수도 있다.
배터리 전원 라인은 시스템에서 많은 회로에 공유되므로 입력 리플이 매우 중요하다는 점은 분명하다. 그러나 그림 5는 동일한 주파수에서 스위칭하고, 동일한 출력 부하를 구동하고, 동일한 입력 커패시턴스를 사용하면 차지 펌프나 부스트 컨버터의 입력 리플은 매우 비슷하다는 것을 보여준다. MAX1573은 1µF 입력 커패시턴스만 필요로 하지만, MAX1561과의 공정한 비교를 위해 커패시턴스를 2.2µF까지 증가시켰다는 점에 유의한다. 입력 커패시턴스를 4.7µF 또는 10µF까지 증가시키면 비용이나 물리적 크기를 거의 추가하지 않으면서 두 소자의 입력 리플을 더욱 감소시킬 수 있다.
그림 5. 입력 리플은 1MHz에서 스위칭하고, 동일한 수의 LED를 구동하고, 동일한 입력 커패시턴스를 사용할 경우 부스트 컨버터(a)와 차지 펌프(b)에서 모두 매우 유사하다. 그러나 차지 펌프는 LED 연결 수가 많아 더 짧은 출력 트레이스(안테나)가 가능하며, 플라잉 커패시터에서 방출되는 EMI가 부스트 컨버터의 인턱터와 스위칭 노드에서 방출되는 것 보다 더 적다.
출력 리플도 특히 긴 출력 트레이스가 존재하는 경우 문제가 될 수 있는데, 출력 리플은 안테나 역할을 하거나 심지어 전기 용량성으로 인해 인접 회로의 잡음과 결합할 수 있다. 부스트 컨버터는 이러한 문제를 발생시키는 경향이 더 큰데, 더 적은 출력 트레이스를 사용하므로 LED에서 더욱 멀리 배치될 가능성이 크기 때문이다. 차지 펌프는 출력 연결 수가 많으므로 자연적으로 IC와 LED를 서로 가깝게 배치하는 레이아웃을 쉽게 구현할 수 있다.
부스트 컨버터는 인덕터의 자기장에 에너지를 저장하므로, 차지 펌프의 플라잉 커패시터보다 더 많은 EMI를 방출한다. 이러한 이유로, 차폐된 인덕터나 시스템 내부에 컴파트먼트로 독립된 차폐를 권장한다. 게다가, 부스트 컨버터는 인덕터와 쇼트키 다이오드 간의 스위칭 노드 상에 매우 날카로은 에지를 가지는 큰 전압 스윙을 갖는다. 스위칭 노드에 소형 커패시터를 추가하면 종종 날카로운 에지를 부드럽게 하고 EMI를 줄일 수 있지만, 유감스럽게도 효율을 어느 정도 떨어뜨린다.
기타 중요한 특징: 필요에 따른 장점
아래의 기능은 부스트 컨버터나 차지 펌프에 내재하는 기능은 아니지만 특정 백라이트 드라이버 IC를 선택할 경우 평가할 필요가 있는 중요한 특징들이다.
출력 과전압 보호 기능은 MAX1561과 MAX1573에 모두 포함되어 있다. 이 기능은 LED(또는 출력 연결)가 개방 회로로서 오류가 발생하는 경우 IC의 손상을 방지한다. 이러한 기능이 없는 경우 외부 제너 다이오드(Zener diode)가 필요하다.
밝기 제어는 배터리 수명을 연장하기 위해 일정 시간 동안 동작이 없으면 LED 전류(디스플레이 휘도)를 감소시키는 데 사용된다. 또한 밝기 제어는 사용자가 기호에 맞추어 디스플레이의 보통 휘도 레벨을 조정하는 데에도 이용된다. 아날로그 DAC, 로직 입력, 온/오프 PWM, 필터링된 PWM, 1-wire 직렬 펄스 인터페이스 및 SPI™ 또는 I²C 직렬 인터페이스를 포함하여 많은 밝기 제어 기법이 있다. MAX1561 및 MAX1573은 다양한 밝기 제어 방법을 보여준다.
MAX1561은 단일 로직 레벨 온/오프를 위해 DAC로부터 아날로그 신호에 의해 구동되거나 또는 200Hz ~ 200KHz의 PWM 신호로 직접 구동할 수 있는 단일 CTRL 입력을 사용한다. MAX1561은 피드백 루프가 내장된 설계이므로 PWM 신호가 내부적으로 필터링되어 DC LED 전류를 생성하고 기존의 온/오프 PWM 밝기 제어에 비해 훨씬 적은 입/출력 리플 및 잡음을 발생시킨다.
MAX1573은 2개의 로직 입력 EN1과 EN2를 사용하여 LED 전류의 끄거나(off), 10%, 30%, 100%로 제어한다. 또 EN2를 하이로 구동하고 200Hz ~ 20KHz PWM 신호를 EN1에 인가할 경우, LED 전류는 PWM 듀티 사이클에서 10%와 100% 사이에서 빠르게 토글링된다. 이 밖에도, MAX1573은 100% 전류 레벨을 설정하는 외부 저항 Rset을 가지고 있어, 다른 저항에서 스위칭하거나 또는 2차 저항을 통해 아날로그 또는 로직 신호를 SET 노드로 합산(summing)함으로써 밝기를 제어할 수 있다.
