EMI가 낮은 동기 LED 드라이버에 스위치와 내부 PWM 디밍 통합

  • 2016년 10월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글| Keith Szolusha, 애플리케이션 엔지니어링 섹션 리더 Kyle Lawrence, 전임 애플리케이션 엔지니어 리니어 테크놀로지



일반 조명에서부터 자동차, 산업용 및 테스트 장비, 전광판, 안전성 장비에 이르기까지 LED를 도입하는 애플리케이션이 갈수록 다양화하고 있다. 그에 따라서 LED 드라이버에 대한 요구 또한 다양화되고 있다. 최신의 LED솔루션은 크기가 작고, 효율이 우수하고, 잡음이 낮고, 높은 디밍 비율이 가능하고, 첨단 결함 보호 기능을 통합한 드라이버를 요구한다. 리니어테크놀로지(이하 리니어)의 LT3922는 바로 이와 같은 요구를 충족한다.

스위치와 내부 PWM 디밍 통합

LT3922 36V 동기 LED 드라이버는 2 A 스위치를 통합하고 있으며 부스트, 벅, 부스트-벅 LED 드라이버로 구성할 수 있다. 소형화된 크기의 4 mm × 5 mm QFN 패키지로 고효율 동기 전력스위치를 통합하고 있다. 또한 리니어의 첨단 스위칭 기술을 적용하고, 소형화된 크기로 높은 전력 용량을 가능하게 하며, 에지 레이트를 제어할 수 있으며, 원치 않는 전자기 방사를 완화할 수 있다. 통합하고 있는 동기 스위치를 통제된 스위칭 에지로 실행함으로써 링잉을 일으키지 않게 한다. 이는 높은 효율과 낮은 잡음 모두를 균형 있게 제공한다. 또한 최대 2.5 MHz로 동작할 수 있으므로 컴팩트한 솔루션을 달성할 수 있다.

토폴로지 선택 : 부스트, 벅, 부스트-벅 

LED 스트링을 통제된 전류로 구동하므로 곧바로 접지로 리턴시키지 않아도 된다. LED+와 LED- 둘 다 혹은 둘중 어느 쪽이든 접지하지 않은 전위로 연결할 수 있다. 그러므로 벅 모드(스텝다운)와 부스트-벅(스텝업하고 스텝다운)을 비롯한 다양한 방식의 부동 출력 DC/DC LED 드라이버 토폴로지가 가능하다.

LT3922의 하이사이드 PWMTG 드라이버와 동기 스위치를 부스트, 벅 모드, 부스트-벅 LED 드라이버로 구성할 수 있으며 다양한 구성 상태에서도 IC의 모든 특성들을 그대로 유지한다. 다시 말해서 표준 부스트 토폴로지에서부터 벅 모드와 부스트-벅에 이르기까지, 내부 PWM 디밍, SSFM, 낮은 EMI, ISMON 출력 전류모니터링, 출력 결함 보호 같은 모든 기능들을 그대로 사용할 수 있다.



부스트

LT3922는 부스트 컨버터로 동작할때 최대 34V에 이르는 LED를 구동할 수 있으며 40V에 이르기까지 개방 LED 오버슈트에 대비한 여유가 가능하다. 〈그림 1〉의 2 MHz 4V~28V 부스트 LED 드라이버는 330 mA LED 스트링을 최대 34V로 구동할 수 있다. 또한 120 Hz, 2,000:1 비율로 외부 PWM디밍을 하거나, PWM 핀의 아날로그 입력 전압을 사용해서 128:1 비율로 내부 디밍을 할 수 있다.

또한 개방 LED 및 LED+-대-접지 단락회로를 견딜 수 있으며, FAULT 핀을 선언해서 이러한 결함을 보고한다. 또한 PWM 디밍 중이라도 ISMON 핀을 통해서 출력 전류를 모니터링할 수 있다.

2 MHz 스위칭 주파수로 동작할 때 기본 EMI 고조파가 AM 대역 위로 오며 그러면서도 여전히 EMI가 낮다. 또한 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM)를 추가함으로써 2 MHz ~ 2.5 MHz 사이에 스위칭 주파수를 확산시키게 되고 이로 인해 기본 주파수 및 다수의 고조파로 EMI를 낮출 수 있다. 또한 동기 스위치를 통합한 덕에 이 2 MHz 부스트 컨버터의 효율이 12VIN으로 최고 91%에 이른다. 이보다 낮은 VIN일 때는 피크 인덕터 전류가 한계에 도달하게 되는데, 이때는 출력 전류를 매끄럽게 감소시킴으로써 LED를 계속해서 온으로 유지하면서 깜빡임을 일으키지 않는다.




