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개요: 이 애플리케이션 노트에서는 고휘도 LED를 구동하는 단순한 회로를 제공한다. 이 회로는 최소의 외부 부품을 필요로 하며 선형 및 PWM 디밍(dimming)을 모두 제공한다. Osram, Lumileds, Cree 및 Nichia LED에 이상적이다.
일반 설명
플라이백 LED 드라이버는 요구되는 출력 전압보다 입력 전압이 높거나 낮은 애플리케이션에서 사용할 수 있으므로 다양하게 이용할 수 있다. 또한 플라이백 회로를 불연속 인덕터 전류 모드에서 동작하도록 설계할 경우, 단순한 회로 구성으로 별도의 제어 루프를 사용하지 않아도 LED 전류를 일정하게 유지할 수 있다. 이 애플리케이션 노트에 설명되는 회로는 고집적 MAX16802 PWM LED 드라이버 IC를 중심으로 설계되었다.
애플리케이션
LED 트랙 조명
일반 LED 조명 애플리케이션
특징
입력 전압 범위: 10.8V ~ 24V
350mA(일반)로 단일 3.3V LED에 전원 공급 (기타 LED 구성에 대해서는 설계 절차를 참조할 것)
최대 개방 회로 양극 단자-접지 전압: 29V (일반)
스위칭 주파수: 262kHz
주기별 전류 제한
ON/OFF 제어 입력
저주파 PWM 디밍 구현 허용
다양한 직렬 또는 병렬 연결 LED 구성에 맞추어 회로 조정 가능
일반적인 애플리케이션 회로
주의사항: +VLED 및 -VLED 단자가 LED에 연결되지 않은 상태에서 회로에 전력을 인가하지 않도록 한다.
40V, 1A Schottky diode (SMA) CMSH1-40M Central Semiconductor
L1
1
10µH inductor Coilcraft DO3308P-103
Q1
1
40V, 0.045W MOSFET Vishay Si2328DS
R1, R3
2
499k ±1% resistor (0603)
R2
1
22.1k ±1% resistor (0603)
R4
1
73.2k ±1% resistor (0603)
R5
1
100k ±5% resistor (0603)
R6
1
150 ±1% resistor (0603)
R7
1
100 ±1% resistor (0603)
R8
1
10 ±5% resistor (0603)
R9, R10
2
1 ±1% resistor (0805)
R11
1
1 ±1% resistor (0805)
U1
1
PWM IC Maxim: MAX16802AEUA (8-pin µMAX®)
회로 토폴로지
개방 루프, 비절연, 플라이백 LED 드라이버는 매우 다양한 기능을 갖추고 있으며 간단하게 사용할 수 있다. 이 드라이버는 특별히 매력적인 여러가지 장점을 제공하며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.
LED 전류 레귤레이션을 위한 별도의 제어 루프 불필요
불연속 인덕터 전류 흐름으로 인한 낮은 EMI 방사
다이오드 역 복구(reverse recovery) 손실 없음
낮은 스위치 턴 온 손실
단순한 회로 및 설계 절차
입력 전압보다 높거나 낮은 LED 전압 수용 가능
넓은 입력 전압 동작 범위
상대적으로 쉬운 PWM 디밍 신호 적용
그러나, 단순성은 다음과 같은 한계를 갖는다.
LED 전류가 인덕터 및 전류 감지 비교기 전파 지연(current-sense comparator propagation delay)과 같은 부품 허용오차에 의존한다.
불연속 인덕터 전류 동작은 이 토폴로지 방식을 저전력 애플리케이션에 보다 적합하게 만든다.
설계 절차
중요한 파라미터는 LED 전류이다. 고휘도 LED는 수백 mA의 전류로 동작한다. 긴 수명의 LED를 위해 전류를 일정하게 유지해야 하므로 전원은 본질적으로 전류 드라이버가 되어야 한다. 이를 달성하는 몇 가지 방법이 있다. 간단하고 저렴한 한 가지 방법은 MAX16802와 같은 전용 전류 모드 PWM 컨트롤러 IC를 사용하는 것이다. 이 소자의 장점은 다음과 같다.
