Technology Focus Ⅰ
디지털 신호 컨트롤러로 LED 조명에 지능형 제어 및 통신을 더하다
지능형 LED 조명 제어
LED 조명은 조명 시장에 새로운 변화를 가져오고 있으며, 디자이너들은 LED 조명 기구에 지능형 제어나 색상 혼합 등을 활용함으로써 새로운 기회를 창출하고 있다. 디지털 신호 컨트롤러는 자동차 전조등 및 후미등에서, 빌딩 전체를 하나의 캔버스로 사용하는 최신 조명기술 쇼에 이르기까지 다양한 애플리케이션의 혁신을 가능케 한다.
Charlie Ice Microchip Technology Inc.
LED의 높은 효율성, 디밍 기능, 긴 수명을 통해 조명 기구를 효과적으로 쉽게, 그리고 비용 대비 효율적으로 사용할 수 있다. 디지털 신호 컨트롤러(DSC : Digital Signal Controller)를 사용하면 효율적인 LED 구동과 정확한 제어는 물론, 외부 장치들과 원활하게 통신할 수 있다. 이러한 기능들을 바탕으로 디자이너는 차별화된 차세대 LED 조명 기구 개발에 보다 창의적으로 접근할 수 있다.
밝기 향상, 복잡성 증가
저전력 표시기 LED는 개발자들이 디자인을 단순화시키기 위해 많은 제품에서 이용하는 디바이스이다. 이를 사용하기 위해서는 전압 소스와, LED 전류를 5mA 미만으로 유지하는 데 필요한 정격 레지스터만 있으면 된다.
마이크로컨트롤러에서 GPIO 핀에 연결시키면 LED가 점멸하도록 할 수 있다. 그러나 350mA 이상의 순방향 전류를 사용하는 고휘도, 고전류 LED가 함께 사용되면서 LED 디자인은 점점 더 복잡해졌다. 디자이너들은 이제 온도 변화 및 LED가 스스로 발산하는 엄청난 열 문제는 물론, 전류 제어 문제까지도 고려해야 한다.
지능형 전류 제어
고휘도 LED는 밝기와 색상을 유지하기 위해 상대적으로 높은 전류를 지속적으로 유지해야 한다. 그림 1은 LED의 광속과 순방향 전류(IF)가 LED 내에서 비례 관계라는 것을 나타낸다. 따라서 지속적인 순방향 전류는 꾸준한 색상 및 밝기 출력에 있어서 매우 중요하다. LED에 간단한 저항기를 사용하면 순방향 전류는 다음 식으로 결정된다.
IF＝(VSource－VF)/R
소스 전압(VSource)은 다양하므로, 순방향 전류가 변화하면 LED에 의해 방출되는 빛의 양에도 변화가 발생한다. 따라서 LED는 순방향 전류를 능동적으로 조정하는 전원 공급 장치에 의해 구동되어야 한다.
온도 제어
LED의 순방향 전압(VF)은 일반적으로 순방향 전류가 일정하게 조정되는 데에도 불구하고 온도가 상승함에 따라 높아진다. 그림 2는 제대로 조정되지 않은 순방향 전류가 LED의 순방향 전압과 함께 변화하는 상태이며, LED의 순방향 전압보다 순방향 전류를 제어하는 것이 더욱 중요한 이유를 설명하고 있다.
고출력 LED의 경우 스스로 엄청난 열을 방출하는데, 이로 인해 LED의 수명이 감소하고 조기 파손(Premature Failure)이 발생할 수 있다.
LED의 순방향 전류를 동적으로 제어하면, 목표 순방향 전류와 예상 순방향 전압을 기초로 각 디자인에 따라 히트 싱크(Heat Sink) 레벨을 결정할 수 있다. 온도 센서를 사용하는 것 또한 온도 과부하 상황 발생 여부를 모니터링 할 수 있는 옵션을 제공한다.
정확한 색상 제어
LED는 광 출력을 거의 즉각적으로 변경할 수 있으므로 신속한 색상 변경이 필요한 조명 기구에 매우 이상적이다. 적색, 녹색 및 청색의 LED 배열은 각 LED의 밝기를 조절하는 것만으로도 어떤 색상이든 만들어낼 수 있다. 색상 제어를 위한 첫 번째 방법은 각 LED의 순방향 전류를 높이거나 낮추는 것이다.
그러나 이 방법을 사용하여 순방향 전압을 변경할 경우 밝기뿐만 아니라 LED의 색상에도 약간 영향을 미치므로, 정확한 색상을 필요로 하는 애플리케이션이라면 문제가 발생할 수도 있다.
또 다른 방법은 색상 변화 없이 동일한 디밍(Dimming) 효과를 제공하는 펄스 전류를 사용하는 것이다. 그림 3에 나타난 적색 도트 선은 밝기 변화를 가져오는 평균 펄스 전류이며, LED에서 지속적인 순방향 전류를 유지하므로 색상을 변화시키지 않는다.
디지털 디밍 제어
DSC를 기반으로 하여 펄스 전류 기법을 사용하면 디밍은 매우 단순해진다. DSC에 탑재된 고급 PWM 모듈을 사용할 경우 LED의 전원 상태를 제어하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
이러한 PWM 모듈은 오버라이드 입력(Override Input)을 통해 PWM 출력을 신속하고 정확하게 OFF할 수 있으며, LED의 전류를 제어하여 LED가 디밍될 수 있도록 한다. 디밍의 양은 0부터 최고 밝기를 나타내는 값 사이의 숫자로 수량화할 수 있다.