〈그림 2〉에서 보는 것과 같이 LT3922를 벅 모드 토폴로지로 구성하면 입력전압은 최고 36V까지 될 수 있고 LED스트링을 최대 1.5A로 구동할 수 있다.

하이사이드 ISP 및 ISN 전류 검출 입력과 PWMTG PMOS 드라이버를 손쉽게 LED 상단으로 옮길 수 있다. 벅 모드에서는 LED를 입력으로 연결한다. LED-는 곧바로 인덕터로 연결하며 접지로 연결하지 않는다. 2개 1A LED를 6.5V로 구동할 때 이 동기 벅 모드의 효율은 12V VIN으로 최고 94%에 이르며 36V VIN일때라도 89%를 유지한다. 또한 이 벅 모드 컨버터의 높은 대역폭은 100 Hz 사용 시 1,000:1 PWM 디밍으로 동작하는 것을 가능하게 한다.



부스트-벅

〈그림 3〉의 LT3922 부스트-벅 토폴로지는 LED 스트링 전압보다 높거나 낮은 입력 전압 범위로 동작할 수 있다. ISP 및 ISN 전압을 최대 전압 범위인 40V보다 낮게 유지하기 위해서는 LED스트링 전압과 입력 전압의 합을 35V 아래로 유지해야 한다.

이 특허기술 저 EMI(low EMI) 토폴로지는 부스트 타입 저 리플 입력 인덕터와 벅 모드 타입 저 리플 출력 인덕터를 사용하고 있다. 그러므로 4V ~ 18V 자동차 입력이나 다중 배터리 소재 입력(5V, 12V, 19V)을 사용한 부스트-벅 컨버터로 3V부터 16V까지 사이의 어떤 LED 스트링 전압이든 구동할 수 있다.

다른 토폴로지들과 마찬가지로 PWMTG 드라이버가 PWM 디밍 MOSFET 연결을 간소화한다. 부동 LED 토폴로지로 개방 및 단락 회로 보호를 저해하지 않는다. LED- 상의 선택적인 다이오드를 사용해서 LED--대-GND 단락 회로를 방지할 수 있다.

〈그림 3〉의 2 MHz 컨버터는 12V VIN, 15V VLED, 330 mA ILED, 120 Hz로 최대 2,000:1의 PWM 디밍 비율에서 85% 효율을 달성한다(EMI 필터를 사용하지 않으면 87%). 이 솔루션은 크기, 범용성, 낮은 EMI 면에서 유리하므로 자동차 주간 주행등, 방향 표시등, 미등 LED 드라이버의 요구를 충족한다.

자동차용 조명 

LED는 여러 가지 점에서 자동차 조명에 사용하기에 적합하다. LED 미등 및 주간 주행등은 시각적으로 매력적이다. 효율이 뛰어난 LED 전조등은 견고성이 뛰어나 끊어지기 쉬운 필라멘트를 사용한 경쟁자들에 비해서 수명이 십여 배 이상 길다. 자동차 조명용으로는 넓은 입력 및 출력 전압 범위로 동작하면서 크기가 작고 효율적이며 EMI가 낮은 드라이버를 필요로 한다.

소형 크기의 LT3922 LED 드라이버는 EMI가 낮고, 효율이 높고, 자동차 환경에 필요로 하는 결함 보호 기능들을 통합하고 있다. 자동차의 9V ~ 16V 입력범위로 동작할 수 있으며, 트랜션트 시에 36V 및 콜드 크랭크 시에 최저 3V로까지 동작할 수 있다. 또한 EMI가 낮은 Silent Switcher® 아키텍처, SSFM, 스위칭 에지 제어는 낮은 EMI로 LED를 구동할 수 있게 한다.

또한 범용성이 뛰어나서 외부의 주간 주행등, 방향 표시등, 미등, 전조등뿐만 아니라 높은 디밍 비율을 사용하는 내부의 대쉬보드와 헤드업 디스플레이 등의 부스트, 벅, 부스트-벅 애플리케이션에 사용할 수 있다. 또한 유연성이 뛰어나고 다수의 결함 보호 기능들을 통합함으로써 단락 및 개방 LED 스트링을 보호하기 위해서 필요한 부품 수를 줄일 수 있다.

