고휘도 LED는 일반 조명 및 전문 조명에 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 광원들은 효율성이 우수하고 스트링의 연결 구조, 디밍 기능 지원, 색상 혼합 등에서 상당한 유연성을 제공한다. 여기서는 LED 드라이버의 정전류원으로 사용되는 인버스 벅 컨버터의 출력 전압 추정 방법을 제안하고, 60W 다중 채널 LED 드라이버 프로토타입에 대한 분석, 시뮬레이션 및 측정 결과를 제시한다.

출력 전류에 대해 높은 정확도를 달성하는 방법으로 보통 2단 배열(Dual Stage Arrangement)을 사용한다. 첫 번째 단은 일반적으로 AC 전원에 바로 연결되어 안정화된 DC 전압을 제공하고, 두 번째 단은 스텝－다운 스위치 모드 전류 발전기로 구성되어 있다. 보다 높은 복잡성이 꼭 필요한 경우 이러한 배열이 거의 항상 적용되는데, 예를 들면 컬러 조명 드라이버와 백열등 효과 램프 같은 것이 있다.
대부분의 경우, 스텝－다운 전류원은 인버스 벅 토폴로지로 구현한다. 다양한 제어 알고리즘을 사용할 수 있지만, 제어 전류에 대해 높은 수준의 정확도를 달성하기 위해 모두 부동 전류 판독(Floating Reading) 기능을 요구하는데, 그 이유는 부하(LED)가 컨트롤러에 대해 부유 전류인 공통 전위
로 되기 때문이다. LED에 배치되는 모든 회로들은 결과적으로 정확도와 효율을 저하시킨다.
여기서 제안된 애플리케이션은 특별히 피크 전류 모드에서 동작하면서 제어 스위치의 고정 오프 타임을 유지하도록 구성된 변형 벅 컨버터를 적용하고 있다. 이와 같은 접근법은 입력 전압 변동에 대해 매우 안정적이며 내성이 강하지만, 생성된 전류가 출력 전압에 대해 명백한 종속성을 갖는다. 여기서 제안하는 것은 출력 전압 감지를 위한 전용 부품을 사용하지 않고, 위에서 언급한 종속성을 극복하는 것이다. 그래서 60W 다중 채널 LED 드라이버 프로토타입을 개발하고 모든 관련 특성들을 조사했다.
첫 번째 장에서는 FOT 기법 사용에 따른 장점과 시스템 변수에 대한 종속성에 중점을 두고 제안한 애플리케이션의 범위에 대해 기술한다. 두 번째 장에서는 제안 내용의 이론적인 평가와 구현 방법에 대해 설명하고, 세 번째 장에서는 프로토타입을 통해 수집한 측정 결과에 대해 기술한다.

제안 범위

그림 1. 디지털 벅 컨버터

인버스 벅 컨버터(Inverse Buck Converter, 그림 1)의 정전류를 제어하는 데 사용되는 가장 정확한 방법은 션트 레지스터 또는 전류 트랜스포머(CT ; Current Transformer)를 통해 LED 전류를 판독하는 제어 루프를 구성하는 것이다. 이들 솔루션 모두 상당히 고가이면서도 비효율적이다. 더 정확하게 말하면, 히스테리시스를 사용하는 비교기(Comparator)를 통해 인덕터에 정전류의 리플 특성을 가진 전류를 공급할 수 있지만, 이와 같은 솔루션은 여전히 복잡하다.
천이 모드(TM ; Transition Mode)로 동작하는 피크 전류 제어 방식이나 스위칭 주기의 오프 타임 간격을 일정하게 유지하는 방식(FOT)은 모두 동일한 정전류의 리플을 얻을 수 있다.
첫 번째 방법은 입력 전압 변동에 민감하지 않으며 LED 전류가 제어 피크 전류의 1/2과 같아 간단히 구현할 수 있지만, 높은 전류 리플을 처리하기 위해 상대적으로 큰 인덕턴스와, LED에 영향을 미치는 큰 전류 리플을 방지하기 위해 큰 출력 커패시터 및 영전류 감지 기능(ZCD ; Zero Current Detection)을 포함하고 있다.
두 번째 방법도 입력 전압 변동에 대해 민감하지 않지만, 작은 벅 인덕턴스와 출력 커패시터를 사용할 수 있으며(결과적으로 간단한 HF 리젝터를 사용할 수 있다), ZCD는 필요 없고 단지 오프 타임 지속 기간을 정의하기 위한 타이밍 입력만 필요하다.
그러나 이 방법은 출력 전압 변동에 매우 민감하며 이러한 변동은 인덕터의 출력 리플에 직접적으로 영향을 주기 때문에 결과적으로 출력 전류에 영향을 미친다.
인덕터의 평균 전류는 LED의 평균 전류와 동일하며, 식(1)을 통해 구할 수 있다.

