개요: LCD(liquid crystal display)는 전자적으로 제어되는 라이트 밸브이다. LCD TV는 컬러 스크린에 빛을 비추기 위해 백색 "백라이트"를 사용하며, 일반적으로 냉 음극 형광 램프(CCFL)를 이용하고 있다. LED와 같은 다른 기술이 고려되기는 하지만 높은 비용 때문에 채택이 제한되어 왔다.
이 글은 LCD TV 등에 사용되는 대형 LCD 패널의 백라이트를 위한 다중 CCFL의 구동과 제어에 관련된 설계 과제를 설명한다.
설계 과제
LCD TV는 소비성 품목이므로 가장 우선적으로 고려되는 설계 요소는 비용이지만, 동시에 일정한 최소 수준의 성능을 유지해야 한다. CCFL 인버터는 램프 수명을 크게 단축시키지 않는 방식으로 램프를 구동해야 한다. 또한 램프 구동 중에는 고전압이 발생되므로, 안전이 고려되어야 한다. 이 글에서는 LCD TV 애플리케이션에서 다중 CCFL을 구동하는데 고려해야 할 세 가지 주요 설계 과제로, '최상의 구동 구조 선택, 다중 램프의 구동, 램프 및 버스트 디밍 (dimming) 주파수에 대한 정밀한 제어'에 대해 중점적으로 살펴보기로 한다.
최상의 구동 구조 선택
CCFL을 구동하는데 필요한 고전압 AC 파형의 생성은 Royer(자체 발진), 하프 브리지, 풀 브리지 및 푸시 풀을 포함하여 다양한 구조를 통해 구현할 수 있다. 표 1에는 이들 네 가지 구조의 장점과 단점이 자세히 나와 있다.
표 1. CCFL 구동 구조 비교
구동 구조
장점
단점
Royer
최저 비용
램프 전류 또는 주파수에 대한 정밀한 제어 불가능
정밀한 DC 전원 레귤레이션 필요
특수 트랜스포머 권선 필요
밸러스트 커패시터 필요
저효율
풀 브리지
중앙 탭 트랜스포머 불필요
넓은 DC 전원 범위에서 동작 (3:1 이상)
4개의 MOSFET 필요
고비용 저효율의 p채널 MOSFET이 필요할 수 있음
하프 브리지
개의 MOSFET만 필요
고비용 저효율의 p채널 MOSFET이 필요할 수 있음
권선비가 높은 트랜스포머가 필요하므로 비용 증가
푸시 풀
2개의 n채널 MOSFET만 필요하므로, p채널 MOSFET보다 비용이 저렴하고 높은 효율을 가짐
높은 DC 전원 전압으로 쉽게 확장 가능 (최대 120V)
낮은 트랜스포머 권선비
DC 전원이 2:1 범위를 넘어서면 효율 저하
Royer 구조
Royer 구조(그림 1)의 최상의 애플리케이션은 램프 주파수와 밝기를 정밀하게 조정할 필요가 없는 설계이다. Royer 구조는 부품 값의 변동을 포함한 자체 발진 설계이므로 정확한 램프 주파수와 램프 전류를 제어하기 어려운데, 이 두 가지는 램프 밝기에 직접적인 영향을 미치는 요소이다. 이러한 이유로, Royer 구조는 네 가지 구조 중 가장 저렴한 구현 방식이지만 LCD TV 애플리케이션에는 거의 사용되지 않는다.
그림 1. Royer 구동은 간단하지만 정밀성이 높지 않다.
풀 브리지 구조
풀 브리지 구조는 매우 넓은 DC 전원 전압 범위를 필요로 하는 애플리케이션에 가장 적합하다(그림 2). 따라서 거의 모든 노트북 PC에서는 풀 브리지 방식을 사용하고 있다. 인버터의 DC 전원은 노트북 메인 DC 전원으로 연결되는데, DC 전원은 7V(방전된 배터리 전압)에서 21V(AC 충전)까지 변화할 수 있다. 일부 풀 브리지 구현은 n채널 MOSFET보다 비싼 p채널 MOSFET을 필요로 한다. 또한 p채널 MOSFET는 구조적으로 온 저항이 본질적으로 높아 효율이 더 낮다.
