전류 출력 DAC 및 TIA를 사용하여 LED 휘도를 정밀하게 제어

발광 다이오드(LED)는 물리적인 내구성, 긴 수명, 효율, 빠른 스위칭 기능, 작은 크기로 인해 널리 사용됩니다. LED는 백열 전구보다 더 많은 와트당 루멘(lm/W)을 발산하고 크기와 모양이 효율에 영향을 주지 않습니다. 하지만, 폭넓은 사용과 기술 지원에도 불구하고 LED 휘도를 정밀하게 제어하는 데 여전히 어려움이 있습니다.

이유는 다양하고 각 LED 파장의 물리적 특성과 관련이 있지만 올바른 부품과 설계 방식을 이용하여 휘도를 정밀하게 제어할 수 있습니다.

이 기사에서는 일관된 LED 휘도 유지와 관련한 문제를 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 프로그래밍 가능 14비트 전류 출력 디지털 아날로그 컨버터(DAC), 연산 증폭기 및 정밀 아날로그 마이크로 컨트롤러를 함께 사용하여 LED 휘도를 정밀하게 제어하는 방법을 알아봅니다. 예제에서는 Analog Devices의 부품을 사용합니다.

LED 어레이/응용 분야

LED 반도체는 양극에서 음극으로 이동하는 전류 흐름을 통해 빛을 발산하는 광원입니다. 반도체 전극이 전극 구멍과 재결합하여 광자 형태의 에너지를 발생합니다. 전극이 반도체의 밴드갭을 횡단하는 데 필요한 에너지에 따라 LED 조명의 색상이 결정됩니다.

LED의 전기적 동작은 표준 다이오드와 비슷하게 작동합니다. 표준 다이오드와 마찬가지로 순방향 바이어스 모드에서 장치를 과잉 구동하지 않는 것이 중요합니다. 과잉 구동된 다이오드는 과열되어 최악의 경우 개방 회로가 됩니다. LED가 순방향 바이어스되는 경우 전류가 장치를 통과해 빛을 발산하고 양극에서 음극으로 전압 강하가 나타납니다(그림 1).

그림 1: 20mA의 순방향 전류를 사용하여 순방향 전압에 따라 다양한 색상의 LED가 표시됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 1에서 LED의 순방향 전압은 색상에 따라 다릅니다(R = 빨간색, O = 주황색, G = 녹색, Y = 노란색, B = 파란색, W = 흰색). 일반적으로 LED는 20mA 광원에서 활성화되어 순방향 전압값을 측정 및 지정합니다. 전압 소스를 통해 LED를 구동하는 것은 솔깃한 일이지만 전압 소스를 정밀하게 제어하기가 어렵고 이로 인해 장치가 과잉 구동되어 과열 및 조기 실패가 발생할 수 있습니다.

병렬 LED 구성과 직렬 LED 구성 비교

가장 널리 사용되는 세 가지 LED 구성은 병렬, 직렬 또는 둘의 조합이지만, 대부분의 경우 전압 소스와 저항기를 사용하여 LED를 구동하고 전류 크기를 제어하는 것이 좋습니다(그림 2).

그림 2: LED 구동 구성에는 병렬(A), 직렬(B), 병렬과 직렬의 조합(C)의 세 가지가 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

병렬 LED 스트링(A)은 순방향 전압 사양이 모두 같아야 하므로 LED 색상이 동일해야 합니다(그림 1 참조). 이 구성에서도 LED는 순방향 전압의 제조 허용 오차 범위로 인해 전류를 균등하게 공유하지 않습니다. 이 병렬 구성에서 하나 이상의 LED에 전류 호깅이 일어날 수 있습니다. 일관되지 않은 LED 디스플레이를 렌더링할 수 있는 요소인 순방향 전류/휘도 강도 차이로 인해 LED의 휘도가 달라집니다.

병렬 구성(A)에서 R_LED 값은 사전 결정된 공급 전압(V_LED), LED의 공칭 순방향 전압, 병렬 LED 개수(각각 약 20mA 소비)에 따라 달라집니다. 예를 들어 R_LED가 10W이고 병렬 흰색 LED가 10개(20mA에서 순방향 전압 3.0V 이하)이고 V_LED가 5V라고 가정하겠습니다. R_LED 값 10W는 방정식 1을 사용하여 계산합니다.

