개요: 백색 LED를 디스플레이 백라이팅 또는 기타 조명 애플리케이션용으로 사용시 이를 정전류로 구동하는 이유는 두 가지가 있다:
절대 최대 전류 값 위반과 신뢰성 하락을 피하기 위함이다.
각 LED에서 예측가능하고 일치되는 광도와 색도를 얻기 위함이다.
본 애플리케이션 노트에서는 필요한 정전류 구동을 달성하는 회로와 기본 LED 범위의 특성을 설명한다.
6개의 랜덤한 백색 LED (2개 제조회사로부터 각 3개씩)의 순방향 전류 대비 순방향 전압이 그림 1에 예시되어 있다. 이 경우 예를 들어 3.4V로 이 6 개의 LED를 구동하면 LED에 따라 그 순방향 전류가 10mA에서 44mA까지 변한다.
그림 1. 6개의 랜덤한 백색 LED (2개 제조회사로부터 각 3개씩)의 순방향 전류 대비 순방향 전압. 주어진 모든 전압에서 순방향 전류는 예를 들어 3.4V의 경우 10mA ~ 44mA까지 변화의 폭이 넓다.
신뢰성을 위해서는 LED의 절대 최대 전류값을 위반하지 않는 것이 중요하다. 기본 값은 30mA 절대 최대값이지만 그림 2에 예시된 바와 같이 최대 전류는 주위 온도의 상승을 처리하기 위해 정격전류를 낮추었다. 섭씨 50도까지 사용하기 위해 일반 전류는 20mA까지로 제한한다. 그림 1 및 2의 정보를 종합하면 정전류로 백색 LED를 구동하는 것이 신뢰성 있는 솔루션이 아니라는 것이 명백해진다.
그림 2. 백색 LED의 절대 최대 순방향 전류 값은 기본적으로 주위 온도의 상승에 따라 디레이트(de-rate) 된다 (Nichia Corporation 제공)
더구나 백색 LED의 광도 및 색도는 이를 정전류로 구동함으로써 시험되고 최상으로 제어된다는 점을 아는 것이 중요하다. 기본적인 백색 LED의 규격이 그림 3에 예시되어 있다.
그림 3. 일반적인 백색 LED에서 전체 전기 규격은 IF =20mA 에서 시험된다. 그러므로, 예측 가능하고 일치되는 광도와 색도를 얻기 위해 정전류 구동이 권장된다. (Nichia Corporation 제공).
그림 4는 백색 LED를 구동하는 4 종류의 흔한 전원 장치 회로를 예시하고 있다. 그림 5는 6개의 랜덤 LED를 레귤레이션할 때 상응하는 레귤레이션 정확도를 예시하고 있다. 그림 5에서 레귤레이터의 출력 부하 라인 특성은 LED의 Vf 곡선 상에 점으로 표시되어 있다. 라인 교차점은 각 LED의 레귤레이션 점이다.
그림 4. 백색 LED는 통상 다음의 4 가지 방식으로 전원을 공급받는다: (a) 전압 소스 및 밸러스트 저항, (b) 전류 소스 및 밸러스트 저항, (c) 다중 전류 소스, (d) 직렬 연결의 LED를 갖는 전류 소스.
그림 5. 백색 LED 순방향 전압 (Vf)의 편차는 레귤레이션 체계에 따라 전류 레귤레이션 정확도에 다른 영향을 미친다: (a) 전압 소스 및 밸러스트 저항, (b) 전류 소스 및 밸러스트 저항, (c) 다중 전류 소스 또는 직렬 LED를 갖는 전류 소스. 랜덤 백색 LED 6개 (롯 A 3개, 롯 B 3개)의 Vf 곡선이 예시되어 있다. 레귤레이터의 출력 부하-라인 곡선이 LED의 Vf 곡선과 교차하는 점이 레귤레이션 점이다.