인덕터의 리플 전류는 식(2)를 통해 구할 수 있다.

벅 컨버터가 동작할 때 오프 타임이 변하지 않는다면 LED의 전압은 온도 및 수명에 따른 평균 전류 수준에 따라 변동하므로 LED의 평균 전류는 LED 전압 변동에 비례하여 변한다. 즉, 다음과 같다.

LED의 전압은 비례적으로 상당한 변동( > 10%)이 발생할 수 있으므로, LED 전류가 엄격히 제어되어야 할 경우 오프 타임 지속 기간을 변화시키기 위해 LED 단자에 걸리는 전압차에 대한 측정이 일반적으로 필요하지만, 모든 것이 분산(Dissipative), 부동(Floating) 또는 복잡한(Complex) 회로들을 포함하고 있다.

제안의 구현

그림 2. ‌설정된 LED 전압 조건에서 LED 전류의 전압 추정값 오차 비율을 나타낸다

제안은 이러한 가정에 근거하고 있으며 그림 1에 나타난 디지털 인버스 벅은 벅 컨버터의 일반적인 관계를 따른다.
인덕터의 전류 리플과 최대 동작 주파수(출력 전압이 입력 전압의 1/2일 때 얻을 수 있다)가 주어지면 공칭 오프 타임이 정의된다.

동작 중에 LED의 전압 변화를 고려한 인덕터의 리플 전류를 유지하기 위해 OFF 및 ON 상태에서 인덕터의 리플 전류를 표현하는 식 (4)를 통해, 출력 전압(Vled)을 주기적으로 추정한다.

LED의 전압을 추정하는 데에는 현재의 Toff 값이 필요하며, Ton 값은 클록 주파수(fclk)로 동작하는 n－bit 카운터를 사용하여 식 (5)와 같이 주기적으로 구할 수 있다.

여기서 N은 인덕터의 피크 전류에 도달했을 때 구한 카운터 값이다.
식 (2)에서 추정한 LED의 전압을 사용하여 벅 컨버터에 설정할 새로운 Toff 시간을 찾았다. 이 방법의 정확도는 카운터의 클록(fclk), 컨트롤러의 획득 시간과 인덕터의 피크 전류가 도달했을 때의 시간 사이 지연에 의해 영향을 받으며 이런한 지연은 최소화되어야 한다. 가능하다면 회로 구성 요소(저역 통과 필터, 비교기, 동기화 등)의 일반적인 지연들을 고려하여 보상해야 한다.

프로토타입 측정 결과

다음으로 위에서 설명한 LED 전류 제어 방법을 구현한 인버스 벅 프로토타입에 대해 몇 가지 측정한 결과를 제시한다. 벅 프로토타입은 48Vdc를 공급받으며, LED 스트링은 정전압 모드로 동작하는 능동 부하로 에뮬레이션했다. 그림 2에서는 설정된 LED의 전압 조건에서 LED 전류에 대한 전압 추정값(Vled)의 오차 비율을 제시했다.

그림 3. ‌설정된 LED 전류값에서 넓은 LED 전압 변동에 대한 LED 측정 전류의 변동

그림 4. 측정한 LED 전류와 설정값 전류 사이의 상대 오차

그림 3은 설정된 LED 전류값에 있어서 넓은 LED 전압 변동에 대한 LED 측정전류(Iout)의 변동을 나타낸 것이다. 그리고, 그림 4는 측정한 LED의 전류와 설정값 전류 사이의 상대 오차이다.
여기서는 인버스 벅 컨버터의 정전류 제어 방식으로, FOT 동작을 통해 출력 전압을 추종하는 방법에 대해 살펴보았다. 그 결과, 일반적으로 채택되는 다른 방법들을 통해 얻을 수 있는 결과와 거의 동일하다는 것을 알 수 있었다.

참 고 문 헌

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Stefano Segantin, Francesco Ferrazza / STMicroelectronics