개요: 일반적으로 설계자들은 커패시터 차지 펌프나 인덕터가 내장된 부스트 회로를 사용하여 백색 LED(WLED)에 필요한 순방향 바이어스를 제공한다. 차지 펌프는 저렴하고 사용하기에 간편하지만 현재까지 인덕터 기반 부스트 회로에 비해 효율이 떨어진다. 이 애플리케이션 노트에서는 인덕터 기반 설계의 효율을 달성하면서 인덕터리스 설계의 간편한 구현과 저렴한 비용을 그대로 유지하는 네거티브 차지 펌프 설계를 소개한다. 유사한 글이 Maxim Engineering Journal, vol. 64 에 게재되었다(PDF, 1.99MB). 개요 소형 풋프린트와 높은 광출력을 제공하는 백색 LED는 휴대전화 및 기타 휴대용 기기에서 소형 컬러 디스플레이를 위한 이상적인 백라이트 솔루션을 제공한다. 그러나 단일 셀 리튬 이온 (Li+) 배터리로 구동되는 장치에 WLED를 구현할 때 한 가지 어려움이 있다. 대부분의 Li+ 셀 동작 전압이 3V ~ 4.2V인 반면 WLED의 순방향 전압은 보통 20mA에서 3.5V ~ 3.8V이기 때문이다. 따라서 Li+ 배터리 동작 범위에서 낮은 쪽 끝의 전압 출력은 WLED를 바이어싱하기에 충분하지 못하다. 일반적으로 WLED를 위한 적절한 순방향 바이어스 생성에 사용되는 두 가지 방법은 커패시터 차지 펌프와 인덕터 기반 부스트 회로이다. 전통적으로 인덕터 기반 회로는 효율과 배터리 수명을 위한 최적의 선택으로 고려되었지만 비싼 인덕터를 추가해야 하고 전자기 및 RF 간섭 문제를 피하기 위해 신중한 레이아웃과 설계를 요구한다. 반대로 차지 펌프 솔루션은 구현이 보다 간편하고 저렴하지만 일반적으로 효율이 떨어져 배터리 수명을 단축시킬 수 있다. 저가의 고효율 애플리케이션을 구현하는 네거티브 차지 펌프 기술 적응형 스위치오버 기능이 있는 Maxim의 네거티브 차지 펌프 구조는 WLED 드라이버 IC가 인덕터와 유사한 효율(평균 85%)을 달성하면서 인덕터리스 설계의 간편한 구현과 저렴한 비용을 그대로 유지할 수 있게 한다. 이 혁신적 기술은 적응형 모드 스위칭 기술을 사용하여 각각의 LED를 개별적으로 구동, 디밍, 레귤레이트한다. LED 효율을 12% 증가시키는 이 방법은 휴대용 애플리케이션에서 배터리 수명을 연장하고 PCB 면적을 절감시켜 준다. 이들 소자는 인덕터 기반 설계와 비슷한 수준의 효율을 제공함으로써 에너지 효율의 중점 포인트를 효과적으로 줄여준다. Fractional-Ratio 차지 펌프의 효율 향상 1세대 WLED 차지 펌프 솔루션은 코어에 기본 더블러 토폴로지(또는 2x 모드)를 사용하였다. 2x 차지 펌프의 효율은 다음과 같다. PLED/PIN = VLED × ILED/[(2 × VIN × ILED + IQ × VIN)] 여기서 IQ는 회로의 무부하 동작 전류이다. IQ는 보통 WLED의 부하 전류에 비해 작으므로 효율은 대략 다음과 같다. PLED/PIN ≈ VLED/2VIN 효율을 높이기 위해 2세대 WLED 차지 펌프는 출력을 항상 입력의 전체 배수로 구동하지는 않았다. 배터리 전압이 충분하면 1.5x 차지 펌프로 적절한 LED 구동 전압을 발생시킬 수 있다. 1.5x 펌프의 변환 효율은 다음과 같다. PLED/PIN = VLED × ILED/(1.5 × VIN × ILED + IQ × VIN) ≈ VLED/1.5VIN 위에서 볼 수 있듯이 1.5x 펌프는 효율을 상당히 향상시킨다. 3.6V 배터리 전압과 3.7V WLED를 사용할 경우 효율은 2x 펌프를 사용했을 때의 51%에서 1.5x 펌프를 사용한 경우 69%로 크게 증가한다. 3세대 WLED 드라이버는 배터리 전압이 충분히 높을 때 저전압강하 전류 레귤레이터를 통해 배터리를 LED에 직접 연결하는 1x 전달 모드로 효율을 더욱 향상시켰다. 