건축 조명의 최적의 LED 성능을 위한 설계 방법

작성자: Bill Schweber

DigiKey 북미 편집자 제공

2021-10-12

백열 전구, 할로겐 그리고 형광등 등 기존의 건축 조명(AL) 광원은 기존 설계와 새로운 설계에서 발광 다이오드(LED) 기반 조명으로 빠르게 대체되고 있습니다. 그 이유는 분명합니다. 규제 의무와는 별개로 LED 조명을 사용하면 훨씬 높은 효율성, 낮은 작동 비용, 발열 감소, 훨씬 긴 설치 수명(유지 보수 비용 절감)을 통해 보다 현명한 건물 기능 관리를 할 수 있습니다.

그러나 지금까지 사용해온 램프를 대체하기 위해 전구에 LED를 사용하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 조광 기능을 포함하고 제어 전류(전압이 아님)를 제공하는 새로운 구동 회로망이 필요합니다. 또한 백열 전구는 저항 부하이며 AC 전력선에서 직접 작동할 수 있지만 LED는 그렇지 않습니다. LED는 단일 역률(전류와 전압의 위상이 동일)을 나타내지 않으며 스위칭 조정기 구동 회로망은 전자파 장해(EMI)의 잠재적인 원인입니다. 대신 구동 회로망은 LED 부하 특성에 최적화된 방식으로 필요한 구동 전류를 제공하고 제어해야 합니다. 또한 드라이버는 역률 보정(PFC), 조광 기능과 EMI 억제를 구현해야 할 수도 있습니다.

이 글에서는 LED 기반 건축 조명을 가능케 하는 건축 조명과 IC에 대한 다양한 측면을 살펴봅니다. 그런 다음 실제 회로에서의 사용 사례로 Diodes Incorporated의 IC를 소개합니다.

AL의 목표와 LED의 과제

AL은 소매점, 사무실 또는 창고와 같은 상업용, 비주거용 구조물의 내부 및 외부에 내장된 조명 시스템을 설계하고 사용하는 것입니다. 건축 조명 설계의 목적은 조명 예술과 과학의 균형을 맞춰 분위기, 시각적 흥미를 조성하고 공간이나 장소의 환경을 멋지게 만드는 동시에 기술과 안전 요구 사항을 충족하는 것입니다. 이는 사람들이 자신이 가장 좋아하는 책상 램프 등의 즉석 조명을 가져다 놓거나 재배열하는 것을 포함하지는 않습니다. 단기적, 장기적으로 필요함에 따라 약간의 유연함과 재배치를 하더라도 '건물 자체에 포함된' 조명을 의미합니다

최근 몇 년 동안, AL은 에너지 절약과 조명 관련 기능 및 특징을 관리해야 함에 따라 더 크고 기술 중심적인 분야가 되었습니다. LED 기반 조명이 AL 업그레이드에 있어 지배적인 부품이 되면서 AL 조명기구(픽스처)에서 LED를 효율적으로 구동할 수 있는 기술, 회로망 및 구성 부품이 점점 더 중요해지고 있습니다.

LED 기반 AL로 전환을 위한 큰 추진력은 무엇보다도 조광 가능성, PFC 및 EMI 생성을 비롯한 효율성의 다양한 관점을 정의하는 여러 규제 명령과 표준으로부터 나옵니다. 이 매우 복잡하고 긴 요구 사항의 세부 내용은 전 세계 지역, 국가 그리고 심지어는 미국의 주마다 다릅니다.

미국의 주요 규제 요구 사항 중에는 연방 Energy Star 표준과 Energy Star보다 더 엄격한 캘리포니아 건축 기준 제24편이 있습니다. 다른 많은 고려 사항 중에서도 제24편은 다음을 요구합니다.

