개요: MR16 조명 장치에서 할로겐 램프를 LED로 교체하면 에너지를 크게 절약하면서 전기 및 유지 비용을 줄일 수 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 MR16 장치에 LED 사용의 이점에 대해 자세히 설명하고, 10W 할로겐 전구 대신 히트싱크가 통합된 5W 백색 LED를 사용한 LED 드라이버 회로를 보여준다.
오늘날 조명은 미국 전체 5분의 1에 가까운 전기 소비량을 차지하며¹, 이들 중 대다수가 아직도 효율이 낮은 (5% 미만) 백열 전구를 사용하고 있다. 따라서 에너지 효율적인 조명 기술의 전개로 상당량의 에너지를 절약하고 이산화탄소 방출을 줄이며 새로운 발전소 수요를 줄일 수 있다.
예컨대 미국의 에너지국은 리세스 다운라이트를 LED로 교체하면 연간 81.2조 와트시(TWh)의 전기를 절약할 수 있다. 이는 6백7십만 가구의 연간 전기 소비량에 맞먹는다. 이 하나의 애플리케이션에 에너지 절약으로 약 13 1000MW 화력 발전소를 지을 필요가 없게 되는 것이다.²
할로겐 MR16 램프는 주로 가게나 가정의 조명 애플리케이션에서 백열 전구를 대체하는 보다 효율적인 대안으로 사용되고 있다. 가장 일반적으로 사용되는 MR16 램프의 전력 소비량은 10W ~ 50W이며 출력 범위는 150lm ~ 800lm이다. 그러므로 일반적인 할로겐 MR16 램프는 와트당 약 15lm의 효율, 즉 15%의 발광 효율을 제공한다. 비효율적인 백열 전구보다는 발전했지만 할로겐 MR16 램프는 여전히 보완할 점이 많다.
오늘날의 LED 기술은 비용 효율적이고 MR16 호환이 가능한 할로겐 램프의 대안이다. 예컨대 LedEngin™에서 최근에 출시한 5W (단일 칩, 4mm x 4mm 패키지) 및 10W (4칩, 7mm x 7mm 패키지) 고전력 LED는 1000mA에서 45lm/W의 일반 효율과 +120°C의 접합 온도(TJ)를 제공한다. 실제 동작 조건에서 이 사양은 5W 패키지의 경우 155lm의 일반 루멘 출력 레벨(1000mA, TJ = +120°C)에 해당하고 10W 패키지는 345lm(700mA, TJ = +120°C)에 해당한다. 이들 LED는 동일한 밝기를 제공하면서 할로겐 전구보다 50% 낮은 전력을 소비한다.
또한 일반적인 할로겐 전구의 수명이 2000시간으로 제한되어 있는 데 반해 LedEngin은 자사 LED에 대해 90%(100,000시간, TJ = +120°C)의 놀라운 루멘 유지율을 예상하고 있다. 이렇게 수명이 길어진 LED로 제품 수명이 다할 때까지 전구를 교체할 필요가 없고 결국 유지 및 전체 사용기간 중 드는 비용을 줄일 수 있다.
MR16 LED 기준설계
그림 1의 MR16 LED 기준설계의 경우, Maxim은 MAX16820의 1000mA 구동 성능을 시연하기 위해 LedEngin 5W 백색 LED(WLED)를 선택하였다. 표 1 및 표 2는 MR16 기준설계에 대한 부품 리스트와 전기적 사양을 기술하고 있으며 대부분의 MR16 애플리케이션에서 입력 전압은 일반적 수준인 12VAC ±10%이다.
그림 1. MAX16820 LED 드라이버를 사용한 5W MR16 LED 램프 회로. 이 LED는 LedEngin 5W WLED이다.
표 1. 5W MR16 LED 램프 드라이버 회로의 부품 리스트
Designation
Description
D1–D4
Rectifier diodes FBR130
C1, C2
100µF/25V tantalum capacitors or one 220µF/25V electrolytic capacitor
C4
1µF/25V ceramic capacitor
R1
0.2Ω ±1% sense resistor IRC LRC-LR1206LF-01-R200-F
C3
1µF/6.3V ceramic capacitor
Q1
MOSFET FDN359BN
D5
Freewheeling diode FBR130
U1
MAX16820
L1
39µH/1.2A buck inductor Sumida CDRH6D38NP-390NC
표 2. 5W MR16 LED 램프 드라이버 회로의 전기적 사양
VIN (min)
10.8VAC
VIN (max)
13.2VAC
VLED (min)
5V
VLED (max)
3.1V
ILED
1A
ILED Tolerance
±15%
Open-LED Protection
Yes
Shorted-LED Protection
Yes
MAX16820은 특히 LED 드라이버 제품, 무엇보다도 LED 기반의 MR16을 목표로 하여 설계되었다. 따라서 이 소자는 MR16 LED 램프 회로에 당연한 선택이었다. MAX16820은 초소형 6핀 TDFN 패키지로 제공되고 4.5V ~ 28V의 입력 전압 범위에서 동작하며, 다양한 LED 전류 구동 성능에 맞는 경제적인 외부 MOSFET을 구동할 수 있다. 또한 넓은 자동차 온도 범위(-40°C ~ +125°C)에서 동작하여 MR16 조명 장치의 고온 환경에서 안전하게 동작할 수 있다. MAX16820은 최대 25W 혹은 그 이상의 전력 레벨까지도 제어가 가능하고, 스위칭 주파수가 2MHz(일반)로 소형의 외부 인덕터 및 커패시터만 있으면 되므로 드라이버 회로를 MR16 폼 팩터에 배치할 수 있다.