방정식 1

여기서, V_LED = 공급 전압(그림 2 참조)

N = LED 개수 = 10

I₁ = 20mA(참고: I_LED = I₁*N)

R_LED = LED 바이어스 저항기

V_X = 공칭 LED 20mA 전압 강하

직렬 구성(B)에서 각 LED는 순방향 전압이 서로 다른 동일한 양의 전류를 받습니다. 따라서 이 직렬 구성에서 LED가 여러 색상으로 표시될 수 있습니다. 이 형식에서 공급 전압은 각 공칭 LED 전압의 합계에 저항기를 통한 전압 강하 R_LED를 더한 값과 같습니다. 예를 들어 20mA에서 직렬로 연결되고 330옴 저항기를 통과하는 빨간색 LED(순방향 전압 1.9V 이하)가 10개 있는 경우 시스템 전압 공급(V_LED)은 25.6V 이하입니다. 이 구성의 경우 결함이 있거나 개방된 LED가 있으면 전체 스트링이 작동하지 않습니다.

병렬 LED 구성과 직렬 LED 구성을 조합하면(C) 두 구성의 최고 성능을 끌어낼 수 있습니다. 이 구성의 경우 직렬 스트링에 더 적은 수의 LED가 사용됩니다. 따라서 V_LED 값이 감소합니다. 또한, 병렬 스트링에도 더 적은 수의 LED가 사용되므로 전류 호깅 가능성이 감소합니다. 이에 더하여 이 구성에서는 프로그래밍 가능 전류 출력 DAC를 기존의 정적 전압 소스 대신 경제적인 여기 소스로 사용할 수 있다는 이점이 있습니다.

프로그래밍 가능 LED 제어 옵션

그림 2에서 병렬(A), 직렬(B) 및 직렬/병렬 조합(C) 구성의 LED 구동 메커니즘에는 계열 저항기 R_LED 및 전압 소스 V_LED가 있습니다. 이 세 구성에서 순방향 전류를 낮추면, 즉 V_LED를 줄이거나 R_LED를 높이면 LED가 약해집니다. 전압 출력 DAC는 V_LED에 프로그래밍 가능 전압을 제공할 수 있지만 필요한 높은 전류로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 전압 출력 DAC가 LED에 필요한 높은 전류를 공급할 수 없는 경우가 있으므로 전력 증폭기(연산 증폭기)가 필요할 수 있습니다.

수동 전위차계 또는 보다 좋은 디지털 전위차계는 R_LED를 일부 내전력 제약 조건(예: 전위차계가 0옴에 접근할 때 높은 전류를 처리하는 방법)으로 대체할 수 있습니다.

전압 출력 DAC 및 전위차계와 관련한 문제와 복잡성을 방지하기 위해 가장 명쾌한 설계 방식은 전류 출력 DAC를 대신 사용하는 것입니다.

전류 출력 DAC는 LED에 프로그래밍 가능 전류를 제공합니다. 이 DAC의 중요 사양으로는 LED당 20mA를 제공할 수 있는 기능과 해당 전류의 높은 분해능을 들 수 있습니다. 전류 프로그래밍 가능성을 활용하여 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)의 저항으로 원하는 휘도를 조정할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 프로그래밍 가능 출력 전류 DAC는 직접 순방향 LED 전류 제어를 렌더링하고 TIA는 휘도 레벨 제어를 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 3에서 두 LED는 20mA 여기 전류로 순방향 전압 레벨을 추구합니다. 그림 3에서 LED 시스템을 완성하기 위해 TIA의 프런트 엔드에 있는 광 다이오드(PD)가 LED 휘도를 감지합니다. 이 시스템에서 증폭기는 광 다이오드 전류(I_PD) 경합 방지를 위한 낮은 입력 바이어스 전류와 PD 통과 강하를 최솟값으로 유지하기 위한 낮은 입력 오프셋 전압이 필요합니다.

프로그래밍 가능 LED 휘도 컨트롤러 구현

프로그래밍 가능 LED 휘도 컨트롤러 시스템을 구현하려면 Analog Devices의 ADuCM320BBCZ, AD5770RBCBZ-RL7 전류 출력 DAC, ADA4625-1ARDZ-R7 연산 증폭기와 같은 정밀한 아날로그 마이크로 컨트롤러가 필요합니다.

