조명 품질 저하 없이 LED를 조광하는 방법

전통적 조명이 발광 다이오드(LED)로 전환되는 속도가 빨라지고 더 다양한 솔루션이 출시됨에 따라, 소비자는 더 다양한 제품을 선택할 수 있게 되었습니다. 특히 대비율이 높고 색도 변화나 인지 가능한 깜박임이 없는 선형 조광이 고품질 제품의 척도로 고려됩니다.

여기서 설계자가 직면한 어려움은, 전통적인 백열전구나 형광 조명과 달리 조명 품질을 유지하면서 LED를 조광하는 것이 쉽지 않다는 점입니다. 아날로그 조광이 가능하지만 빛의 색도 및 ‘온도’에 인지할 만한 변화가 생길 수 있습니다.

인정된 기술로는 LED에 전원을 공급하는 순방향 전류의 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 LED를 조광하는 방법이 있습니다. 여기서 기본 전제는 PWM 트레인의 ‘ON’ 사이클 도중 LED가 최적의 순방향 전류/순방향 전압 조건에서 작동 중이어야 한다는 점입니다. 그 결과 빛의 품질이 높고 인지되는 휘도가 PWM 트레인의 듀티 사이클에 선형으로 비례합니다.

설계자의 과제는 일반적으로 LED 전원 공급 장치 또는 ‘구동기’로 사용되는 모듈식 스위칭 전압 컨버터와 조화롭게 작동하는 PWM 회로를 설계하는 것입니다. 이러한 보완 방법이 없다면 전자파 장해(EMI), 제한된 대비율(최대 광도/최소 광도) 및 인지 가능한 깜박임(건강에 좋지 않은 영향을 미침) 등의 문제가 발생하기 쉽습니다.

이 기사에서는 현대 LED 구동기를 기초로 PWM LED 조광 회로의 설계를 고려하고, 조명 품질을 저하하지 않는 솔루션을 구현하는 데 필요한 설계 단계를 소개합니다.

아날로그 조광의 약점

LED가 우수한 조명 품질과 효율적 작동을 유지하려면 정전류/정전압 전원 공급이 필요합니다. (조명 품질은 핵심 제품 차별화 요소가 되었으며, 주요 공급업체가 자사의 하이엔드 제품 홍보에서 중점을 두는 부분이기도 합니다. 라이브러리 기사 ‘Manufacturers Shift Attention to Light Quality to Further LED Market Share Gains’를 참조하세요.)

최종 제품 사양에 따라 작동 지점의 선택에 약간의 유연성이 있습니다. 예를 들어 LED의 광속은 순방향 전류에 비례하므로, 설계자는 광도를 높이기 위해 LED에 더 높은 순방향 전류를 공급하기로 선택할 수 있으며 이에 따라 주어진 설계 사양에 필요한 LED의 수가 줄어듭니다. (라이브러리 기사 ‘Lighting Design for Optimum Luminosity’ 참조)

그림 1은 OSRAM Opto Semiconductor의 Duris S5E 흰색 LED의 순방향 전류 및 광도 특성입니다. OSRAM 장치는 입증된 기술을 기반으로 하며 주요 조명 응용 분야에 널리 사용됩니다. 이 LED는 6.35V/150mA에서 118lm을 생성하며 이 작동 지점에서 123lm/W의 효율을 가집니다. 예를 들어 순방향 전류를 100mA로 줄이면 광도는 150mA에서 생성된 것에 비해 30% 감쇠됩니다.

그림 1: OSRAM Duris S5E 흰색 LED는 순방향 전류와 광도 관계에서 거의 선형 관계를 보입니다. (출처: OSRAM Opto Semiconductors)

백열 조명의 조광에 익숙한 소비자는 LED에 대해서도 유사한 기능을 요구합니다. 이러한 기능 중 가장 크게 요구되는 것은 넓은 광도 범위에서의 세밀한 조광입니다. 이 요구를 해결하는 간단한 방법은 LED에 전원을 공급하는 순방향 전압/순방향 전류를 줄이는 아날로그 조광기 회로(LED 전원 공급 장치 또는 ‘구동기’를 통해)를 설계하는 것입니다.

