최근 조명 시장에서 LED 조명 기구의 성장세가 두드러짐에 따라, 원가 절감에 대한 요구가 커지고 있다. 그러나 저전력 LED 조명에 있어서는 낮은 가격에 의한 성능 저하가 우려되고 있다. LED 제조업체에서는 LED 출력 전압과 입력 전압이 거의 일치하며, 낮은 라인 리플과 높은 변환 효율을 제공하는 고전압 LED 조명기구가 활발히 개발되고 있다.
CrM 벅 토폴로지(Buck Topology)는 다음과 같은 이유로 우수한 구조를 갖고 있다고 할 수 있다.
•고전압 LED에서 FET와 출력 다이오드의 RMS 전류 스트레스는 낮지만 듀티는 비교적 높다.
•FET와 출력 다이오드의 낮은 전류 스트레스로, 보다 작은 용량의 FET 및 다이오드를 사용할 수 있으며, 이로 인해 재료 비용을 낮출 수 있다.
•표준화된 인덕터를 사용할 수 있으므로 추가적인 재료 비용을 낮출 수 있다.
NCL30002 CrM 벅 컨트롤러의 동작은 AND9094D에 자세히 나와 있다. 이 애플리케이션 노트에는 높은 역률과 낮은 리플을 구현하기 위해 주변 소자를 사용하는 방법이 설명되어 있다.
입력 벌크 커패시터는 JIS61000-3-2 Class C(일본)를 충족하도록 설계되었지만, 동일한 기본 설계는 예를 들어 그 표준이 적용되지 않는 미국, 캐나다, 라틴아메리카 등의 다른 저전압 제품 사용 지역에서 사용될 수 있다.
이 컨트롤러가 선택된 주요 이유는 485mV±2%의 전류 센싱 스레숄드를 갖고 있으며, 이로 인해 매우 정확한 출력 전류 레귤레이션 특성을 보이기 때문이다. 또 이 설계에서는 VCC 및 ZCD(Zero Current Detector)를 위한 보조 권선의 필요성을 줄이기 위해 인덕터를 변경했다. 이는 설계자들이 주문제작형 인덕터 대신, 기존의 표준화된 인덕터를 쉽게 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.
디자인 노트
회로도를 보면, VCC 파워 및 ZCD를 FET 드레인에서 구동되는 충전 펌프(Charge Pump) 회로로부터 공급된다는 것을 알 수 있다. 충전 펌프 회로는 C11, D9, R12로 구성된다. FET가 OFF일 때 드레인 전류는 C11을 충전하고, D9를 통해 VCC 커패시터로 제공한다.
그림 1. 회로도
그림 2. 드레인 전압 및 충전 전류의 시뮬레이션
그림 2, 그림 3은 충전 펌프 회로의 시뮬레이션을 나타낸 것이다. 그림 2에서 주목해야 할 사항은 전류가 인덕터에 의해 구동되므로 제한된다는 점이다. 드레인 전압은 EMI와 전력 손실(Power Loss)을 감소시키는 승압 시간(Rising Time)을 갖고 있다. FET는 낮은 전류로 빠르게 ON된다.
FET가 턴온되면 R12를 통해 충전 펌프 커패시터가 방전된다. ON 시간은 방전을 보장하기 위해 최소 C11 및 R12의 3?RC가 되어야 한다. R12는 C11의 완전한 방전을 허용하면서도 최저 방전 전류를 제공하도록 선택된다.
표 1. 테스트 조건
표 2. 기타 사양
기동
그림 3. FET 드레인 전압 및 충전 펌프 커패시터 전류
그림 4. CrM 제어에서 피크 전류와 평균 전류는 2 : 1이다
그림 5. 피드 포워드를 이용한 라인 레귤레이션 향상 방안
그림 6. 입력전압 변동에 따른 라인 레귤레이션 특성
기동 저항(Rstart)은 출력으로 연결된다. 이 타입의 연결에는 세 가지 장점이 있다.
① 고속 기동
기동 저항은 VCC 커패시터를 충전하면서 출력 커패시터를 미리 충전한다.
② 저손실
동작 시의 출력 전압은 입력 벌크 전압보다 훨씬 낮다.
③ OCP(Open Circuit Protection) 회로
출력 부하가 개방되면 스위칭 전류가 흐르지 않는다.
레귤레이션
그림 7. 입력전압 변동에 따른 효율 (Vf＝60Vdc)
그림 8. 입력전압 변동에 따른 전류 레귤레이션 (Vf＝60Vdc)
NCL30002 컨트롤러는 피드백 없는 피크 전류 제한 방식으로 동작한다. 내부 오차 증폭기는 R2/R3에 의해 바이어스된다. 또한 오차 증폭기 입력은 피드백 디바이더에 의해 감지되므로, 개방된 상태를 벗어나 컨트롤러가 정지된다. 타이밍 커패시터(C9) 값은 온 타임을 제한하지 않도록 충분히 크게 선택한다.
CrM 제어에서 피크 전류와 평균 전류는 2 : 1이다. 따라서 Rsense 선택에 따라 피크 전류 및 평균 전류를 제어한다. 오픈 루프 제어에서 출력 레귤레이션 에러의 주요 원인은 다음과 같은 두 가지다.
1. 감지 및 제어에서 전파 지연
전류 센싱의 지연은 오버슈트를 야기하며, 오버슈트는 입력 전압에 따라 증가하는 선형 특성을 가진다. 저주파 동작보다 고주파 동작에서 이러한 특성이 더 잘 나타난다.
2. 충전 펌프 동작
충전 펌프 커패시터는 드레인 전압 상승시간의 지연 효과를 초래한다. 이러한 효과는 높은 입력 전압 및 고주파 스위칭 주파수에서 더 뚜렷하다.
충전 펌프 벅 LED 드라이버는 단전원 입력 전압 범위 조건에서 최적으로 사용할 수 있다. 충전 펌프 전류는 주파수 및 전압에 따라 증가한다. CrM 동작의 특성으로 인해 주파수 및 전압이 함께 증가하며, 충전 펌프 커패시터는 최소 입력 전압 또는 최저 주파수에 의해 크기가 결정된다.
입력 라인 전압이 증가함에 따라 초과된 충전 펌프 전류는 D10에서 분산된다. 이 효과는 효율 곡선으로 나타나는데, 효율에 미치는 영향의 경우 저전력 애플리케이션에서 특히 유의해야 한다.
±3%의 레귤레이션은 단전원 입력 전압 범위에서 매우 우수하지만, 전류 센싱 회로부에 피드 포워드(Feed Forward)를 추가함으로써 라인 레귤레이션을 좀 더 높일 수 있다. 이 경우, 그림 5에 나타난 회로도와 같이 R13, R14를 추가하면 된다.
Onsemiconductor
