조명 응용 제품에서 LED 구동기의 중요한 역할

백열 전구 및 기타 구식 전구는 전기를 사용하여 필라멘트 또는 가스를 가열한 다음 빛을 발산합니다. 반면에 발광 다이오드(LED)는 흐르는 전기를 직접 빛으로 변환하는 특수 반도체 소재로 만들어지며, 이러한 현상을 전자 발광이라고 합니다.

각 LED 소재는 특정 전압과 전류가 공급되면 좁은 주파수 범위에서 빛을 발산합니다. 이 값에서 벗어나면 LED가 발광을 멈추거나 색상 강도가 변할 수 있습니다.

설계자는 일반적으로 정전류 감소(CCR) 또는 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 LED 강도를 제어합니다. 두 가지 모두 광 출력 조정을 목표로 하지만 근본적으로 다른 방식으로 작동하며, 각각 고유한 설계상의 장단점을 가집니다.

• 흔히 아날로그 조광이라고도 하는 CCR은 LED로 흐르는 전류를 줄이는 방식으로 작동합니다. 깜박임이 발생하지 않는 간단한 저잡음 접근 방식이므로 기본 응용 분야에 적합합니다. 하지만 전류를 줄이면 LED의 색상이 약간 변하고 특히 매우 낮은 조도에서 조광 범위가 제한될 수 있습니다.
• PWM은 각 펄스 동안 정전류를 유지하면서 LED를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 LED를 조광합니다. 이 기술은 색상 일관성을 유지하고 조광 범위를 1% 미만까지 훨씬 더 넓힐 수 있습니다. 따라서 조정 가능한 조명이나 디스플레이에 적합합니다. 단, 스위칭 주파수가 충분히 높지 않은 경우 PWM은 전자파 장해(EMI)와 깜박임을 발생시킬 수 있다는 단점이 있습니다. 설계자는 이러한 요소의 균형을 신중하게 조정해야 합니다.

PWM은 더 복잡한 구동기와 EMI 필터링에 대한 주의가 필요할 수 있으며, CCR은 색상 정밀도나 초저 조광이 필요한 응용 분야에는 적합하지 않을 수 있습니다. 경우에 따라, CCR과 PWM을 결합한 하이브리드 접근 방식을 통해 두 방식의 장점을 모두 제공할 수 있습니다.

설계 고려 사항

설계자는 현명한 설계 선택을 통해 CCR 또는 PWM 조광의 한계를 극복할 수 있습니다. CCR의 경우 설계자는 넓은 전류 범위에서 안정적인 색 성능을 갖춘 LED를 선택하고 감마 보정 또는 로그 조광 곡선을 적용하여 사람이 휘도 변화를 인지하는 방식에 맞게 조광 응답을 조정할 수 있습니다. 그러면 더 부드럽고 자연스러운 전환이 가능합니다. 신중한 구동기 선택과 열 관리를 통해 추가 회로망 없이도 색 안정성을 유지하고 조광 성능을 향상할 수 있습니다.

PWM 조광의 핵심 과제는 깜박임, EMI 및 설계 복잡성입니다. 일반적으로 20kHz ~ 25kHz 이상의 높은 PWM 주파수를 사용하여 깜박임을 방지하고 오디오 또는 카메라 시스템과의 간섭을 최소화하면 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 회로 기판을 신중하게 설계하고, 필터를 활용하고, 가변 신호 속도와 같은 기능을 제공하는 LED 구동기를 선택하여 EMI를 효과적으로 제어할 수 있습니다. PWM 기능이 내장된 구동기는 내부에서 신호를 생성하여 공정을 간소화하므로 구동기 외부에서 타이밍을 정밀하게 관리할 필요가 없습니다.