하지만 아날로그 조광을 사용하면 다른 큰 약점이 생깁니다. 그중 중요한 것은 효율(출력(lm)/입력 전력(W))에 미치는 영향, 최소의 순방향 전류 임계값으로 인해 제한되는 대비율, 일반적인 LED 구동기의 출력 전류를 넓은 범위에서 정밀하게 제어해야 하는 설계 복잡성 그리고 순방향 전압/순방향 전류의 변화에 따른 LED의 상관색온도(CCT) 변화입니다.

상관색온도는 LED의 온도감을 결정하며 조명 품질의 중요 측정 요소입니다. 순방향 전압/순방향 전류를 낮추면 오늘날 ‘흰색’ LED 제품 대부분의 핵심인 파란색 LED에 의해 방출되는 빛의 파장에 미묘한 영향이 생깁니다. 현대의 조명 응용 분야용 고휘도 LED는 감청색 LED를 YAG(이트륨 알루미늄 가닛) 인광과 결합합니다. LED의 파란색 광자가 장치에서 직접 나오며 대부분이 인광과 결합되어 (최초에는) 노란색 방출이 이뤄집니다. 파란색 빛과 노란색 빛이 결합되어 흰색광에 매우 근접해집니다.

그런 다음 LED 제조업체는 인광에 미묘한 변화를 주어 백색광의 ‘온도’를 차가운(푸른빛) 색조에서 따뜻한(노란색) 음영으로 변경함으로써 개별 취향에 맞는 색상을 선택할 수 있게 합니다. 상관색온도는 양적으로 LED 조명 온도를 정의합니다. (라이브러리 기사 ‘Defining the Color Characteristics of White LEDs’ 참조)

제조업체는 특정 순방향 전압/순방향 전류 작동 지점에서 LED의 상관색온도를 지정합니다. 설계자는 특정 상관색온도 ‘저장소’에서 선택된 모든 제품은 거의 동일한 상관색온도를 생성한다는 것을 알고 안전하게 해당 상관색온도 저장소에서 일련의 LED를 선택합니다. 선도적 제조업체 역시 일반적으로 순방향 전압/순방향 전류에 따라 상관색온도가 어떻게 변화하는지에 대한 정보를 포함하지만, 권장 파라미터를 벗어난 작동 지점에서 특정 제품의 성능을 보장하지는 않습니다. 특히 LED 제조업체는 동일한 저장소의 장치가 권장 작동 지점 이외의 어떠한 지점에서 동일한 상관색온도를 생성한다고 보장하지 않습니다. 그림 2는 OSRAM LED의 색도 좌표(상관색온도를 결정)가 순방향 전류에 따라 어떻게 변화하는지 보여 줍니다.

그림 2: 순방향 전압에 따라 LED의 색조와 상관색온도가 변화합니다. 순방향 전류의 넓은 범위에서 이러한 변화를 육안으로 감지할 수 있습니다. (출처: OSRAM)

게다가 미묘한 색 변화를 눈으로 감지하기 어렵더라도(예를 들어 순수 빨간색, 녹색 또는 파란색 LED에서 방출되는 광자의 파장 차이는 인지되기 전에 변경될 수 있음) 상관색온도 변화에는 매우 민감하게 인지됩니다.. 그 결과 같은 저장소의 LED가 사용된 두 기구의 색이 동일한 아날로그 조광 수준에서 눈에 띄게 다르다는 것을 소비자가 인지할 가능성이 충분합니다. (이 주제에 대한 기술적 설명은 라이브러리 기사 ‘Digital Dimming Solves LED Color Dilemma’ 참조)

PWM 조광으로 상관색온도 과제 해결

최근 몇 년 동안 PWM는 고품질 LED 조명용 조광 기술로 채택되어 왔습니다. PWM 트레인의 ON 사이클 도중에는 LED가 권장 순방향 전압/순방향 전류 작동 지점에서 전력이 공급되어 상관색온도가 규격서 파라미터 내에 머물도록 합니다. 그런 다음 PWM 트레인의 듀티 사이클(펄스 기간(t_P) 대 신호 기간(T)의 비율)이 평균 전류를 결정하므로 인지되는 광도가 결정됩니다.