 

〈그림 4〉의 400 kHz 자동차용 부스트 LED 드라이버는 〈그림 5〉에서 보는 것과 같이 CISPR 25 Class 5 EMI 테스트를 충족한다. 이 그림에서는 클래스 5 EMI 한계에 대해서 LT3922의 전도 및 복사 EMI 테스트 결과를 볼 수 있다.

 

이러한 결과는 스위칭 에지 제어와 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM) 같이 EMI를 낮추기 위한 LT3922의 기능들을 사용해서 달성된 것이다. 또한 최상의 EMI 결과를 달성하기 위해서는 적절한 레이아웃과 소량의 페라이트 비드 필터링(FB1 및 FB2)을 사용하는 것 역시 필요하다.

EMI를 낮추기 위한 기능 통합 

LT3922는 손쉽게 EMI를 낮출 수 있도록 다수의 기능을 통합하고 있다. 무엇보다도 먼저, LT3922는 리니어의 특허 기술인 Silent Switcher 아키텍처를 적용함으로써 내부 동기 스위치가 핫 스위칭 루프 크기를 최소화하고 스위칭 에지 제어를 통해서 링잉을 일으키지 않는다.

〈그림 6〉에서는 LT3922의 핀아웃이 어떻게 2개 VOUT 핀 가까이로 소형의 고주파 커패시터를 배치해서 핫 루프 크기와 EMI를 최소화하는지 보여준다.

 

LT3922가 스위칭 에지 레이트를 제어함으로써 이 기능을 사용하지 않는 스위칭 컨버터에서는 흔하게 발생되는 고주파 링잉을 발생시키지 않는다.
LT3922의 스위칭 에지 제어는 효율과 전력 용량을 떨어트리지 않으면서 전력스위치 고주파 EMI를 감소시킨다.

또한 LT3922는 SSFM 기능을 사용해서 저항을 통해 설정된 스위칭 주파수를 이 값의 100% ~ 125% 사이로 확산시킨다. 그럼으로써 저주파수 및 고주파수로 컨버터의 피크 및 평균 EMI를 모두 감소시킨다. 이 기능은 SYNC/SPRD 핀을 각 INTVCC나 GND로 연결함으로써 편리하게 켜거나 끌 수 있다.

내부 PWM 디밍 

아날로그 디밍은 CTRL 핀에서 전압을 조절하는 것으로서 더 정확한 PWM 디밍에 비해 좀더 손쉽게 구현할 수 있다. 지금까지는 PWM 디밍을 위해서 외부 클록이나 마이크로 신호를 필요로 했다. 이의 듀티 사이클을 가지고 PWM 입력 핀을 통해서 밝기를 제어할 수 있다. 그런데 LT3922는 내부 생성 PWM 디밍 신호를 제공하므로 PWM 핀으로 외부 전압만을 가지고서 128:1 PWM 디밍을 위한 듀티 사이클을 설정할 수 있다. 122 Hz 같은 PWM 피리어드는 RP 핀에서 단일 저항을 사용해서 설정할 수 있다.

중복 조명 클러스터를 사용하는 자동차에서는 LED 전류의 정확도가 중요하게 요구된다. 양쪽의 밝기가 일치해야 하기 때문이다. 동일하게 제조된 LED라 하더라도 동일한 구동 전류로 서로 다른 밝기를 발생시킬 수 있다. LT3922의 내부 디밍 기능을 사용함으로써 100% 듀티 사이클 부근이나 바로 아래에서 밝기 트리밍을 하고 정밀한 10:1 또는 100:1 비율로 설정할 수 있다. 그러므로 조명 클러스터 업체가 특수하게 조정된 LED를 구입하기 위해 지불해야 하는 추가적 비용을 절약할 수 있다.

 

더 높은 디밍 비율이 필요할 때는 LT3922를 통상적인 방식으로 외부에서 디밍할 수 있다. 〈그림 2〉의 고 대역폭 400 kHz 벅 모드 LED 드라이버는 100 Hz로 1,000:1 PWM 디밍 비율이 가능하다. 〈그림 1〉의 2 MHz 부스트 LED 드라이버는 〈그림 7a〉에서 보는 것과 같이 120 Hz로 2,000:1의 디밍 비율을 달성할 수 있다.

