절전을 통한 조명 유지

LED 조명 설계자들은 일반용 및 가정용 LED 램프에 관한 IEC 62560, LED 어레이 및 모듈에 관한 IEC 62031, 구동기 및 전원 공급 장치에 관한 IEC 61347과 같은 안전 표준을 빠르게 수용해 왔습니다. 근처에 번개가 치는 경우처럼 입력 전선에서 발생하는 고에너지 서지도 예외적인 위험에 포함됩니다. IEC 61000-4-5에서는 표준 8 x 20μs 파형을 사용한 서지 테스트에 대해 설명하는 한편, 유럽의 실외 조명에 10kV/5kA의 높은 레벨을 지정합니다.

인라인 퓨즈, 금속 산화물 배리스터(MOV), 병렬 연결된 과도 전압 억제기(TVS) 다이오드와 같은 장치를 전원 공급 장치와 구동기 회로 전체에 사용할 수 있습니다. Littelfuse와 같은 제조업체에서는 손상을 일으킬 가능성이 있는 과도 상태에서 에너지 흡수 및 분산이 가능한 장치를 선택하고 배치하는 자세한 방법이 담긴 안내서를 제공합니다.

그림 1에서는 일반적인 LED 조명 솔루션에 사용되는 서지 보호 장치에 대한 개요를 제공합니다. 그림에서처럼 Littelfuse V300SM7과 같이 전선과 중립, 중립과 접지, 전선과 접지 사이에 배치된 MOV는 높은 서지 내력을 제공합니다. MOV에 과도한 전압이 걸리면 장치에서 전도 경로를 생성하여 서지 에너지를 분산시킬 수 있습니다. TVS 다이오드는 Littelfuse P6KE300과 같은 장치일 수 있으며, 과도 에너지를 분산시켜 회로 부품을 보호합니다. 인가된 과도 전압으로 인한 최대 임펄스 전류를 견딜 수 있는 장치를 선택해야 합니다.

그림 1: LED 조명 응용 제품의 서지 보호 장치 설계를 위한 Littelfuse 안내

선간 전압 변동으로부터의 보호

그림에 표시된 장치들은 단기적인 고에너지 펄스로부터 회로망을 효과적으로 보호할 수 있습니다. 그러나 느리게 발생하는 변동도 위협이 될 수 있습니다. 최종 사용자의 요구가 증가하고, 인프라가 노후화되며, 화석 연료를 기반으로 하는 기존의 발전에서 재생 가능한 공급원을 기반으로 하는 분산 발전에 크게 의존하는 환경 친화적인 모델로 전환됨에 따라, 설비의 그리드 안정성을 우려하는 목소리가 높다는 것은 잘 알려져 있는 사실입니다. 이러한 상황에서는 전압의 변동으로 부족 전압과 과전압이 발생하여 일부 회로 유형에 포함된 부품의 수명과 신뢰성이 줄어들 수 있습니다.

한 예로, MR16 또는 GU10 전구와 같이 친숙한 조명 제품을 LED로 교체할 경우 비용과 크기 모두에서 까다로운 제약을 받게 됩니다. 이러한 제약을 극복할 수 있도록, Texas Instruments TPS92210 LED 구동기 컨트롤러에는 외부 고전압 MOSFET과 캐스코드 구성으로 연결하도록 설계된 내부 MOSFET이 있습니다. 이 덕분에 시동이 간소화되며, 외부 전류 감지 저항기 없이 사용이 가능하고, 1차측 스위칭 손실이 줄어듭니다. 또한 불연속 전도 모드(DCM) 작동을 지원하여 출력 정류기 다이오드의 역회복 손실도 최소화할 수 있습니다. 따라서 TPS92210은 일반적인 플라이백 구성에 비해 효율과 신뢰성을 높이면서 시스템 비용을 절감하는 데 도움을 줍니다. 그림 2에는 일반적인 응용 제품의 회로도가 표시되어 있습니다. DRN 핀(핀 6)에 연결된 외부 MOSFET은 TPS92210 내부 구동기 MOSFET의 드레인에 연결되어 캐스코드 회로를 형성합니다.

그림 2: 일반 플라이백 컨버터에 비해 향상된 성능을 제공하도록 설계된 LED 구동기 회로

이 구동기 회로는 LED 스트링에 연속적으로 전력을 공급하도록 설계되었습니다. 그리드가 불안정하여 선간 전압이 떨어질 경우, 구동기의 입력 전류가 증가하여 출력 전력을 일정하게 유지합니다. 이렇게 증가한 전류로 인해 구동기 부품에 과도한 응력이 발생할 수 있습니다. 마찬가지로, 선간 전압이 크게 증가하고 변압기의 1차측 권선 유도 용량으로 인한 링잉이 발생할 경우, MOSFET 및 커패시터와 같은 중요 부품의 정격을 초과할 수 있습니다. 위에서 언급한 MOV 및 TVS 다이오드 같은 표준 부품으로도 단기적인 고에너지 서지로부터 효율적인 보호가 가능하지만, 회선의 불안정성으로 인한 피해를 방지하려면 추가적인 보호 수단이 필요합니다.