그림 3은 모두 일정한 순방향 전류에서 작동하는 세 가지 서로 다른 펄스 트레인을 보여 줍니다. 맨 위의 예는 중간 수준 조명이고 가운데 예는 이보다 어두우며 맨 아래는 이보다 밝습니다. 그림 4는 듀티 사이클과 순방향 전압 간의 선형 특성을 보여 줍니다.

그림 3: PWM 펄스 트레인의 듀티 사이클 변화에 따라 LED의 평균 순방향 전류가 변화하며, 이에 따라 ON 단계 도중 지정된 작동 전류가 유지되면서 광도가 변화합니다(위에서부터 중간 휘도, 낮은 휘도 및 높은 휘도). (출처: OSRAM)

그림4: 듀티 사이클과 LED 광도 간의 선형 관계 (출처: OSRAM)

주요 공급업체의 현대적 LED 구동기는 일반적으로 PWM 조광을 염두에 두고 설계되었습니다. 많은 칩에서는 PWM 또는 DIM 핀이 통합되어 구동기의 ON 및 OFF 사이클을 결정하기 위한 PWM 생성기의 직접 입력이 가능합니다. 하지만 우수하고 그렇지 못한 LED 디지털 조광 설계를 구분하는 요소가 몇 가지 있기 때문에 LED 구동기의 선택 시 신중하게 고려해야 합니다.

이 중요한 고려 사항은 PWM 트레인의 주파수(또는 f_DIM)입니다. f_DIM의 최소값은 깜박임에 대한 눈의 민감도에 의해 결정됩니다. 조명 설계에 대한 최근 지침에서는 장기적 건강 영향이 발생하지 않으려면 f_DIM이 80Hz ~ 100Hz보다 커야 한다고 권장합니다. (라이브러리 기사 ‘How New Flicker Recommendations Will Influence LED Lighting Design’ 참조)

하지만 주파수가 높을수록 대비율에 미치는 영향이 커지기 때문에 설계자는 어느 정도의 절충을 감수해야 합니다. 이는 최고의 LED 구동기라도 PWM 입력에 응답할 시간이 한정되어 있기 때문입니다. 그림 5에서 이러한 시간 지연이 발생하는 상황을 볼 수 있습니다.

그림 5: 조광 PWM 신호에 대한 응답 지연을 보여 주는 LED 구동기 이러한 지연은 조광 시스템의 최대 대비율을 결정합니다. (출처: Texas Instruments)

그림 5에서 t_D는 PWM 신호(V_DIM)가 높아질 때부터 순방향 전류가 LED 응답을 구동할 때까지의 전파 지연을 나타냅니다. (t_SU 및 t_SD는 각각 LED 순방향 전류 슬루 업 및 슬루 다운 시간) 슬루율은 최소 및 최대 듀티 사이클(D_MIN 및 D_MAX)을 제한하고 따라서 대비율을 제한합니다.

f_DIM을 낮추면 T가 상대적으로 길기 때문에 고정 슬루율을 가진 LED가 낮은 듀티 사이클에 대해서도 필요한 순방향 전류/순방향 전압에 도달한 다음 0으로 하강하기까지 충분한 시간을 갖기 때문에 일반적으로 대비율이 더 높아집니다.

(어떠한 PWM 조광 주파수를 선택하더라도, 슬루가 제한된 LED 구동기를 선택하는 것이 좋습니다. LED의 스위치 온 시간으로 인해 PWM 신호의 전연에서(또한 사양을 벗어난 순방향 전압/순방향 전류에서) ‘조기에’ 빛을 발할 수 있기 때문에 고객이 아날로그 조광과 동일한 상관색온도 변화를 느낄 수 있습니다.)