LED를 50% 밝기로 설정하려면 0부터 255까지 카운트하고, 카운트 값이 128에 도달하는 순간 PWM 오버라이드를 트리거한다. 이후 PWM 출력은 OFF되고 LED에서 전류 공급이 중지된다. 카운터가 최고값인 255에 도달하면 이는 0으로 리셋되고 PWM은 다시 활성화된다.
이러한 프로세스는 LED를 디밍하는 데 필요한 펄스 전류를 생성하기 위해 그림 4와 같이 반복된다. 디밍 주파수는 육안으로 LED의 깜빡임을 인지할 수 없을 정도로 빨라야 하므로, 일반적으로 400Hz 이상의 주파수가 사용된다.
디지털 LED 구동
DSC는 디밍 제어와 함께 고휘도 LED의 순방향 전류를 제어하기 위해 능동형 전원 공급 장치를 제공한다. LED 전원 공급에는 벅 및 부스트 SMPS(Switch Mode Power Supply) 토폴로지를 모두 사용할 수 있으며, 이를 통해 DSC 지능형 제어를 구현할 수 있다.
벅 토폴로지는 LED의 순방향 전압이 소스 전압보다 낮을 때 사용된다. 그림 5의 토폴로지 상에서 PWM은 스위치(Q)가 닫혔을 때 LED의 순방향 전류에 상응하는 감지 저항기(Rsns)에 흐르는 전압과 스위치(Q)를 제어한다.
DSC 콤퍼레이터는 저항기(Rsns) 상의 전압을 LED의 요청 순방향 전류에 비례하는, 설정 가능 내부 레퍼런스와 비교한다. 감지된 전압이 내부 레퍼런스보다 높은 경우, 아날로그 콤퍼레이터는 PWM의 오프닝 스위치(Q)를 비활성화하여 인덕터(L)로 다이오드(D)와 LED에 저장된 전류를 방전시킨다. 후속 PWM 주기 시작 시 스위치(Q)는 폐쇄되며 프로세스는 다시 시작된다. DSC의 고급 기능에서는 이 방법을 통해 CPU 오버헤드를 사용하지 않고도 LED의 순방향 전류를 동적으로 제어할 수 있다.
부스트 토폴로지는 그림 6과 같이 LED의 순방향 전압이 소스 전압보다 큰 경우 사용된다. PWM은 벅 토폴로지와 같이 스위치(Q)를 제어하며, 순방향 전류는 감지 저항기(Rsns) 상에서 모니터링된다.
DSC의 ADC 모듈은 LED의 순방향 전류에 대응하는 감지 저항기의 전압을 샘플링한다. 이 값은 PI(Proportional Integral) 제어 루프에 의해 사용되며, DSC 상에서 소프트웨어에 의해 실행되어 요청 전류에 해당되는 ADC 읽기 및 소프트웨어 레퍼런스 값에 기반하여 스위치(Q)의 듀티 사이클을 조정한다. PI 제어 루프를 소프트웨어로 구현함에 따라, DSC는 다양한 제어 루프 기법을 사용할 수 있는 유연성을 제공한다.
PI 제어 루프용으로 CPU 오버헤드를 최소화하는 것 또한 DSC를 통해 복수의 LED를 제어함과 동시에, 부가 기능을 지원하기 위해 여분의 처리 능력이 있다는 것을 나타낸다.
디지털 통신
DSC는 LED 조명기구의 지능형 제어를 위한 처리 능력을 갖고 있으며, 또한 별도의 통신 및 제어 장치 없이도 통신 프로토콜을 구현할 수 있다. 예를 들어 DMX512 조명 제어 프로토콜의 경우, 하나의 마스터와 복수의 슬레이브를 통한 표준 단방향 통신을 사용하여 개별 조명 기구에 패킷당 512byte로 명령을 전송할 수 있으며, 각 디바이스 또는 노드에 개별 어드레싱 할 수 있다.
DSP의 고속 프로세싱 기능은 최우선 순위로 부스트 컨버터용 PI 컨트롤러와 같이 신속한 제어 루프를 실행하며, 백그라운드에서는 DMX512와 같이 통신 프로토콜을 실행한다. 통신 기능은 소프트웨어에서 구현되므로 이는 단일 프로토콜에 제한되지 않으며, 어떠한 조명 기구라도 통신 기법을 사용하여 제어할 수 있다.
기술 구현 시간 단축
새로운 기술이 으레 그렇듯이 디지털 LED 제어 또한 가파른 학습 곡선을 갖고 있지만, 이는 디지털 제어 LED 조명 키트, 레퍼런스 디자인 및 애플리케이션 노트를 통해 완화될 수 있다. 일반적으로 여기에는 무료 소스코드 및 하드웨어 문서가 포함되며, 서로 다른 전력 토폴로지를 지원하기 위한 상호 교환 파워 스테이지가 제공될 수 있다.
예를 들어 디자이너들이 마이크로칩 테크놀로지의 LED 조명 개발 키트(DM330014)를 사용할 경우, LED 드라이버 도터 카드를 통해 동일한 보드에서 복수의 드라이버 스테이지를 실습할 수 있다.
LED의 높은 효율성과 즉각적인 디밍 능력은 앞으로도 색상 조합과 다른 조명 애플리케이션에서도 새로운 혁신을 불러일으킬 것이다. DSC의 지능형 제어와 통신 기능을 추가함으로써, 디자이너들은 향상된 기능 및 성능으로 조명 애플리케이션의 차별화와 함께 눈길을 사로잡을 수 있는 LED 조명 기구를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