이 효율은 다음과 같이 나타낼 수 있다. PLED/PIN = VLED × ILED/(VIN × ILED + IQ × VIN) ≈ VLED/VIN 배터리 전압이 WLED를 직접 구동할 정도로 충분하면 1x 모드 효율은 90% 이상이 될 수 있다. 4V 배터리와 3.7V WLED에서 효율은 92%이다. 각 배터리 전압에서 효율 극대화 최적의 WLED 드라이버 설계는 주어진 배터리와 LED 전압에 대해 가능한 가장 효율적인 전력 전달 모드를 사용한다. 이러한 설계는 배터리 (또는 WLED) 전압의 변화에 따라 모드도 변경한다. 그러나 이 경우 스위치 손실로 인해 다른 때 필요할 수 있는 높은 배터리 전압에서 회로가 저효율 모드로 이동할 수 있다. 배터리 전압이 떨어지는 동안 드라이버가 가능한 오랫동안 고효율 모드를 유지하는 것이 가장 바람직하지만 이러한 성능을 구현하려면 전원 스위치에서 손실을 최소화해야 하며 그에 따라 공간과 비용이 증가된다. 앞에서 언급했듯이 최고의 변환 효율은 1x 전달 모드에 의해 제공되지만 이 모드는 배터리 전압이 WLED의 순방향 전압(VF)보다 클 때에만 사용할 수 있다. 가능한 가장 낮은 배터리 전압에서 1x 모드를 사용하기 위한 핵심은 항상 1x 모드 바이패스 FET와 전류 레귤레이터의 전압 강하를 모두 낮추는 데 있다. 이러한 전압 강하는 1x 모드를 유지할 수 있는 직렬 손실과 최소 입력 전압을 결정한다. 1x 모드에서 필요한 최소 배터리 전압은 다음과 같다. VIN(MIN_1X) = VLED + 바이패스 pFET RDS(ON) × (ILED + 전류 레귤레이터의 VDROPOUT) 기존의 포지티브 차지 펌프 WLED 솔루션은 그림 1과 같이 pFET 바이패스 스위치를 사용하여 배터리 전압을 WLED에 연결한다. 이 FET의 RDS(ON)은 보통 1Ω ~ 2Ω이다. 이보다 더 낮은 저항은 더 큰 FET를 필요로 하여 전력 소자의 비용을 증가시키므로 저항을 더 낮추는 것은 제한된다. 그림 1. 1x 모드에서 포지티브 차지 펌프는 내부 스위치를 사용하여 VIN을 WLED의 애노드에 바이패스한다. 포지티브 차지 펌프는 VIN이 1x 전달 모드를 구동하기에 충분하지 않을 때 1.5x VIN 또는 2x VIN을 발생시켜 WLED 애노드를 구동한다. 포지티브 차지 펌프 구조에서 1x 모드를 구현하려면 추가 내부 스위치를 사용하여 VIN을 WLED의 애노드에 직접 라우팅하여 차지 펌프를 바이패스해야 한다. 네거티브 차지 펌프 구조도 VIN이 1x 전달 모드를 구동하기에 충분하지 않을 때 -0.5x VIN을 발생시켜 WLED 캐소드를 구동한다. 그러나 이 구조는 VIN에서 접지까지 직접 WLED의 전류를 제어하기 때문에 1x 모드에서 -0.5x VIN 차지 펌프 출력을 접지로 바이패스할 필요가 없다. 그 결과 네거티브 차지 펌프 구조는 다음의 최저 전압까지 1x 모드를 계속 확장할 수 있다. VIN(MIN_1X) = VLED + 전류 레귤레이터의 VDROPOUT 그림 2는 네거티브 차지 펌프에서 1x 모드의 전류 경로를 보여준다. 회로는 pMOS 바이패스 스위치가 필요 없으며 직접 VIN에서 접지까지 WLED 전류를 레귤레이트한다. ILED가 총100mA이면(즉 5 WLED × 20mA), 2Ω pMOS 바이패스 스위치의 전압 강하는 200mV이다. 방전이 진행되면 Li+ 배터리 전압은 약 3.6V ~ 3.8V (일반) 전압 범위에서 비교적 안정을 유지한다. 