대비율(CR)은 일반적으로 최소 온타임의 역수로 표현됩니다.

일반적 용도의 표준 스위칭 전압 조정기는 반복적인 켜기/끄기를 고려하여 설계되지 않기 때문에 제조업체는 슬루에 크게 신경을 쓰지 않습니다. 대개의 경우 이러한 조정기에는 (전압 스파이크를 방지하기 위해) 소위 말하는 소프트 스타트 및 소프트 셧다운 모드가 적용되므로 슬루가 늘어납니다. 이와 반대로 조광 응용 분야용 LED 구동기는 짧은 슬루 시간으로 설계됩니다.

스위칭 강압 조정기에 기반한 LED 구동기(‘벅’)는 두 가지 서로 다른 이유로 가장 짧은 슬루 시간을 갖습니다. 먼저 벅 조정기는 제어 스위치가 ON인 상태에서 출력에 전력을 공급하므로 제어 루프가 승압(‘부스트’) 또는 벅 부스트 토폴로지보다 빠릅니다. 두 번째로, 벅 조정기의 인덕터는 전체 스위칭 주기 동안 출력에 연결되어 연속적인 출력 전류를 보장하고 출력 커패시터를 제거할 수 있습니다. 커패시터를 제거하면 구동기의 출력 전압/전류가 매우 빠르게 슬루될 수 있습니다.^[1] 벅 조정기를 신중하게 선택하면 kHz 범위의 PWM 조광 주파수가 가능한데, 이는 일반적인 조명에는 불필요할 수 있지만 산업용 이미지 인식을 위한 고속 스트로보와 같은 응용 분야에는 유용할 수 있습니다.

PWM 조광 LED 전원 공급 장치 설계

PWM 조광이 적용된 LED 전원 공급 장치를 설계하는 방법에는 세 가지가 있습니다. 첫 번째는 별개의 부품을 사용하여 회로를 처음부터 설계하는 것이고, 두 번째는 벅 LED 구동기를 PWM 입력과 페어링하여 PWM 회로망을 구성하는 것이고, 세 번째는 PWM 회로망을 전용 PWM 생성기로 대체하는 것입니다.

첫 번째 방법은 다소 까다롭지만 예산과 공간이 충분하다면 적합할 수 있습니다. 하지만 여기서는 다양한 주요 제조업체에서 생산하는 여러 가지 입증된 통합형 모듈식 전력 관리 장치 몇 가지를 기초로 하는 다른 두 가지 방법을 살펴보겠습니다.

LED의 제어 기능이 통합되지만 설계자가 Texas Instruments에서 제조하는 LED의 구동에 사용되는 외부 MOSFET을 유연하게 선택할 수 있는 단순하고 상대적으로 저렴한 PWM 조광 솔루션입니다. LM3421은 LED 전력을 위한 고전압 N 채널 MOSFET 컨트롤러입니다. 이 칩은 벅, 부스트, 벅 부스트 및 단일 엔드 1차 인덕터 컨버터(SEPIC) 토폴로지로 구성할 수 있습니다.

이 맥락에서 관심을 가질 내용은 LM3421에는 조광에 사용할 수 있는 nDIM 핀이 통합된다는 사실입니다. TI는 조광을 위해 두 가지 방법을 제안하는데, 첫 번째는 쇼트키 다이오드(D_DIM)를 통해 반전된 PWM 펄스 트레인을 사용하는 것이고 두 번째는 조광 MOSFET(Q_DIM)을 통해 적용되는 표준 PWM 신호를 사용하는 것입니다. 두 번째 방법은 LED 구동기 컨트롤러의 슬루율이 가속화되므로 응용 분야에 우수한 대비율과 높은 PWM 주파수가 필요한 경우에 유용합니다. 그림 6은 LM3421에 대한 PWM 조광 옵션을 보여 줍니다.

그림 6: TI에서는 LM3421 LED 구동기 컨트롤러용의 두 가지 PWM 조광 기술을 제안하며, 쇼트키 다이오드를 사용하거나 더 높은 PWM 주파수가 필요한 응용 분야를 위해 MOSFET을 사용하는 방식입니다.