그림 2. 풀 브리지 구동은 넓은 DC 인버터 전원 범위에서 잘 동작한다.
하프 브리지 구조
하프 브리지 구조의 가장 큰 장점은 풀 브리지 구조보다 구동 채널 당 2개가 더 적은 MOSFET만 사용하면 된다는 점이다(그림 3). 그러나 이 구조는 더 높은 권선비의 트랜스포머를 필요로 하므로 트랜스포머 비용이 높아진다. 또한 풀 브리지 구조와 마찬가지로 하프 브리지 구조에서도 p채널이 필요할 수 있다.
그림 3. 하프 브리지 구동은 풀 브리지 구동보다 2개가 더 적은 MOSFET을 사용한다.
푸시 풀 구조
마지막으로 살펴볼 구조는 푸시 풀 구동으로, 이 구조는 많은 장점을 갖는다. 푸시 풀 구조는 n채널 MOSFET만 사용하므로(그림 4), 비용을 낮추고 인버터의 효율을 높인다. 또한 높은 DC 인버터 전원 전압으로 쉽게 확장할 수 있다. 더 높은 DC 인버터 전원 전압을 사용하려면 적절한 드레인 소스 브레이크다운 전압을 갖는 MOSFET만 선택하면 된다. DC 인버터 전원 전압과 상관없이 동일한 CCFL 컨트롤러를 사용할 수 있다. 이것은 n채널 MOSFET를 사용하는 풀 브리지 및 하프 브리지 구조에는 해당되지 않는다.
푸시 풀 구조의 가장 큰 단점은 DC 인버터 전원 범위를 2:1 미만으로 유지해야 한다는 점이다. 그렇지 않으면, DC 인버터 전원 전압이 높을 경우 AC 파형의 높은 파고율로 인해 시스템 효율이 떨어진다. 이 때문에 푸시 풀 구조는 노트북 PC에는 적합하지 않지만, DC 인버터 전원 전압이 ±20% 내에서 레귤레이트되는 LCD TV에 이상적이다.
그림 4. 푸시 풀 구동은 간단하지만 정밀한 제어를 제공한다.
다중 램프 구동
CCFL은 수년간 노트북 PC, 디지털 카메라, 네비게이션 시스템 및 기타 소형 LCD 스크린을 장착한 다양한 장치에 사용되어 왔다. 이러한 유형의 장치에는 일반적으로 한 개의 CCFL만 포함되어 있으며, 이 경우 기존 기술에서는 하나의 CCFL 컨트롤러만 사용한다. 그러나, 여러 개의 CCFL을 필요로 하는 대형 LCD 패널의 출현으로 새로운 방법이 필요하게 되었다. 한 가지 가능한 방법은 단일 채널 CCFL 컨트롤러를 사용하여 다중 램프를 동작하도록 하는 것이다(그림 5). 이러한 방법에서는 CCFL 컨트롤러가 하나의 램프만 통과하는 램프 전류를 모니터한 다음, 거의 동일한 AC 파형으로 모든 램프를 병렬로 구동한다. 그러나 이 방법에는 몇 가지 단점이 있다.
그림 5. 다중 램프를 단일 채널 CCFL 컨트롤러로 구동하는 방식은 무엇보다 밝기가 불균등할 수 있으므로 이상적이지 않다.
첫 번째 문제는 밝거나 흐린 부분이 나타나지 않도록 모든 램프에 균등한 밝기를 유지하는 것이다. 동일한 파형으로 모든 램프를 구동할 경우, 램프를 흐르는 구동 전류가 서로 다르게 되어 각 램프의 밝기가 달라진다. 또한 램프 임피던스의 차이로 인해 불균등한 밝기가 초래된다. 더욱이, CCFL의 밝기는 온도에 따라 달라진다(그림 6). 열이 상승하면 패널 위쪽의 램프(사이드 바, 그림 12)는 패널 아래쪽 램프보다 더 뜨거워지므로, 따라서 램프의 밝기가 고르지 않다.