또한 〈그림 7b〉에서 보는 것과 같이 동일한 회로를 RP 핀으로 122 Hz 주파수 저항을 연결하고 PWM 핀 전압을 1.0V ~ 2.0V사이로 설정함으로써 최대 128:1에 이르는 내부 PWM 디밍을 하도록 설정할 수 있다. 애플리케이션에 따라서는 LT3922를 최대 5,000:1 외부 PWM 디밍을 하도록 설정할 수 있으며, PWM 디밍과 LT3922의 아날로그 디밍을 결합함으로써 50,000:1 이상의 밝기 제어가 가능하다.


머신 비전

제조 어셈블리 라인 애플리케이션에서는 고속 디지털 사진술과 디지털 이미지 프로세싱을 결합한 머신 비전(그림 8)을 사용해 빠르게 시각적인 검사를 할 수 있다. 그럼으로써 사람의 개입을 거의 또는 전혀 필요로 하지 않고서 결함이 있는 제품을 빠르게 식별하고 격리시킬 수 있다. 머신 비전 시스템에 사용되는 조명은 어셈블리 라인 프로세스의 속도와 동기화해야 하며 일정하지 않은 오프시간 간격에도 불구하고 일관된 광 펄스를 발생시킬 수 있어야 한다.

기존의 LED 드라이버는 어떠한 지속적인 시간 간격으로 PWM 입력 신호를 낮게 유지하고 있은 후에 일관된 출력 전압을 유지하지 못한다. 이것은 출력 커패시터가 점차적으로 방전되기 때문으로, 기존의 LED 드라이버는 이러한 애플리케이션에 사용하기에 적합하지 못하다. 그런데 LT3922는 PWM 신호의 하강 에지에 컨버터의 출력 상태를 디지털로 샘플링한다.

 

그런 다음 LED가 하이사이드 PMOS와 차단되어 있는 PWM 오프 시간에 ‘유지 스위칭(maintenance switching)’을 해서 지속적인 오프 시간 간격에 이 출력 전압을 유지한다. 100Hz 이상의 표준 PWM 디밍 시에는 아무리 긴 오프 시간이라도 10 ms 미만이며, 이 시간이면 출력으로부터 누설 전류가 그렇게 많지 않다. 하지만 머신 비전과 스트로브 애플리케이션은 오프 시간이 100 ms에서부터 5s까지로(혹은 그 이상으로) 길 수 있으며, 수십 또는 수백 배 더 많은 누설이 가능하다.

 

유지 스위칭을 사용함으로써 LT3922가 앞서 샘플 사이클에 기록한 전압을 출력 커패시터가 유지할 수 있다. 컨버터의 상태를 디지털 샘플링해 이것을 무한정하게 저장하므로 마치 IC로 비중단 입력 전력을 제공하는 것과 같다. 그럼으로써 <그림 9>에서 보는 것과 같이 특정한 오프 시간 후에도 일관된 출력 전류 파형을 유지할 수 있다.

맺음말 

LT3922 36V LED 드라이버는 동기 2A 스위치를 통합한 컴팩트하면서 범용성 뛰어난 LED 드라이버다. LT3922는 손쉽게 부스트, 벅, 부스트-벅 토폴로지로 구성할 수 있다. 어떤 토폴로지이든 높은 PWM 디밍과 내부 PWM 디밍 같은 IC의 모든 기능을 그대로 사용할 수 있다. 또한 Silent Switcher 레이아웃과 SSFM을 사용해서 편리하게 낮은 EMI를 달성할 수 있다. 내부적으로 통합한 동기 스위치는 최대 2 MHz 주파수로도 높은 효율을 유지한다. 또한 견고한 결함 보호 기능들을 통합함으로써 자동차 및 그 밖의 까다로운 애플리케이션들의 요구를 충족한다. 

<저작권자(c)스마트앤컴퍼니. 무단전재-재배포금지>

본 기사의 전문은 PDF문서로 제공합니다. (로그인필요)
다운로드한 PDF문서를 웹사이트, 카페, 블로그등을 통해 재배포하는 것을 금합니다. (비상업적 용도 포함)
 PDF 원문보기

  • 100자평 쓰기
  • 로그인

태그 검색
본문 검색
TOP