그림 4a의 회로는 전압 레귤레이터와 밸러스트 저항을 사용하여 LED 전류를 제어하는 방법을 예시하고 있다. 이 접근 방식의 장점은 매우 다양한 전압 레귤레이터가 이 방식으로 적용될 수 있으며 단 하나의 터미널이 레귤레이터를 LED에 연결한다. 단점은 밸러스트 저항에서의 전력 손실로 인해 효율이 썩 좋지 않으며 LED 순방향 전류가 정확하게 제어되지 않는다는 점이다. 그림 5a는 본 예의 랜덤 백색 LED 6개의 전류가 14.2~18.4mA로 다양하며, 브랜드 A가 평균적으로 브랜드 B도다 2mA 더 밝다는 것을 예시하고 있다.
그림 4b의 회로는 LED에 적용된 총 전류를 레귤레이트하며 밸러스트 저항은 여전히 LED 대 LED 정합용으로 사용되고 있다. MAX1910은 이 유형의 레귤레이션의 한 예이다. 이 회로는 LED가 한 제조사의 롯트 내에서 더 잘 정합되며, 대부분의 편차가 롯 대 롯(lot-to-lot), 또는 브랜드 대 브랜드에 따라 존재한다는 사실을 강조하고 있다. 이 때문에 밸러스트 저항은 감소되어 최대 절반의 전력을 낭비할 수 있으며 한편으론 이전의 회로에서와 유사한 전류 제어를 제공한다. 그림 5b는 본 예의 랜덤 LED 6개의 전류가 15.4~19.6mA까지 다양하지만 브랜드 A의 편차가 적으며 브랜드 A와 B 모두 동일한 17.5mA/LED의 평균 전류로 구동된다는 것을 예시하고 있다. 단점은 밸러스트 저항에서 여전히 상당한 전력이 손실되고 있다는 것과 LED 전류가 완벽하게 정합되지 않는다는 것이다. 그럼에도 불구하고 이 회로는 성능과 단순성 사이에서 양호한 절충을 나타내고 있다.
그림 4c의 회로는 각 LED의 개별 전류를 레귤레이트하며 밸러스트 저항을 필요로 하지 않는다. 전류 레귤레이션의 정확성과 정합은 개별 전류 레귤레이터의 정확성에 의해 제어된다. MAX1570은 이 유형의 전류 레귤레이션의 한 예이며 2%의 기본적 전류 정확도와 0.3%의 기본적 전류 정합을 보여주고 있다. 전류 레귤레이터의 전압강하가 낮기 때문에 효율은 매우 높을 수 있다. 그림 5c는 레귤레이션된 전류가 랜덤하게 선택된 6개의 백색 LED 모두에서 17.5mA로 일정함을 보여주고 있다. 밸러스트 저항이 없기 때문에 기판 공간이 절약되지만 4개이 터미널이 레귤레이터와 LED 사이에 필요하다. 이 유형의 회로는 고성능의 솔루션으로 인덕터 기반의 솔루션과 경쟁이 가능하다.
그림 4d의 회로는 고효율 인덕터 기반의 부스트 컨버터로 전류 레귤에이션용으로 구성되었다. 피드백 임계치가 낮아 전류 감지 저항에서의 전력 낭비가 최소화되어 있다. LED가 직렬로 배치되어 있기 때문에 LED 전류는 모든 조건에서 완벽하게 정합된다. 전류 정확도는 레귤레이터의 피드백 임계치 정확도에 의해 결정되며 LED의 순방향 전압 편차의 영향은 받지 않는다. MAX1848 및 MAX1561은 이 유형의 전류 레귤레이션의 예이며 각각 87% (3 LED) 및 84% (6 LED) 의 효율 (PLED/PIN)을 보인다. 기타의 몇 가지 장점으로 레귤레이터와 LED 사이에 단 2개의 터미널만이 필요하며 LED의 직렬 배치가 사용되는 특정 부스트 컨버터의 영향을 받지 않는다는 점을 들 수 있으며 이러한 이유로 디자이너들에게 상당한 유연성을 제공한다. 단점으로는 인덕터의 크기 (특히 높이), 가격, EMI 방사 등이 있다.
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