소프트 스타트 기능은 시동 시 돌입 전류(in-rush current)를 감소시키는데 사용되므로 시스템 내부의 다른 회로를 교란시킬 수 있는 배터리 전압 드루핑(droop)을 최소화한다. 그림 6에서 보듯이 MAX1561과 MAX1573은 모두 소프트 스타트 기능이 내장되어 있다. 일부 소프트 스타트 알고리즘은 모든 입력 전류 오버슛을 방지하지만, 덜 효율적인 알고리즘은 단지 전류 오퍼슛이 초과되지 못하도록 한다.
그림 6. MAX1561 부스트 컨버터(a)와 MAX1573 차지 펌프(b)의 소프트 스타트와 셧다운 파형은 입력 전류(IIN
고속 고정 주파수 스위칭은 물리적으로 소형 외부 부품의 사용을 가능하게 하고 입/출력 리플을 낮게 유지시킨다. 그러나 만약 스위칭이 너무 빠르면 스위칭 손실이 증가하고 효율이 떨어지게 된다. 현재 반도체 공정을 고려한다면 600KHz ~ 1.5MHz의 주파수 범위가 최적으로 보인다. 일부 백라이트 드라이버 IC는 가변 주파수 PFM 또는 게이트 발진기(gated-oscillator) 제어 구조를 사용하므로, 대형 입/출력 리플을 일으킬 수 있고 고조파 성분이 많아 다른 회로와 간섭을 일으킬 수 있다. 이러한 PWM 구조를 사용하는 경우 신중한 평가가 요망된다.
우수한 전류 정확도와 정합은 디스플레이 휘도와 전력 소비를 목표 수준에서 유지시키고 LED 간의 모든 휘도 변동을 최소화하는 것이다. 비록 이러한 사항은 많은 주의를 받지만 우리가 생각하는 것보다는 덜 중요하다. 완벽한 전류 정확도를 갖는 경우에도 LED 자체는 ±20% 휘도 변동을 갖는다. 게다가, 인간의 눈은 40%의 총 휘도 부정확도와 ±30%의 LED 간 부정합에 대해 거의 인식하지 못한다.
구식 전압 레귤레이팅 차지 펌프는 밸러스트 저항을 사용하여 간신히 수용하기 어려운 정확도와 정합을 달성했다. 보다 새로운 차지 펌프는 개별 전류를 능동적으로 제어하기 위해 LED 당 한 개씩 여러 개의 전류 레귤레이터를 통합하여 이러한 문제를 해결하고 있다. 그럼에도 불구하고 저전류 수준에서 밝기를 제어할 때 우수한 정합을 유지하는 것은 일부 차지 펌프 IC에서는 어려운 문제로 남는다. 부스트 컨버터의 경우 직렬 LED 연결은 모든 전류 수준에서 본질적으로 완벽한 정합을 제공하지만 부스트 IC는 여전히 전체 휘도 범위에서 합리적인 정확도를 제공할 필요가 있다.
차지 펌프 모드 전환 히스테리시스(Charge Pump Mode-Change Hysterisis)는 1x와 1.5x 차지 펌프 모드 간에 전환할 때 LED의 깜박임 현상(flicker)을 방지한다. 우수한 적응형 모드 전환 구조는 전류 레귤레이터를 모니터하여 전압강하 바로 전에 모드 전환을 시작하므로 가장 낮은 배터리 전압 수준까지 보다 효율적인 1x 모드를 유지할 수 있다. 모든 전류 레귤레이터를 모니터링하는 것은 중요하다. 그렇지 않을 경우, 일부 LED는 모드가 전환되기 전에 밝기를 제어하고, 그로 인해 1.5x 모드가 시작될 때 LED 휘도에서 눈에 띄는 차이를 느낄 수 있다. 일단 1.5x 모드에 들어가면, 히스테리시스는 모드가 입/출력 리플과 눈에 띄는 LED 깜박임 현상을 발생시킬 수 있는 토글링이 발생되지 않도록 방지한다. 그러나 히스테리시스가 너무 클 경우 배터리 전압에 존재하는 모든 순간적인 드루핑은 덜 효율적인 1.5x 모드를 래치하여 배터리 전력이 회복되는 경우에도 1x 모드로 복귀하지 못하도록 한다. 이와 같은 이유로 히스테리시스는 최적화되어야 한다. 예를 들어, MAX1573은 각 전류 레귤레이터를 모니터링할 뿐만 아니라 고유의 기술을 사용하여 최적의 효율 구현과 깜박임 제거를 위해 능동적으로 히스테리시스를 변경한다. (물론 MAX1561과 같은 부스트 컨버터는 모드 변환이 필요없다.)
결론: 부스트 컨버터 1점, 차지 펌프 4점
위의 비교는 차지 펌프의 여유있는 승리를 보여준다. 그러나 설계 우선순위와 모든 특정 드라이버 IC의 고유한 특성에 따라 의견이 다를 수 있다. 최근까지 부스트 컨버터는 차지 펌프보다 훨씬 더 효율적이었으며 많이 이용되어 왔다. 그러나 차세대 1x/1.5x 차지 펌프가 그 격차를 없앰으로써 최근 대부분의 신제품 설계에는 차지 펌프 솔루션이 선호되고 있다.
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