마이크로 컨트롤러:

• 14비트 DAC 출력 전류값 구동
• TIA의 출력 전압을 기판 실장형 14비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로 받음
• 휘도를 제어하는 데 필요한 계산 수행

프로그래밍 가능 DAC는 LED에 정확한 출력 전류를 제공하고, TIA로 구성된 연산 증폭기는 광 다이오드를 통해 아날로그 LED 휘도 크기를 수신합니다. 그러면 TIA가 출력 전압(V_OUT)을 마이크로 컨트롤러의 ADC 입력으로 전송합니다(그림 4).

그림 4: 이 정밀 시스템은 휘도 제어를 위해 LED에 프로그래밍 가능 전류를 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey, Analog Devices의 Photodiode Circuit Design Wizard 온라인 소프트웨어로 생성)

시스템에서 피드백 루프에 있는 TIA를 통해 전류 크기를 제어합니다. ADA4625-1 연산 증폭기는 입력 바이어스 전류(규격서 참조) 15pA, 오프셋 전압 15mV의 폭넓은 TIA 작동 범위를 제공합니다. 이 작동 범위는 높은 수준의 휘도 유연성을 제공하여 LED를 최대 강도부터 암전 상태까지 변경할 수 있습니다.

시스템 설계자에 따라 LED의 휘도 변화와 범위가 결정됩니다. 예를 들어, 14비트 DAC는 2¹⁴ 또는 16,384개 분할을 제공합니다. 다음 방정식에 따라 전체 범위 출력이 100mA인 이 DAC의 최하위 비트(LSB) 크기는 6.1mA입니다.

여기서,

IDACx_LSB = x 채널의 전류 LSB 크기

IDAC_MAX = 정격 최대 채널 전류

N = DAC 비트 수

공급 전압이 5.0V일 때 6채널 AD5770R은 20mA 공칭 전류로 두 계열 LED를 구동합니다. 이 회로에서 LED 전압은 자체 순방향 전압 레벨을 추구합니다.

그림 4에 표시된 회로에서 각 출력 포트(IDAC0-IDAC5)의 최대 출력 전류는 공칭 값의 50%까지 조정될 수 있습니다. 설계자는 이 유연성을 활용하여 LED 여기 전류를 효과적으로 맞출 수 있습니다. 그러면 LSB 전류 크기도 감소합니다.

그림 4에서 최대 IDAC2 전류는 55mA이고 최대 IDAC5 전류는 45mA입니다(규격서 참조). IDAC2 스트링의 LED가 빨간색 LED일 경우 IDAC2 핀의 공칭 전압은 3.8V(1.9V x 2)이고 DAC의 LSB 크기는 3.4mA입니다.

시스템 정확성을 개선하기 위해 설계자는 DAC의 온칩 레퍼런스 생성기를 외부 레퍼런스 또는 추가된 정밀 저항기로 대체할 수 있습니다.

마지막으로 AD5770R에는 멀티플렉싱된 온칩 진단 기능이 있습니다. 이 기능을 사용하면 설계자가 외부 ADC를 통해 출력 규정 준수 전압, 출력 전류 및 내부 다이 온도를 모두 모니터링할 수 있습니다.

AD5770R 전류 출력 DAC는 IDAC2 및 IDAC5 출력 잡음 스펙트럼 강도가 각각 19nA/√Hz 및 6nA/√Hz인 저잡음 제어형 프로그래밍 가능 전류 소스를 사용하여 두 LED 스트링을 구동합니다.

결론

물리적 내구성, 긴 수명, 낮은 에너지 소비, 빠른 스위칭, 작은 크기를 특징으로 하는 LED는 다른 조명 기술에 비해 많은 이점이 있습니다. 하지만, LED의 폭넓은 사용에도 불구하고 출력 휘도를 정밀하고 효과적으로 제어하는 데 어려움이 있습니다.

위에서 설명한 바와 같이 ADuCM320BBCZ 정밀 마이크로 컨트롤러, AD5770 14비트 프로그래밍 가능 고정밀 전류 출력 DAC 및 TIA 구성의 ADA4625-1 JFET 연산 증폭기를 사용하여 LED 휘도를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이 조합을 사용하면 설계자가 전체 진단 기능을 통해 모든 LED 구동기 전류를 모니터링하고 조광 제어를 제공할 수 있으므로 정밀한 LED 휘도 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.