조명 부하 자동 On/Off를 위한 재실 감지 센서
조광 기능이 있는 LED 드라이버
입력 전력의 와트당 유용 출력 루멘으로 측정한 높은 효율성
200밀리와트(mW) 미만의 시스템 대기 전력으로 Bluetooth, Zigbee 또는 DALI/IEC 62386을 통해 개별 및 그룹 램프의 무선 제어를 지원하는 스마트 연결 조명(SCL)
불편하고 산만한 깜빡임을 방지하기 위한 30% 미만의 LED 출력 전류 리플
정의된 것보다 더 높은 전력에서 0.9 이상의 PFC
비저항 부하로 인한 전력 낭비를 최소화하기 위한 20% 미만의 총 고조파 왜곡(THD)

조광 속도 및 깜빡임에 대한 참고 사항: 인간의 눈은 일반적으로 100Hz 이상의 깜박임에 둔감하지만 밝기 또는 색상 조절을 위해 펄스 폭 변조(PWM)를 LED 조광에 사용할 때 발생하는 'eflicker'라고 하는 관련 현상이 있습니다. PWM에서는 LED가 빠른 속도로 짧은 주기(수백 마이크로초)로 꺼집니다. 이 조광 속도는 기본 LED 판독, 디스플레이 화면, 보안 카메라 및 기타 광학 이미징 장치의 스캐닝 및 화면 주사율과 상호 작용할 수 있습니다. 이러한 이유로 LED의 화면 주사율은 눈 자체가 느끼는 속도보다 훨씬 높아야 하며, Diodes Incorporated의 부품은 이에 해당됩니다.

칩을 넘어 칩셋으로

여러 에너지 관련 요구사항을 충족하는 것은 각 목표에 대한 '최상의' 솔루션 사이에 불가피한 상호작용과 타협이 있기에 상충되는 접근 방식을 잘 돌려막아야 하는 설계 과제입니다. 문제의 특정 측면을 다루기 위해 최적화된 개별 IC를 사용할 수도 있지만 완전한 솔루션을 위해서는 IC들이 충돌해서는 안 되고 조화롭게 작동하며 서로를 강화해야 합니다.

이러한 이유로 단일 공급업체의 IC와 관련 칩셋(IC를 그룹화하는 검증 회로)을 살펴보는 것이 좋습니다. 이는 설계자에게 테스트를 마친 토폴로지를 제공하고 좋은 출발점이 됩니다. LED 기반 AL의 경우 Diodes Incorporated는 저전력 상황(30W 미만)을 지원하는 칩셋과 고전력 설치(30W 초과)를 지원하는 칩셋을 두 그룹으로 나누어 제공하며, 전자는 일반적으로 실내에서, 후자는 실외에서 사용됩니다.

그림 1의 제품 구성도는 30와트 미만 전력 응용 분야의 칩셋(조광 LED 컨트롤러, 리플 억제기 및 조광 신호 인터페이스 컨트롤러)을 구성하는 세 개의 기본 IC가 서로 어떻게 상호작용하여 필요한 핵심 기능을 제공하는지를 보여줍니다.

그림 1: 조광 LED 컨트롤러, 리플 억제기 및 조광 신호 인터페이스 컨트롤러와 같은 고급 IC는 30와트 미만 건축 조명 설계의 핵심입니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

3개의 IC를 개별적으로 살펴보면 AL1666S-13 고성능 조광 LED 컨트롤러는 85VAC에서 305VAC의 광범위한 입력 전압 범위에서 작동하며, PFC는 0.9 이상이고 THD는 10% 미만입니다. 5%~100% 범위에서 0V~10V 아날로그 조광을 지원하며 모든 ANSI 표준 조광기와 함께 작동합니다. 아날로그가 아닌 PWM 조광의 경우 범위는 1킬로헤르츠(kHz)에서 1%~100%입니다. 성능의 일관성을 위해 ±2% 이상의 엄격한 LED 전류 입력 변동률과 전체 부하에서 절반 부하까지 ±2% 이상의 LED 전류 입력 변동률을 제공합니다.

다음으로 AL5822W6-7은 SOT-23-6 패키지의 적응형 100/120Hz LED 전류 리플 억제기입니다. 더욱 엄격한 표준을 충족하기 위해 전류 리플을 최소화해야 하는 어려운 문제를 해결합니다. 또한 LED와 인터페이스하는 장치이므로 회로와 전구를 '실시간' 소켓에 삽입할 때 소구 작동을 지원하면서 단락, 과전류 및 과열로부터 보호해야 합니다. 몇 가지 기본 수치에서 알 수 있듯이 리플을 획기적으로 감소시켜 원래 수치의 몇 퍼센트 수준으로 낮출 수 있습니다. 예를 들어 AL1666S-13의 자매품 격인 AL1665S-13 고성능 조광 LED 컨트롤러와 함께 사용할 경우 전류 리플은 약 520밀리암페어(mA) 피크 투 피크값을 갖지만 AL5822와 함께 사용할 때는 17mA로 감소합니다(그림 2).

