차세대 스마트 LED 조명의 핵심, 디밍과 레귤레이션

  • 2018-05-03
  • 글 | 제임스 리(James Lee), 조명 부문 마케팅, 온세미컨덕터




설계자 및 소비자들이 보다 효율적이고 혁신적인 조명 솔루션을 찾게 되면서, 현재 및 미래의 시장 요구사항을 충족시키는 더 새로운 기술이 요구되고 있다.

조명은 가정, 직장 및 공공 건물을 밝히거나 안전을 보장하기 위해서는 물론, 단순히 분위기를 조성하기 위해서도 사용된다. 이처럼 조명은 우리 삶에 필수적이다. 실제로, 일반 건물 내 에너지 소비량의 약 25%를 차지하는 조명은 지구상에서 가장 많은 에너지가 소모되는 부문 중 하나이다.

오늘날 백열등 조명이 광범위하게 사용되고 있지만, 백열등 조명 솔루션은 매우 비효율적인 동시에 에너지 비용을 놀라운 속도로 증가시켜 자원 낭비의 심화를 초래하고 있다. 이에 각국 정부는 에너지 효율 관련 규제를 새롭게 도입함으로써 과도한 조명 사용 억제 방안을 모색 중에 있으며, 조명에 사용되는 에너지를 최대 40%까지 절감할 수 있는 LED와 같은 신기술이 각광받고 있다.

설계자 및 소비자들이 보다 효율적이고 혁신적인 조명 솔루션을 찾게 되면서, 현재 및 미래의 시장 요구사항을 충족시키는 더 새로운 기술이 요구되고 있다. 특히, 스마트 조명의 잠재력을 극대화하기 위해서는 더욱 정교하고 획기적인 접근방식이 필요하다.

이를 위해 온세미컨덕터(ON Semiconductor)와 같은 반도체 업계 선도기업들은 전력 변환 및 효과적인 디밍(dimming)과 관련해 조명 산업이 가지고 있는 과제를 해결하고, 높은 효율성뿐 아니라 그 밖에 다양한 이점을 제공하는 차세대 기술 개발에 힘쓰고 있다.

조명 설계자들이 직면한 과제

소비자의 요구사항이 점점 까다로워지고, 정부 규제가 강화되면서 조명 설계자들은 갈수록 어려운 도전 과제에 직면하고 있다. 에너지스타(Energy Star), 유럽연합(EU) 집행위원회와 같은 기관들은 조명을 포함한 전자기기의 효율성뿐 아니라, 시간이 지남에 따라 상당한 에너지 소비의 원인이 될 수 있는 대기전력 소비에도 초점을 맞추고 있다. 스마트 조명 솔루션의 경우 고민이 더 깊다. 제어 장치의 신호를 감지하기 위해서는 전원이 항시 대기 상태에 있어야 하는데, 그렇게 되면 전류가 계속해서 흐를 수 밖에 없기 때문이다.

현재 에너지스타 규정은 0.5W의 대기전력을 허용하는 반면, 캘리포니아 에너지 위원회(California Energy Commission) 같은 몇몇 단체는 대기전력 기준을 강화하기 위해 2019년까지 이를 0.2W로 낮추는 계획을 추진 중에 있기에 조명 설계자들에게 가해지는 부담은 더욱 가중될 것으로 보인다.

디밍은 조명 기술이 백열등에서 LED 중심으로 이동하면서 달라진 영역이다. 간단한 저항이나 트라이액(TRIAC) 기반 디밍은 더욱 정교한 PWM(Pulse-Width Modulation) 기술로 대체되고 있어 설계 시 다른 접근방식을 필요로 한다.

저전압 기술인 LED는 백열등과 달리 AC 입력전원으로 바로 구동하기 어렵다. 이는 애플리케이션에 따라 LED에 정전압(CV) 또는 정전류(CC) 피드를 제공할 수 있는 전원 공급 장치가 필요하다는 것을 의미한다. 전원 공급 장치는 조명 솔루션의 전반적인 효율에 지대한 영향을 미치기 때문에 LED 만큼이나 면밀한 조사를 거치게 된다.

현재 시장에는 겨우 몇 와트(W)부터 수백 와트에 이르는 다양한 전력량의 조명 솔루션이 있으며, 이를 구동하기 위한 전원 공급 장치의 설계 방식도 여러 가지다. 일반적으로 10W 미만의 저전력 수준에서 가장 널리 사용되는 솔루션은 싱글스테이지 토폴로지(single-stage conversion topology)이다.

다목적 솔리드 스테이트 라이팅(Solid-State Lighting, SSL)의 활용 사례가 늘어나고 있는 가운데, 이와 관련된 LED 및 전원 공급 장치가 협소한 공간에 적합한 형태로 진화하고 있다. 이는 조명에서 발생하는 열을 최소화하고, 조명 솔루션을 협소하고 밀폐된 공간에 안정적으로 설치하고 구동하기 위해서는 효율성이 매우 중요하다는 것을 의미한다.

LED 가격의 하락은 LED 조명 솔루션이 급격히 성장하는데 큰 기여를 했다. 그 결과 LED 전원 공급 장치가 아주 협소한 공간에서도 뛰어난 성능을 발휘하게 됐으며, 소비자와 설치 업체들은 전원 공급 장치에 대해서도 유사한 가격 하락을 기대하게 됐다.
이는 즉, 설계자들은 부품의 수를 줄이고, 전반적인 제조원가(BoM) 비용을 낮추기 위해 노력하고 있음을 시사한다.