그림 6. CCFL의 밝기는 주위 온도에 따라 달라진다.
단일 채널 CCFL 컨트롤러를 사용하여 다중 램프를 구동하는 방식의 두 번째 단점은 하나의 램프만 고장이 발생해도(램프 파손 등) 모든 램프가 턴 오프된다는 점이다. 세 번째 단점은 모든 램프가 병렬로 구동되고 동시에 턴 온 및 턴 오프되므로, DC 인버터 전원은 벌크 커패시턴스로 보다 철저하게 분리시켜야 한다는 점이다. 이에 따라 인버터의 비용이 높아진다.
이러한 여러 가지 문제를 해결하는 한 가지 방법은 각 램프에 별도의 CCFL 컨트롤러를 사용하는 것이다(그림 7). 그러나 이 방법의 가장 큰 단점은 CCFL 컨트롤러의 추가로 인해 별도의 비용이 발생한다는 점이다. LCD 패널의 백라이트를 위한 이상적인 솔루션은 각 램프를 개별적으로 구동하고 모니터할 수 있는 다중 채널 CCFL 컨트롤러이다(그림 8). 따라서 다중 채널 CCFL 컨트롤러는 불균등한 밝기와 단일 램프 고장과 관련된 문제를 해결하고, 필요한 디커플링을 감소시키는 비용 효율적인 방법이다.
그림 7. 각 CCFL에 단일 채널 컨트롤러를 사용하는 방법은 비용이 상승한다.
그림 8. 다중 채널 컨트롤러를 사용하여 다중 램프를 제어하는 것은 이상적인 방법이다.
램프 및 버스트 디밍 (dimming) 주파수에 대한 정밀 제어
LCD TV 디스플레이는 동적이고, 동영상 이미지를 연속적으로 표시하기 때문에, 컴퓨터 모니터나 노트북 PC와 같은 스태틱 디스플레이 애플리케이션에는 존재하지 않는 요구사항을 추가로 갖춰야 한다. CCFL이 구동되는 주파수는 LCD 스크린에 디스플레이되는 이미지와 간섭을 일으킬 수 있다. 램프 주파수가 비디오 업데이트 레이트의 상수배에 가까울 경우 느리게 움직이는 라인이나 줄무늬가 생성될 수 있다. 이러한 현상은 램프 주파수를 ±5% 이내로 엄격하게 제어함으로써 제거할 수 있다.
램프의 밝기를 조정하기 위해서는 버스트 디밍 주파수에도 이와 동일한 엄격한 제어가 필요하다. 일반적으로 30Hz ~ 200Hz 범위의 펄스폭 변조(PWM) 신호는 짧은 시간에 램프를 턴 오프하는데, 이온화가 사라질 만큼 충분히 긴 시간이 아니다. 버스트 디밍 주파수가 수직 동기 레이트의 배수에 가까울 경우, 롤링 라인이 생성될 수 있다. 여기에서도 버스트 디밍 주파수를 ±5% 이내로 제어한다면 이러한 문제를 해결할 수 있다. 또한 일부 LCD TV 애플리케이션에서는 CCFL의 느린 버스트 디밍 주파수를 수직 동기 레이트에 동기화시키면 LCD 패널의 이미지 응답을 향상시킬 수 있다.
LCD TV 백라이팅 문제 해결을 위한 솔루션 (DS3984/DS3988)
DS3984(4채널) 및 DS3988(8채널) CCFL 컨트롤러는 이 글에서 소개된 모든 설계 문제를 해결한다. 이 소자들은 채널 당 하나의 램프를 구동하거나(그림 9) 또는 채널 당 여러 개의 램프를 구동하도록(그림 10) 구성할 수 있으므로, 사용자는 비용 대비 성능 목표에 맞는 설계를 채택할 수 있다. 또한 LCD TV 패널의 백라이팅을 위해 필요한 수만큼 램프를 지원하기 위해 다중 DS3984/DS3988을 쉽게 케이케이딩할 수 있다.