고집적—최소의 외부 부품만 필요
262kHz의 높은 스위칭 주파수
초소형, 8핀 µMAX 패키지
전류 감지 임계값이 낮아 손실을 낮춤
비교적 정확한 발진기 주파수로 LED 전류 변동을 감소시킴
온 보드 전압 피드백 앰프를 사용하여 출력 개방 단자 전압 제한 가능
다음과 같은 LED 파라미터가 제공된다.
1 단계: 최소 입력 전압에서 요구되는 최적의 ON 듀티 사이클 근사값을 계산한다.
여기에서, Rb는 기동(ballast) 저항으로 애플리케이션 회로도의 R11과 같다. 이 애플리케이션에서는 1으로 설정되었다. VD는 정류 다이오드 D1의 순방향 전압강하이다.
위의 식에서 나온 값을 대입하면 다음과 같다.
2 단계: 필요한 최대 인덕터 전류의 근사값을 계산한다.
여기에서, kf는 비임계 "수정 인자(fudge factor)"이며 이 예에서는 1.1로 설정했다.
위의 식에서 나온 값을 대입하면 다음과 같다.
3 단계: 필요한 인덕터의 근사값을 계산하고, 계산된 값보다 작으면서 표준 값에 가장 가까운 값을 선택한다.
여기에서, L은 애플리케이션 회로도의 L1이며, f는 스위칭 주파수로 262kHz이다.
위의 식에서 나온 값을 대입하면 다음과 같다.:
위의 값보다 적으면서 가장 가까운 표준 값은 10µH이다.
4 단계: 플라이백 프로세스에 의해 출력 회로로 전달되는 전력은 다음과 같다.
출력 회로에 의해 소비되는 전력은 다음과 같다.
전력 보존을 위해서는 위의 두 방정식이 같아야 하고, 필요한 최대 인덕터 전류에 대한 보다 정밀한 값을 구해야 한다.
여기에서 L은 선택된 실제 표준 인덕터 값이다.
위의 식에서 나온 값을 대입하면 다음과 같다.
5 단계: R9 및 R10의 병렬 조합으로 구성된 전류 감지 저항 값과 R6 및 R7로 구성된 감지된 전압 분배기 저항 값(필요한 경우)을 계산한다.
MAX16802의 전류 제한 임계값은 291mA이다. 따라서 단계 4에서 계산된 인덕터 최대 전류를 생성할 수 있도록 R9, R10, R6 및 R7의 값을 선택한다.
이를 수행한다. 12V에서 350mA를 생성하는 값은 애플리케이션 회로도에 나와 있다. 기생 소자로 인해 원하는 전류를 얻기 위해 저항 값(R7)은 약간의 트위킹(tweaking)이 필요할 수 있다.
6 단계: 부품 R1 및 R2는 옵션이다. 이 부품들은 +VLED 노드를 29V로 레귤레이트하는데 사용된다. 이것은 출력 단자가 사고로 개방 회로가 되는 경우에 유용하다. 이 경우 위의 부품에서 전압 피드백을 제공하지 않는다면, 출력 단자 전압이 파손 수준에 도달할 가능성이 크다.
부품 C1 및 R5 역시 옵션이며 전압 피드백 루프를 안정화하는데 사용된다. 이러한 유형의 애플리케이션의 경우, 이 부품들은 생략할 수 있다.
저주파 PWM 디밍
LED 광원의 휘도 레벨을 조정하는 최적의 방법은 LED 전류의 저주파 PWM 펄싱을 이용하는 것이다. 이 방법의 경우, 전류의 절대 진폭을 일정하게 유지하면서 LED 전류를 다양한 듀티 사이클로 펄싱한다. 이러한 방식에서는 소자로부터 방사되는 빛의 파장은 디밍 범위 내내 변하지 않는다.
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±1% resistor (0603)