조명용 전력 변환 장치에 대한 현대적 접근

현재 조명 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나는 25W에서 100W 사이의 콘센트 규격으로, 이는 주로 사무실, 공장, 가정 등 투스테이지(two-stage) 방식에 가장 흔히 사용된다. 많은 애플리케이션에서 전원 공급 장치는 PFC 플라이백(Power Factor Correction Flyback)에서 DC-DC 벅 컨버터로 이어지는 형태로 나타난다(그림 1).



이 방식은 특히 디밍이 필요한 솔루션에서 사용이 가능하다. 이를 통해 대기 모드에서 LED를 쉽게 차단하고 더욱 복잡한 조명 솔루션에 들어가는 여러 LED 스트링을 간단히 제어할 수 있다.

온세미컨덕터는 최근 두 개의 IC와 외부 부품 몇 가지를 활용해 고성능 조명 전원 공급 장치를 설계할 수 있는 통합 솔루션을 공개했다. FL7740은 싱글스테이지(Single-stage) 정전압 PSR(CV Primary Side Regulation) 컨트롤러로, 라인 및 부하 과도상태에서 오버슈트(overshoot)와 언더슈트(undershoot)를 출력 전압의 10% 미만으로 최소화하는 동적 기능(빠른 응답 시간 포함)을 내장해 ±3%의 정전압 레귤레이션을 지원한다(그림 2).



이 컨트롤러는 80~382V AC 범위의 범용 AC 입력에서 사용하여, 전 세계의 AC입력에서 사용 가능하다. 또한, 최대 100W까지 전력공급이 가능하며, 대기모드시 소비전력이 0.15W에 불과해 어느 규제 요건이든 가뿐히 충족시킨다. 뿐만 아니라, 스마트 조명 솔루션에 필수적인 ‘상시 켜짐(Always ON)’ 상태를 유지할 수 있는 역량을 제공한다.

내장된 PFC 회로는 10% 미만의 THD(Total Harmonic Distortion)로 제어하며, 최대 부하 조건에서 PF 0.9 이상을 달성할 수 있다. 또한, 선택형으로 제공되는 PF 옵티마이저가 사용될 경우 50% 부하 조건에서도 PF 0.9를 유지할 수 있다. FL7740는 이를 통해 다양한 부하 조건에서 입력 왜곡/장애를 최소화 할 수 있기 때문에 광범위한 애플리케이션에서 활용이 가능하다.

이 고성능 컨트롤러는 과부하 보호(Overload Protection), 출력 다이오드 쇼트 보호(Output Diode Short Protection), 센싱 저항 쇼트 및 개방 보호(Sensing Resistor Short / Open Protection), VDD와 VS 과전압 보호 등을 비롯해 조명 시스템을 안전하게 구동하는 데 필수적인 여러 보호 기능을 포함하고 있다.

연속 전도 모드(Continuous Current Mode, CCM)로 동작하는 FL7760 벅(Buck) 컨트롤러는 2단계 변환방식을 사용한다. 또한, 8~60V의 폭넓은 입력 전압 범위에서 구동되며, 150 μA에 불과한 소비전력으로 아날로그 방식과 PWM 방식의 디밍을 모두 지원한다(그림 3).



FL7760의 PWM 디밍은 1~100%까지의 전체 출력 범위를 지원하지만, 특정 동작 조건에서 PWM의 동작 주파수로 인해 플리커(Flicker, 빛 깜빡임) 현상이나 가청 소음이 있을 수 있다. 아날로그 디밍방식은 디밍 범위가 5~100%로, 보통 15~100%에 그쳤던 기존 기술에 비하면 상당히 향상된 수준이다. 아날로그 디밍 방식은 PWM에 존재하는 단점이 없어 대체적으로 선호되는 편이며, FL7760은 이를 실행 가능한 옵션으로 제공하는 최초의 컨트롤러이다.

아날로그 디밍 범위의 임계값인 5%의 넓은 출력 범위를 지원하는 FL7760의 주요 장점은 아날로그와 PWM 방식을 결합하여 두 방식이 완벽하게 통합된 혼합 디밍을 제공한다는 것이다. 이를 통해, 플리커 현상이나 가청 잡음의 문제 없이 넓은 범위의 디밍을 지원한다. 또한, FL7740과 마찬가지로 FL7760은 과열 차단(Thermal Shutdown) 및 과전류 보호(Over-current Protection) 등을 포함한 여러 보호 기능을 제공한다.



LED 조명이 저전력 소모, 다 기능성, 스마트 조명 기기와의 고유한 호환성으로 인해 널리 보급됨에 따라, 설계자들은 낮은 대기전력으로 동작하고 폭넓은 디밍 범위를 지원하는 보다 향상된 LED 조명 솔루션을 요구하고 있다.

온세미컨덕터의 FL7740와 FL7760와 같은 반도체 디바이스는 설계자들이 고민하는 성능 문제를 해결해줄 뿐 아니라, 보다 적은 부품과 낮은 비용으로 최첨단 조명 전력 솔루션을 구현할 수 있도록 돕고 있다.
 

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