그림 2: AL1665S-13 고성능 조광 LED 컨트롤러를 설계에 추가하면 리플을 520mA 피크 투 피크 값을 불과 17mA로 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

마지막으로 유연한 0V~10V 조광 신호 인터페이스 컨트롤러인 AL8116W6-7이 있습니다. 이 제품은 보조 권선, 전원 레일 또는 LED 체인 전압의 출력 전압에서 파생될 수 있는 10V~56V의 넓은 V_CC 범위에서 작동합니다. 0V~10V 제어를 사용하여 0.2kHz~10kHz 범위에서 PWM 조광을 지원하고 전위차계(저항성) 조광(0kΩ~100kΩ)을 지원합니다. 이 제품은 조광 제어를 시스템에 필요한 PWM 출력으로 변환하는 동시에 간단한 교차 절연 배리어 조광 솔루션을 제공합니다. 또한 멀티 LED 설치에 중요한 정확한 조광 곡선을 위해 ±2.5%의 PWM 출력 듀티 사이클을 제공합니다.

물론, 상위 수준의 제품 구성도는 수동 소자, 이산 능동 소자 및 기타 IC를 포함하여 총 재료 명세서(BOM) 표시와 관련하여 정확하지 않을 수 있습니다. 따라서 전체 회로가 무엇을 필요로 하는지 이해하려면 실제 회로도를 살펴보는 것이 중요합니다. 이는 포장, 생산 및 비용에 영향을 미치기 때문입니다.

그림 1의 30와트 미만 칩셋의 경우 아래 그림 3의 회로 구성도는 실제로 필요한 부품의 수가 얼마나 되는지 보여줍니다. (변압기 T1과 광 커플러는 1차측과 2차측 사이의 전기적 분리를 위해 필요합니다.)

그림 3: 그림 1에 표시된 상위 수준 제품 구성도의 회로 구성도에서 제공하는 세부 정보는 전체 설계에 몇 가지 추가 부품만이 필요함을 보여줍니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

모든 스위칭 기반 전원 회로는 회로 구성도만으로는 나타낼 수 없는 실제적인 세부 요소들을 가지고 있기 때문에 평가 기판은 설계 검증 및 검증 속도를 높이는 자산입니다. AL1666+AL8116+AL5822EV1은 3개의 유명한 IC를 사용하여 0V~10V 조광, 높은 PFC, 단일 단계 플라이백 LED 드라이버를 제공하는 평가 기판입니다(그림 4). 입력 전압 90VAC~305VAC, 25V~50V 전압 범위에서 1,200mA의 일정한 출력 전류를 제공합니다.

Diodes AL1666+AL8116+AL5822EV1 평가 기판 이미지 그림 4: 프로젝트 완료 속도를 높이기 위해 AL1666+AL8116+AL5822EV1 평가 기판(상단 및 하단)은 AL1666 1차측 컨트롤러, AL8116 2차측 조광 인터페이스 IC 및 AL5822 LED 전류 리플 억제기를 활용하여 조광 LED 구동 회로 작동에 대한 깊은 이해를 돕습니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

하위 호환성 관련 크기 문제

관습적인 '작을수록 좋다'는 이유를 떠나서 왜 작은 크기와 짧은 BOM이 중요할까요? LED 구동 IC를 개별 또는 그룹으로 사용할 때 기존 램프(전구)와의 하위 호환성의 문제가 부분적으로 있습니다.

예를 들어 AL 램프 폼 팩터는 일반적으로 많이 사용되지만 특히 널리 사용되는 것은 지향성 조명을 위해 주거 및 상업 환경에서 사용되는 MR16입니다(그림 5). 이 폼 팩터에 할로겐 광원이 있는 전구는 수년 동안 표준 AL 조명의 첫 번째 선택지 중 하나였습니다.