DS3984/DS3988은 푸시 풀 구동 방식이므로 저비용 고효율의 n채널 MOSFET의 사용이 가능하다. 또한 DC 인버터 전원 전압은 고전압으로 쉽게 확장할 수 있다. 개별적인 램프 제어 및 모니터링은 균등한 램프 밝기를 제공하고, 인버터 설계에서 전체 부품 갯수를 줄인다. 개별적인 램프 제어를 채택하고 있어, 하나의 램프에 고장이 발생하는 경우 해당 램프만 디스에이블되고 다른 램프는 계속 동작한다. ±5% 레벨로 정밀하게 지정되는 온 보드 램프 및 버스트 디밍 발진기는 시각적인 결함을 제거하고, 외부 클록 소스에 동기화할 수 있다.
큰 이미지 보기 그림 9. DS3984/DS3988은 각 램프를 독립적으로 구동 및 모니터하므로 LCD TV와 PC 모니터에서 균등한 밝기를 제공한다.
큰 이미지 보기 그림 10. DS3984/DS3988은 채널 당 다중 램프를 구동할 수 있다.
CCFL
냉 음극 형광 램프(CCFL)는 불활성 기체로 채워진 작은 직경의 밀봉된 유리관이다(그림 11). 유리관에 높은 전압이 인가되면, 기체는 이온화되면서 자외선(UV)를 발생시킨다. 이렇게 발생된 자외선은 유리관 내부에 코팅된 형광체에 부딪쳐 가시광선을 발생시킨다. CCFL은 아래 기술된 내용을 포함하여 많은 장점을 가지고 있다.
우수한 백색 광원
저비용
고효율 (입력 전력 대 광 출력)
오랜 수명 (2만 5천 시간 이상)
안정되고 예측 가능한 동작
쉽게 조절할 수 있는 밝기
가벼운 무게
그림 11. CCFL은 불활성 기체로 채워진 유리관이다.
CCFL은 효율과 수명, 유용성을 최대화하기 위해서는 반드시 고려해야 하는 몇 가지 고유한 특성이 있다. 그러나 이러한 특성은 설계상의 어려운 문제가 되기도 한다. 예를 들어, 램프의 수명을 최대화하려면 CCFL은 AC 파형으로 구동해야 한다. 모든 DC 부품은 기체의 일부가 유리관의 한쪽 끝에 모이게 하여, 가역 반응이 불가능한 빛양의 편차를 발생시켜 유리관의 한쪽 끝이 다른 쪽 끝보다 더 밝아지게 된다. 또한 효율(입력 전력 대 광 출력)을 최대화하기 위해서는 램프를 사인파에 거의 가까운 파형으로 구동해야 한다. 이를 달성하려면, CCFL은 일반적으로 DC 전원 전압을 40kHz ~ 80kHz AC 파형으로 변환하고 500VRMS ~ 1000VRMS의 동작 전압을 갖는 DC-AC 인버터를 필요로 한다.
LCD TV의 일반적인 CCFL 구성
그림 12는 LCD TV에서 볼 수 있는 일반적인 CCFL 구성을 보여준다. 이 TV에 사용된 12개의 램프는 LCD 백플레인을 따라 균등한 간격으로 놓여 있어 가능한 최적의 빛의 분포를 제공한다. 중요한 점은 모든 램프가 동일한 밝기 레벨에서 동작하고 있다는 점이다. 비록 CCFL 램프와 LCD 패널 사이에 빛 분산기(light diffuser)가 놓여있어 백라이팅의 균등한 분포를 돕지만, 균일하지 않은 램프 밝기가 여전히 눈에 띄여 TV 이미지 품질을 떨어뜨릴 수 있다. LCD 패널의 크기에 따라, 최대 30개 또는 40개의 CCFL 램프가 필요할 수 있다.
그림 12. LCD TV에는 4개 ~ 40개의 CCFL이 들어간다.
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