그림 1은 정류 브리지(D1-D4), 100µF 필터 커패시터 (C1 및 C2) 및 벅 컨버터 회로로 구성된 5W MR16 LED 램프 드라이버이다. 벅 LED 컨버터는 MAX16820, 벅 인덕터(L1), 전력 MOSFET(Q1), 프리휠링 다이오드(D5) 및 감지 저항기(R1)로 구성되어 있다.
5W 고휘도 LED(HB LED)는 1A의 구동 전류가 필요하다. 벅 LED 드라이버는 1A DC 전류를 출력하도록 설계되었다. 히스테리시스 제어 방법을 통해 이 벅 인덕터 전류를 제어하고, 그 다음 LED에 1A의 전류 조건을 부여한다. MAX16820의 히스테리시스 제어는 드라이버가 간단하고 매우 견고해지며 5% LED 전류 정확도를 구현할 수 있도록 해준다.
5W HB LED가 전체 라인 주파수 기간 동안 일정한 1A 전류로 동작할 수 있도록 DC 버스 필터 커패시터가 추가되어 DC 버스 전압 리플을 제한한다. 전체 커패시턴스는 저가의 220µF/25V 탄탈 또는 전해 DC 커패시터를 통해 최소 200µF가 공급되어야 한다.
출력 전류의 정확도를 충분히 높게 유지하려면 인덕터 전류의 최대 ΔI/ΔT는 0.4A/µs 미만으로 제한해야 한다. 그림 1에서와 같이, 인덕터의 최대 전압 강하는 VL1MAX이다. 다음 수식으로 인덕터 L의 값을 산출할 수 있다.
VAC_IN = 12V, δ = 10%, 및 VO = 3.6V 일 때, L은 37µH보다 크다. 따라서 39µH는 L을 위한 표준값이고, 이 때 δ은 허용 AC-입력-변동 퍼센티지이며 VO는 LED의 순방향 전압에 해당된다.
이 설계는 LedEngin 5W WLED 기반의 MR16 조명 장치를 이용하여 테스트하였고 그림 2가 그 셋업을 보여준다. 이 설계에 대한 벤치 테스트 (bench test) 파형은 그림 3 ~ 그림6과 같다. 입력 전압은 12VAC(nom)이고 출력 전류 리플은 약 10%이다.
그림 2. LedEngin LED기반의 MR16 램프는 열 방출을 위한 매우 독특한 히트싱크가 있다. MAX16820 기반 램프 드라이버는 히트싱크 바로 뒤에 위치한다.
그림 3. 첫 번째 MR16 기준설계 벤치 테스트는 입력 AC 전류를 CH1로 하고, 출력 DC 전류는 CH2로 한다.
그림 4. 이 상세 파형은 출력 전류 리플을 CH2로 한다.
그림 5. 이 벤치 테스트에서, CH1은 MOSFET 게이트 드라이버 전압 엔빌로프이며 CH2는 드레인 소스 전압 엔빌로프이다.
그림 6. 이 상세 파형은 MOSFET 게이트 드라이버를 CH1로 보여주며 드레인 소스 전압을 CH2로 보여준다.
그림 4는 200µF DC 필터 커패시터를 사용할 경우 DC 버스 전압 리플이 8.5V임을 나타낸다. MAX16820기반 히스테리시스 모드 제어는 매우 우수한 라인 레귤레이션 성능을 구현한 것으로 보인다. 출력 LED 전류는 입력 버스 전압에 따라 변동률이 극히 적다. 5W MR16 LED 램프 드라이버의 경우, 벤치 테스트를 통해 AC 입력 리플 및 변동은 8.5V 이상인 반면, 출력 LED 전류는 일정한 1A 전류로 레귤레이트됨을 알 수 있다.
그림 7의 MR16 램프 드라이버 PCB는 두 개의 층으로 구성되어 있다. 두 개의 AC 입력 연결 패드 및 두 개의 DC 출력 연결 패드(LED+와 LED- 표시)를 포함한 모든 구성요소는 맨 위층과 아래층에 모두 있다.
그림 7. LED+ 및 LED- DC 출력 연결 패드는 5W MR16 LED 램프 드라이버 PCB 실크 스크린(맨 위와 아래층)에서 볼 수 있다.
HB LED 애플리케이션에서 100khr 이후 90%의 장기간 루멘 유지 성능이 필요한 경우, 5W LedEngin LED의 접합점 온도를 +120°C 미만으로 제한하는 것이 최선이다. 히트 싱킹은 LED 접합 시 발생되는 열을 공기로 방출하는 저렴한 솔루션이다. 5W MR16 LED 램프에는 5W의 LED 전력을 방출하는 히트싱크가 있다. 5W MR16 LED 램프 드라이버 PCB는 5W MR16 LED 램프 히트싱크의 후면에 장착되어 있다.
주목할 만한 것은 5W MR16 LED 램프 어셈블리의 독특한 히트싱크 설계이다. 램프 열이 주로 주변으로 방사되는 할로겐 기반의 어셈블리와 달리, LED 기반 설계에서는 열이 히트싱크로 전도되고(그림 2에서와 같이) 이후 대류를 통해 주변 공기로 이동된다.
결론
기타 저전력(1W 및 3W) LED 솔루션과 비교하여, 고전력 5W MR16 LED 기준설계는 사용 가능한 빛의 양이 상당히 증가된다. 따라서 이러한 설계는 10W 할로겐 솔루션의 MR16 성능 수준에 부합하기 위해 필요한 여러 개의 이미터 솔루션이 필요 없다.
표준 벽면 조광기 및 전자 변압기에 적용되는 Maxim의 최신 MR16 드라이버 솔루션은 다음 이메일 주소로 문의한다.
참고 자료
¹Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2008(Washington DC, June 2008).
²U.S. Department of Energy, Energy Savings Estimates of Light Emitting Diodes in Niche Lighting Applications (Washington DC, 2008).
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