일반 Li+ 배터리 방전 곡선을 가정하면 1x 모드에서 동작 전압이 200mV 증가함으로써 극적인 효율 향상을 보여준다. 그림 2. 드라이버가 네거티브 차지 펌프 모드로 스위칭하면 각 WLED에 대해 개별 스위치오버를 할 수 있어 전체 효율이 향상된다. 각 LED 순방향 전압에서 효율 극대화 기존의 1x/1.5x 포지티브 차지 펌프 WLED 드라이버에서 WLED 애노드는 차지 펌프의 출력에 연결된다. WLED에 부정합이 존재할 경우 최악의 순방향 전압 WLED를 지원할 만큼 충분한 (VIN-VLED) 헤드룸이 없으면 드라이버는 1.5x 모드로 스위칭해야 한다. 네거티브 차지 펌프 구조에서는 단 하나의 WLED의 부적합한 순방향 전압 때문에 효율적인 1x 모드를 포기할 필요가 없다. 그림 2에서 보듯이 Mode Mux 회로가 개별적으로 각 WLED에 대한 1x 모드 또는 -0.5x 모드를 선택하므로 전체 효율이 극대화된다. 예를 들어 MAX8647/MAX8648 차지 펌프 드라이버는 입력 전압이 최고 순방향 전압 WLED를 구동할 만큼 충분하지 않을 때 -0.5x 차지 펌프를 켠다. 이러한 상황에서 소자는 접지 대신 -0.5x 네거티브 전원을 통해 가장 높은 VF WLED만 구동하면서 동시에 더 낮은 순방향 전압을 갖는 WLED를 1x 모드에서 유지한다. 효율을 더욱 향상시키기 위해 MAX8647/MAX8648은 WLED를 위한 개별 모드 스위칭을 제공한다. 이 기술은 VF 부정합 또는 온도 변화가 발생할 때 다른 시간 및 다른 VIN 레벨에서 WLED를 -0.5x 모드로 지능적으로 스위칭한다(그림 3). 그림 3. MAX8647/MAX8648 차지 펌프 WLED 드라이버의 효율은 네거티브 차지 펌프 모드 및 각각의 WLED에 대한 개별 모드로의 스위칭을 통해 확장된다. 요약 전통적으로 차지 펌프를 사용하는 WLED 백라이트 설계는 인덕터 기반 설계에 비해 낮은 효율을 제공했다. 포지티브 차지 펌프 구조는 어느 하나의 WLED 전류가 사전 결정된 레벨 미만으로 떨어지면 가장 높은 효율 모드(1x)로부터 스위칭한다. 따라서 많은 수의 WLED가 존재하고 순방향 전압 부정합이 큰 시스템에서는 상당한 양의 전력이 낭비된다. 네거티브 차지 펌프 구조는 포지티브 차지 펌프 설계에 일반적으로 존재하는 비효율성을 극복한다. MAX8647/MAX8648과 같은 소자는 각 LED에 대한 개별 모드 스위칭뿐 아니라 네거티브 차지 펌프 구조를 사용함으로써 효율을 크게 증가시키고 배터리 실행 시간을 연장한다. 이러한 WLED 드라이버를 사용하여 설계자는 인덕터와 유사한 효율을 달성하면서 차지 펌프 솔루션에 의해 제공되는 간편한 구현과 비용 절감의 장점을 동시에 누릴 수 있다. 유사한 글이 2008년 5월호 반도체 네트워크에 게재되었다. 관련 부품   APP 4187: Jan 06, 2009 MAX8648 3mm x 3mm TQFN 패키지로 제공되는 6개의 백색/RGB LED를 위한 초고효율 차지 펌프 전체 데이터 시트 (PDF, 292kB) 자동 업데이트 관심 분야의 애플리케이션 노트가 나올 때 자동으로 업데이트를 원하십니까? 그렇다면 EE-Mail™을 신청하십시오. We Want Your Feedback! 의견을 보내주세요! 위 내용이 도움이 되셨나요? 여러분의 의견을 기다립니다 — Maxim은 보내주신 정정이나 제안사항을 반영하고 있습니다. 이 페이지를 평가하고 의견을 보내주십시오.   다운로드, PDF 형식 (70kB)  AN4187, AN 4187, APP4187, Appnote4187, Appnote 4187