최근 Maxim Integrated에서는 PWM 신호 생성기를 제외하고 외부 부품이 필요 없는 내장 조광 기능을 갖춘 LED 구동기를 소개했습니다. MAX16819는 4.5V ~ 28V 입력 범위에서 작동하며 5V/10mA 온 보드 조정기를 갖춘 벅 LED 구동기입니다. 위에서 설명한 TI 장치와 마찬가지로 칩의 DRV 출력은 LED에 연결되며 슬루를 낮추는 데 도움이 되는 외부 MOSFET을 공급하도록 설계되었습니다.

주목할 만한 칩 기능은 히스테리시스 제어 알고리즘으로, 회사 자료에 따르면 이를 통해 PWM 조광 작동 중 응답 속도가 빠르고 높은 비율이 필요한 응용 분야를 위해 최대 20kHz의 PWM 주파수가 가능합니다. 장치는 최대 2MHz의 스위칭 주파수를 가지므로 설계자는 콤팩트한 외장 부품을 선택할 수 있습니다. 그림 7은 LED를 구동하는 순방향 전류가 조광 전압 변화에 얼마나 빠르게 반응하는지 보여 줍니다.

그림 7: Maxim Integrated의 MAX16819에는 PWM 조광 입력에 대한 반응을 가속화하는 히스테리시스 제어 알고리즘이 채용되었습니다. 이 그림은 LED 전류가 400mA일 때 듀티 사이클이 50%인 시스템 반응을 보여 줍니다.

하이엔드(고비용) 솔루션을 위해 Linear Technology에서는 LT8500 48채널 LED PWM 생성기를 제공합니다. 이 칩은 회사의 LT3595 16채널 벅 모드 LED 구동기 세 개와 조합하여 최대 50mA의 전류에서 최대 480개의 LED에 전력을 공급할 수 있는 PWM 조광 조명 솔루션을 구성할 수 있습니다.

LT3595A는 각각 최대 10개의 LED로 구성된 16개의 독립된 채널을 구동하도록 설계된 벅 LED 구동기입니다. 칩에는 스위치, 쇼트키 다이오드 및 보조 부품이 통합되어 회로 실장 면적을 줄이고 부품 비용을 낮춰 줍니다. 4.5V ~ 45V 입력에서 작동하며 2MHz 스위칭 주파수에서 작동하여 작은 인덕터 및 커패시터도 사용할 수 있습니다.

조광은 PWM 입력을 16개의 개별 PWM 핀에 적용하여 각 채널마다 제어됩니다. 장치는 빠른 슬루 업 및 다운 비율을 갖추고 있어서 최대 5000:1의 대비율을 구현합니다.

LT8500 LED PWM 생성기는 3V ~ 5.5V 입력에서 작동하며 48개의 독립적인 채널을 갖추고 있어서 세 개의 LED 구동기를 직접 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 각 채널마다 개별 조정 가능한 PWM 레지스터가 있습니다.

LT8500은 각 채널의 휘도를 독립적으로 조정할 수 있습니다. 간단한 직렬 데이터 인터페이스를 통해 프로그래밍 가능한 12비트 PWM 레지스터를 사용하여 휘도 단계를 최대 LED 출력의 0% ~ 99.98%까지 4095가지로 조절할 수 있습니다. 그림 8은 세 개의 LT3595A 벅 LED 구동기를 구동하기 위해 LT8500을 구성하는 방법을 보여 줍니다. R_SET 레지스터는 각 LED 구동기에서 16개 채널 모두에 대한 LED 전류를 설정합니다.

그림 8: Linear Technology의 LT8500은 세 개의 LT3595 벅 LED 구동기에 PWM 조광 입력을 제공할 수 있습니다. 그리고 각 구동기는 최대 160개의 LED에 전력을 공급할 수 있습니다. (Linear Technology에서 제공하는 원본 이미지를 기초로 DigiKey Scheme-it을 사용하여 그린 구성도)