그림 5: 할로겐을 광원으로 사용하는 MR16 전구 폼 팩터 및 크기는 AL 설치에 널리 사용됩니다. (이미지 출처: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

MR16은 가장 큰 원주 둘레의 지름이 2인치입니다. 'MR'은 multifaceted reflector(다면 반사경)의 약자로, 반사되는 빛의 방향과 확산을 제어합니다. 이 전구는 일반적으로(항상은 아님) 12V AC 라인에서 작동하며 일반적으로 선간 전압 강압 변압기를 통해 제공됩니다.

소형 할로겐 MR16은 20와트를 필요로 하며 수명이 2,000~6,000시간입니다. 대조적으로 등가 LED는 몇 와트만 필요로 하며 수명은 약 100,000시간입니다. AL이 LED 기반 광원으로 전환됨에 따라, 이 패키지에 필요한 회로망을 포함하여 대규모 교체 부품 시장과 새로운 AL 설계에 적합한 전구를 제공하는 것이 중요합니다.

높은 전력 요구 충족

실외 응용 분야처럼 30와트(LED 전류 구동의 약 3암페어(A)에 해당) 이상으로 구동되는 LED 램프의 경우 제어 및 통신 모듈은 동일하지만 2단계 토폴로지를 단일 단계 접근 방식보다 선호할 수도 있습니다(그림 6).

그림 6: 고전력 LED 조명 설계(30와트 이상)는 저전력 설계의 단일 단계 접근 방식(왼쪽)과 달리 2단계 토폴로지(오른쪽)를 사용하지만 '스마트' 인터페이스는 동일할 수 있습니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

다시 말하지만 회로 구성도(이 경우 고전력 LED 조명 설계 솔루션)는 보다 상세한 통찰력을 제공합니다(그림 7).

그림 7: 회로도는 해당 고전력 솔루션이 제공하는 상대적 상위 수준의 집적 회로를 다시 보여줍니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

저전력 설계에서와 같이, 3개의 IC가 이를 구현하는 핵심입니다. 첫 번째는 AL1788W6-7로, 광 커플러가 필요 없는 벅(강압) 및 플라이백 토폴로지를 지원하는 1차측 컨트롤러이며 '밸리 온 기능'을 갖춘 준공진형(QR) 작동은 낮은 스위칭 손실을 제공합니다. 역률은 0.9보다 우수하고, THD는 15% 미만이며 대기 전력은 200mW 미만(예: 조명이 꺼진 낮에 사용)으로 전반적인 효율을 높입니다.

다음으로 AL17050WT-7은 초소형 SOT-25 패키지에서 매우 낮은 대기 전력으로 정확한 정전압(CV) 제어 기능을 제공하는 범용 AC 비절연 벅 조정기입니다. 500볼트 MOSFET을 통합하고 단일 권선 인덕터와 함께 작동하므로 외부 부품이 더 단순해지고 BOM이 저렴해집니다. 전체 토폴로지에서 전기적 역할과 위치로 인해 이 장치는 과열 보호, V_CC 저전압 차단, 출력 단락 보호, 과부하 보호 및 개방 루프 보호 등 여러 생산 '계층'을 포함합니다.

마지막으로 AL8843SP-13은 1메가헤르츠(MHz) 강압 조정기 및 PWM 조광 기능을 갖춘 아날로그 LED 드라이버가 있으며, 외부 저항기를 통해 조정이 가능한 최대 3A까지의 출력 전류를 전달할 수 있습니다. 4.5V~40V의 넓은 입력 전압에서 작동하고 다중 LED 설계에서 우수한 채널간 매칭을 위해 ±4% 전류 감지 정확도를 제공합니다

AL8843SP-13에는 전원 스위치와 하이사이드 출력 전류 감지 회로가 통합되어 있습니다. 공급 전압 및 외부 부품에 따라 컨버터는 최대 97%의 효율로 최대 60와트의 출력 전력을 제공할 수 있습니다. DC 전압 또는 PWM 신호를 수신하는 단일 패키지 핀에 외부 제어 신호를 적용하여 중요한 조광 기능을 구현할 수 있습니다. 이 내열 기능이 강화된 SO-8EP 패키지 장치는 개방 또는 단락된 LED 및 보호 기능과 개방 또는 단락된 전류 감지 저항기에 대한 다른 보호 기능도 포함합니다.