TPS92210과 같은 컨트롤러를 사용할 경우, IC의 변압기 제로 에너지 감지(TZE) 기능을 활용하여 AC 회선 입력이 정상적인 범위 밖으로 오르내릴 경우 일시적으로 구동기를 정지하도록 외부 회로망을 설계할 수 있습니다.

과전압/부족 전압 보호 회로 작동

구동기가 DCM에서 작동할 때, 연속적인 각 스위칭 주기는 변압기가 완전히 초기화되거나 에너지가 0인 경우에만 시작됩니다. TZE 핀에 연결된 저항기 분배기를 사용하면 1차 바이어스 권선이 접지를 기준으로 네거티브로 전환될 경우 TZE 핀에서 소싱되는 전류를 모니터링하여 변압기의 제로 에너지 지점을 감지할 수 있습니다.

그림 3에는 입력 과전압/부족 전압이 발생할 경우 다음 스위칭 주기가 시작되지 않게 하여 구동기의 작동을 중지하는 보호 회로가 나와 있습니다. 여기서는 TZE 핀에 강제로 DC 전압을 적용하여 영점 교차의 감지를 방지합니다. 입력 전압이 안전 작동 범위에 있을 경우, 회로에서는 DC 전압을 TZE 핀으로 출력하지 않고 정상적인 영점 교차 감지를 허용하여 컨트롤러에서 밸리 스위칭을 조정하며 최적의 효율을 얻을 수 있도록 합니다.

그림 3: 입력 부족 전압 및 과전압 보호 회로도

이 회로는 브리지 정류기 출력에서 평활화되지 않은, 정류된 선간 전압을 받아 작동합니다. 이 전압은 Zener D2로 12V에서 클램핑되며, 저항기 분배기에 의해 더욱 감소합니다. 저항기 R3 및 R4는 부족 전압과 관련이 있으며, R5 및 R6는 과전압 보호를 처리합니다. 저항기 값 R3, R4, R5, R6은 각각 1V 및 2.5V의 트립 임계값을 설정하도록 지정됩니다.

12V 바이어스는 정밀 쿼드 단일 공급, 마이크로 전력 연산 증폭기 U1(TLC27L4)에 전력을 공급하는 데에도 사용됩니다. 마이크로 전력 연산 증폭기가 U1에 선택된 이유는 높은 공급 전류를 필요로 하는 장치가 사용된 경우 낮은 입력 전압에서 잘못된 켜기/끄기 주기를 발생시키지 않고 제너 다이오드에서 직접 작동하도록 하기 위해서입니다. U1-A는 커패시터 C4에서 Vin(rms)에 비례하는 DC 전압을 생성하는 피크 감지기로 작동합니다. U1-B는 이 DC 전압을 완충하고, U1-C는 피크 감지기 전압이 부족 전압 레퍼런스 VR1보다 아래일 때 오류 신호를 출력합니다. 마찬가지로, U1-D는 피크 감지기 출력을 과전압 레퍼런스 VR2와 비교하여 RMS 입력 전압이 과전압 트리거 임계값을 초과할 때 오류 신호를 생성합니다. U1-C 및 U1-D 출력은 제너 D5를 통해 3.3V에서 클램핑되고 트랜지스터 Q1으로 완충된 후 TZE 핀에 공급됩니다. R10 및 R12는 경계 제한에서 트리거의 오작동을 방지하기 위해 약 5V의 히스테리시스를 사용합니다.

TPS92210의 TZE 입력에서 지속적으로 밸리 스위칭 상태를 스캔하기 때문에, 보호 회로에서 핀에 DC 전압을 적용할 때 스위칭 주기가 방지됩니다. 입력 전압이 정상 작동 범위로 돌아오면 스위칭을 재개할 수 있습니다. 이 표에서는 입력 조건이 정상일 때와 서지가 발생했을 때의 장치 동작과 구동기 출력 상태를 보여줍니다.

표 1: TPS92210 구동기 상태 요약

결론

LED 조명 솔루션이 국제 안전 표준을 준수하기 위해서는 퓨즈, MOV, TVS 다이오드와 같은 일반 서지 억제 장치가 필수입니다. 추가 회로망을 통해 유해한 전류나 과전압이 구동기 부품이나 LED에 도달하지 않도록 차단하여 AC 전력선의 품질이 저하되지 않도록 지능적으로 보호할 수 있습니다.