의료 환경, 실험실, 민감한 전자 장치가 있는 환경과 같이 최소한의 EMI가 필요한 응용 분야에서는 CCR이 선호될 수 있습니다. 이 옵션은 제한된 범위에서 부드럽고 깜박임 없는 조광을 안정적으로 제공하며, 상대적으로 단순하여 가정, 레스토랑, 대규모 장소 등 단순성과 비용을 최우선으로 고려해야 하는 전반 조명에 적합합니다.

PWM은 무대 조명이나 매우 섬세한 조명 제어가 필요한 환경처럼 색 일관성이 높고 조광 범위가 넓은 경우에 선호되는 경우가 많습니다. 신호 발생기가 통합된 PWM 구동기는 타이밍을 내부적으로 처리하여 설계 복잡성을 줄임으로써 설계 공정을 더욱 간소화합니다.

PWM 방식을 선택하는 경우

다중 채널 제어, 색 일관성, 자동차 신뢰성이 필요한 응용 분야에서는 PWM 접근 방식이 유리합니다.

듀얼 모드 기능을 제공하는 Diodes Inc.의 AL5887Q 고급 36채널 차량용 LED 구동기가 좋은 예입니다. 이 구동기는 정전류의 듀티 사이클을 100%에서 3%로 변조하여 딥 PWM으로 조광합니다. 하지만 3% 이하에서는 아날로그 조광 모드로 전환됩니다. 이 모드는 기존의 아날로그 CCR 전용 회로가 아닌 프로그래밍 가능 디지털 제어를 통해 CCR과 동일한 기능을 구현합니다.

16MHz 발진기가 내장된 AL5887Q는 외부 클록이 필요하지 않으므로 기판 설계와 레이아웃을 간소화하고 인쇄 회로 기판 실장 면적을 줄이며 BOM(부품 명세서) 비용을 절감할 수 있습니다. 이 구동기는 12비트 PWM 주소 지정 가능 레지스터와 30kHz 내부 PWM 생성기를 사용하여 색상 혼합을 개선하고 잡음을 줄입니다.

설계자는 이 구동기를 다음과 같은 분야에 활용할 수 있습니다.

• 자동차 내부 및 외부 조명
• 인포테인먼트 디스플레이
• 상태 표시등
• 터치 패널 및 LCD 디스플레이 백라이트

이러한 응용 분야에서는 LED의 색상과 강도를 제어해야 하며, 이는 AL5887Q 구동기(그림 1)에서 지원하는 주요 기능입니다.

그림 1: Diodes Inc.의 AL5887Q LED 구동기는 자동차 디스플레이 및 조명 응용 제품을 간소화합니다. (이미지 출처: Diodes Inc.)

RGB LED의 색상 제어

RGB LED의 색상을 제어하려면 LED 패키지 내에 포함된 세 가지 색상의 각 다이에 공급되는 전류 흐름을 조정해야 합니다(그림 2). 간단히 말해, 밝은 노란색을 생성하려면 빨간색 및 녹색 다이를 지정된 최대값까지 구동하고 파란색 LED를 어둡게 하거나 끕니다. 마찬가지로 개별 LED의 강도를 제어하여 다양한 색상을 연출할 수 있습니다.

그림 2: RGB LED의 색상을 제어하려면 응용 제품에서 LED 패키지 내의 세 가지 색상의 각 다이에 공급되는 전류 흐름을 조정해야 합니다. (이미지 출처: Broadcom)

일반 조명 응용 제품의 아키텍처

조명 응용 제품은 수백 개의 LED와 기타 부품으로 구성될 수 있으며, 모두 단일 소형 컴퓨터 또는 마이크로 컨트롤러에서 실행되는 프로그램에 의해 제어됩니다.

그림 3은 AL5887Q의 핀아웃을 보여줍니다. 응용 제품에는 여러 구동기가 포함될 수 있으며, 각 구동기는 전용 핀 OUT0 ~ OUT35를 통해 최대 12개의 RGB LED 또는 최대 36개의 개별 LED에 연결될 수 있습니다.