저전력 LED 구동 배치와 마찬가지로, 고전력 솔루션의 평가 기판을 통해 전체 설계 상황의 이해를 도와 프로젝트를 더 효과적으로 진행할 수 있습니다. 고전력 설계에서 가장 까다로운 부품인 AL8843SP-13 강압 LED 드라이버를 위해 Diodes Incorporated는 AL8843EV1 평가 기판을 제공합니다(그림 8).

Diodes AL8843EV1 평가 기판 이미지 그림 8: AL8843SP-13 사용자는 기본 AL8843EV1 평가 기판의 이점을 누릴 수 있습니다. 이 기판은 전적으로 단일 강압 조정기와 PWM 조광 기능이 있는 3A 아날로그 LED 드라이버 IC에 초점을 둡니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

AL8843EV1 평가 기판을 사용하면 다른 능동 부품으로 인한 상호 작용이나 전파 방해 없이 IC의 기본적인 작동을 허용합니다.

그리고 '연결 조명'

현대 LED 기반 조명에서 실용적이고 바람직한 개선 사항 중 하나는 단순히 '연결 조명'으로 설명되는 '스마트 연결 조명'(SCL)을 구현할 수 있는 기회라는 것입니다. 다양한 특성 중 하나로, 연결 표준을 통해 램프를 그룹 내에서 개별적으로 또는 그룹으로 제어할 수 있습니다.

SCL의 장점은 무엇입니까? 약간의 추측과 과장을 섞어 보다 높은 수준의 시스템 관점에서 본다면 연결 조명 인프라는 건물 전체의 연결 그리드에 대한 투자가 됩니다. 이 인프라를 통해 유입되는 데이터로 빌딩 관리자는 핵심 빌딩 시스템의 수명을 통합, 자동화 및 연장하고, 운영 비용을 줄이고, 성능을 높이고, 다운타임을 줄일 수 있습니다.

일부 분석가들은 연결 조명의 이점은 단순한 조명 그 이상이라고 주장합니다. 예를 들어, CTO이자 Silvair의 설립자인 Szymon Slupik은 “스마트 조명으로 구현되는 추가 서비스의 가치는 조명 제어 및 에너지 절약 자체보다 7~10배 더 가치가 있습니다.”라고 말합니다.

SCL 램프는 보통 오랜 시간 동안 수동적인 '대기' 상태에 있기 때문에 대기 전력 소비는 설계자의 주요 관심사이며 최대값은 다양한 규정에 명시되어 있습니다. Diodes Incorporated의 컨트롤러와 조정기는 허용치 미만의 대기 전력 정격으로 설계되었습니다. 또한 Bluetooth, Zigbee, Wi-Fi를 포함한 다양한 인터페이스 표준을 지원하는 조광 제어/통신 모델과 함께 작동합니다.

연결된 조명의 설치를 주도하는 한 가지 요인은 다양한 공급업체의 SCL 부품의 상호 운용성을 보장하는 업계 전반의 표준 개발입니다. 예를 들어 Bluetooth Special Interest Group(SIG)는 조명 업계와 협력하여 적용 가능한 대규모 장치 네트워크 구축에 최적화된 Bluetooth 메시 표준을 개발했습니다. 또한 Bluetooth SIG와 DALI Alliance는 D4i 인증 조명기구 및 DALI-2 장치를 Bluetooth 기반 메시 조명 제어 네트워크에 배포할 수 있는 표준화된 인터페이스를 만들기 위해 협력했습니다(D4i는 지능형 IoT 지원 조명기구에 대한 DALI 표준입니다). 이 인터페이스를 통해 데이터는 센서가 풍부한 조명 기구와 조명 제어 사이를 방해받지 않고, 심지어 다른 건물 관리 시스템으로도 흐를 수 있습니다.

결론

스마트 LED 기반 건축 조명은 상업용 건물 조명 시스템의 에너지 효율을 향상시키고 있습니다. 또한 전반적인 건물 성능에서 장기적으로 잠재적인 이득을 얻을 수 있도록 하는 주요 소자입니다. LED 기반 AL에 중점을 두고 최적화된 Diodes Incorporated의 컨트롤러, 조정기 및 LED 드라이버 IC는 이러한 고급 AL 가능성의 잠재적 이점을 강력하고 다용도이며 비용 효율적인 현실로 성공적으로 전환하는 데 필요한 중요한 디딤돌과도 같습니다.