개요: 할로겐 램프는 MR16 호환 램프에 주로 사용되지만 낮은 효율 및 제한된 수명과 같이 성능을 제한하는 몇 가지 약점이 있다. 히트 싱크가 통합된 백색 LED는 특수 벅 컨트롤러에 기반한 드라이버 회로를 사용하여 MR16 램프에서 10W 할로겐 전구를 대체함으로써 이러한 우려를 없애준다.
할로겐 MR16 램프는 전위가 제한된다는 몇 가지 단점이 있으나 전문 상점이나 홈 데코레이션 조명 제품에 널리 사용되고 있다. 가장 보편적으로 사용되는 할로겐 MR16 램프의 소비 전력 범위는 10W에서 50W이며 조명의 출력 범위는 150lm(루멘)에서 800lm이다. 이는 약 15lm/W의 효율 또는 15%의 발광 효율에 해당한다. 일반적인 할로겐 전구의 수명은 약 2000시간이다. 또한 전구의 조기 불량을 방지하기 위해 높은 수준의 진동에 필라멘트가 노출되지 않도록 해야 한다.
오늘날의 LED 기술은 할로겐 램프에 대해, MR16과 호환이 가능하고 고체 상태인 경제적인 대안을 제공한다. 가령, LedEngin™의 최신 제품인 5W(단일 칩, 4mm x 4mm 패키지) 및 10W(4개 칩, 7mm x 7mm 패키지)의 고전력 LED는 +120°C의 접함점 온도(TJ)로 1000mA에 45lm/W의 평균 효율을 나타낸다. 실제 동작 조건에서 이러한 사양은 5W 패키지의 경우 일반적인 루멘 출력값이 155lm(1000mA에서 TJ = +120°C)에 해당하고, 10W 패키지의 경우에는 345lm(700mA에서 TJ = +120°C)에 해당한다. 이러한 LED가 할로겐 전구와 동일한 밝기로 동작할 때 소모 전력은 50% 가량 절감된다. 또한 LedEngin의 경우 90%의 놀라운 광속유지율을 기대할 수 있으므로(100khr에서 TJ = +120°C), 제품 수명이 다할 때까지 전구를 교체할 필요가 없다.
MR16 LED 기준 설계
그림 1의 MR16 LED 기준 설계의 경우, Maxim은 MAX16820의 1000mA 구동 성능을 시연하기 위해 LedEngin 5W 백색 LED(WLED)를 선택하였다. 표 1 및 표 2는 MR16 기준 설계에 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 1N4001
C1, C2
100µF/20V 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 장치에 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 히트 싱크가 있다. MAX16820 기반 램프 드라이버는 히트 싱크 바로 뒤에 위치한다.
그림 3. 첫 번째 MR16 기준 설계 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- 라벨이 붙음)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 히트 싱크가 있다. 5W MR16 LED 램프 드라이버 PCB는 5W MR16 LED 램프 히트 싱크의 후면에 장착되어 있다.
주목할 만한 것은 5W MR16 LED 램프 어셈블리의 독특한 히트 싱크 설계이다. 램프 열이 주로 주변으로 방사되는 할로겐 기반의 어셈블리와 달리, LED 기반 설계에서는 열이 히트 싱크로 전도되고(그림 2에서와 같이) 이후 대류를 통해 주변 공기로 이동된다.
결론
기타 저전력(1W 및 3W) LED 솔루션과 비교하여, 고전력 5W MR16 LED 기준 설계는 사용 가능한 빛의 양이 상당히 증가된다. 따라서 이러한 설계는 10W 할로겐 솔루션의 MR16 성능 수준에 부합하기 위해 필요한 여러 개의 이미터 (Emitter) 솔루션이 필요 없다.
LedEngin은 LedEngin, Inc.의 상표이다.
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