그림 3: AL5887Q의 핀아웃입니다. 이 드라이버는 전용 핀 OUT0 ~ OUT35를 사용하여 최대 12개의 RGB LED 또는 최대 36개의 개별 LED에 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Diodes Inc.)

AL5887Q가 조명 응용 제품에 적합한 LED 구동기인 이유

AL5887Q는 채널을 믹싱 및 정합하여 일부는 색 혼합에 사용하고 일부는 상태 표시기 또는 유사한 단색 LED 응용 제품에 사용할 수 있습니다. 각 채널은 균일한 휘도와 색상을 제공하는 프로그래밍 가능 정전류원 역할을 하며, 이는 불일치가 쉽게 눈에 띄는 소매, 자동차 또는 건축 조명에서 중요한 고려 사항입니다.

오류 감지

AL5887Q는 LED 조명의 믹싱 및 조광 이외에 단락과 같은 다양한 오류 상태를 감지하여 내부 '플래그' 레지스터에 기록합니다. AL5887Q는 FAULT 핀을 사용하여 마이크로 컨트롤러에 문제를 알립니다. LED 구동기의 오류 감지 메커니즘을 통해 마이크로 컨트롤러에서 실행 중인 애플리케이션이 반응하여 수리를 위한 진단을 제공할 수 있습니다.

애플리케이션 개발자 업무 간소화

AL5887Q는 이를 제어하는 마이크로 컨트롤러의 일부 오버헤드(예: 강도 및 색상 매핑)를 제거하여 애플리케이션 개발자의 업무를 간소화합니다. 이를 통해 마이크로 컨트롤러에서 실행되는 프로그램이 단순해지고 개발 시간이 단축되며, 잠재적인 오류 원인을 제거하여 시스템의 견고성을 높일 수 있습니다.

뱅킹

깜박임, '호흡'(저속 펄스와 비슷함)과 같은 일부 LED 애니메이션 효과는 여러 LED에 대한 동시 동작을 포함합니다. 마이크로 컨트롤러 프로그램이 각 LED를 개별적으로 식별하여 동일한 명령을 반복해서 전송하는 대신, AL5887Q는 LED를 '뱅크'로 그룹화하도록 구성할 수 있습니다. 그러면 전체 그룹이 단일 명령을 따를 수 있습니다.

I²C 및 SPI 지원

많은 주변 장치와 다양한 구성이 포함된 고급 LED 응용 제품에는 그에 맞춰 동작을 감지하고 수정하는 유연한 논리가 필요합니다. 예를 들어, 두 개의 전선을 사용하여 수십 개의 주변 장치를 검색하고 통신하는 I²C를 선택할 수 있습니다.

반면에 고정된 구성과 간단한 논리를 가진 저수준 응용 제품의 경우, 더 많은 전선을 사용하지만 알려진 주변 장치와 직접 통신하는 SPI를 사용하여 단순화할 수 있습니다.

AL5887Q는 두 가지 응용 제품 아키텍처에 모두 적합하며, I²C 또는 SPI 통신 방식 중 하나를 지원할 수 있습니다. '인터페이스 선택'(INT_SEL) 핀을 사용하여 마이크로 컨트롤러 응용 제품이 시동 중에 구동기 회로에 둘 중 한 가지 통신 방법을 사용하도록 명령할 수 있습니다.

절전 모드

LED가 꺼지면 AL5887Q는 25마이크로 암페어만 소비하는 절전 모드로 자동 전환됩니다. 마이크로 컨트롤러가 어떠한 명령이라도 전송하면 일반 모드로 복귀합니다. 구성 명령을 사용하여 이 기능을 비활성화할 수 있습니다.

결론

AL5887Q의 12비트 PWM 제어 기능은 정밀도와 유연성을 겸비하여 고급 LED 조명 응용 제품을 위한 다양한 기능을 갖춘 신뢰성 있는 선택지가 됩니다. 작은 실장 면적과 통합된 기능은 추가 부품의 필요성을 줄여주므로 전반적인 비용을 절감하고 개발을 간소화합니다.