[논문]파워 LED 구동을 위한 정전류 제어기 설계

김응석; 김철진

doi:10.5370/kiee.2010.59.3.555

파워 LED 구동을 위한 정전류 제어기 설계
A Constant Current Controller Design for Power LED Drive 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.3, 2010년, pp.555 - 561

김응석 (한라대학교 제어계측공학과) , 김철진 (한라대학교 제어계측공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the constant current controller is designed to regulate the driving current of a power LED. The controller design model of the power LED including its driving circuit is proposed to design the constant current controller. A buck converter is also introduced to drive the power LED. The...

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문제 정의

또한, 시스템 파라미터가 변하더라도 오차보상이 이루어지므로 정상상태 오차는 계속 ‘0’으로 수렴하게 됨을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 PI제어기를 이용한 LED 구동 시스템을 구현하기로 한다. 그림 3.
본 논문에서는 Power LED의 정전류 구동을 위한 제어기 설계 및 구현 문제를 다루고자 한다. LED의 정전류 구동을 위해서는 정전류 구동부, 전류측정부 및 전류제어부가 적절히 설계되고 작동될 수 있어야 한다.
본 논문에서는 Power LED의 정전류 구동을 위한 제어기 설계 및 구현 문제를 다루었다. LED의 정전류 구동을 위한 정전류 구동부, 전류 측정부 및 전류제어부의 설계 시 LED의 비선형 임피던스 특성을 고려하였다.

제안 방법

1에 나타내었다. LED 구동부는 일반적인 벅 타입 컨버터와 FET 스위치를 적용하였고, 전류의 측정은 검출저항 양단 전압을 측정하여 환산하는 방식을 채택하였다. 전류 측정치는 8-bit 마이컴의 ADC로 입력받아 PI 제어 알고리즘에 이용하여 PWM 듀티비로 환산하였다.
본 논문에서는 벅타입 컨버터를 이용하기로 한다. LED 및 구동회로의 파라미터 불확실성을 고려한 수학적 모델을 정립하고, 이를 고려한 PI 전류 제어기 설계에 적용한다. 전체 시스템의 구성은 디지털제어기와 아날로그회로가 혼합된 형태이다.
LED의 정전류 구동을 위한 정전류 구동부, 전류 측정부 및 전류제어부의 설계 시 LED의 비선형 임피던스 특성을 고려하였다. LED의 비선형특성을 고려한 수학적 모델을 정립하고, 이를 PI 전류제어기 설계에 적용하였다. LED구동 전류는 벅(buck) 방식을 이용하여 구현하였으며, 전체 시스템의 구성을 디지털 PI 제어기와 아날로그회로가 혼합된 형태로 하였다.
본 논문에서는 Power LED의 정전류 구동을 위한 제어기 설계 및 구현 문제를 다루었다. LED의 정전류 구동을 위한 정전류 구동부, 전류 측정부 및 전류제어부의 설계 시 LED의 비선형 임피던스 특성을 고려하였다. LED의 비선형특성을 고려한 수학적 모델을 정립하고, 이를 PI 전류제어기 설계에 적용하였다.
LED의 정전류 제어를 위해서 여러 종류의 컨버터를 설계에 반영할 수 있으나 본 논문에서는 벅 타입(Buck Type) 컨버터를 적용하기로 한다. 벅 타입 DC/DC 컨버터는 스위치의 ON/OFF 동작을 반복하므로 회로는 비선형이 되고 동작해석의 모델링은 매우 복잡하다.
5의 등가회로와 동일하다. 따라서 본 논문에서는 마이컴의 PWM 출력전압 5[V]를 그대로 활용할 수 있는 장점이 있으므로 그림 4.1과 같이 전체 시스템을 구성하였다. 단, 검출저항의 양단전압 역시 PWM 파형과 동일한 주기의 구형파가 되므로 전류검출 회로 설계에 이를 반영해야 한다.
LED 정전류 구동을 위한 컨버터 회로에는 LLC 타입 공진형 컨버터[2]~[4],[12] 와 벅타입 컨버터[1],[5],[10],[11] 등이 있다. 본 논문에서는 벅타입 컨버터를 이용하기로 한다. LED 및 구동회로의 파라미터 불확실성을 고려한 수학적 모델을 정립하고, 이를 고려한 PI 전류 제어기 설계에 적용한다.
본 논문의 실험에서 사용한 LED(Golden Dragon LUW W5AM)의 V-I 특성 파악을 위하여 LED 양단 전압을 0V~ 3.3V 까지 0.1V씩의 변화를 주면서 관찰하였다. 아래의 그림 2.
15[Ω]에 대하여 저항 양단전압을 전류로 환산할 경우 구동전류의 최대치는 약 333[mA]이고 최소치는 약 320[mA]이다. 실제 상용 LED 조명 시스템에서는 위의 실험에서와 같이 전원전압이 극단적으로 변하지는 않겠지만 본 논문의 실험에서는 제어기의 강인한 특성 파악을 위해 LED 가 파손되지 않는 범위 내에서 전원전압을 크게 변동시켜보았다. 그림 4.
따라서 R_L의 변동 범위를 사전에 충분히 고려하여 제어기 파라미터 설계에 반영해야 한다. 이를 위한 이론적인 방법에는 여러 가지가 있으나 본 논문에서는 전원전압을 12[V]~16[V] 사이에서 임의로 변경시켜 인가할 때 LED 측 전류의 변동이 가장 적으면서 기준전류로의 복구가 가장 빠른 PI 이득을 선정하였다. 본 논문에서 제안한 LED 정전류 구동 PI 제어기의 성능 시험에 대한 결과를 분석하면 다음과 같다.
LED 구동부는 일반적인 벅 타입 컨버터와 FET 스위치를 적용하였고, 전류의 측정은 검출저항 양단 전압을 측정하여 환산하는 방식을 채택하였다. 전류 측정치는 8-bit 마이컴의 ADC로 입력받아 PI 제어 알고리즘에 이용하여 PWM 듀티비로 환산하였다. 8-bit 마이컴의 PWM 듀티비 분해능은 10bit이다.
1의 시스템 구성도로부터 전류측정용 저항의 위치로 인해 FET가 ON 상태이고 인덕터에 에너지의 저장이 이루어질 때 전류측정 신호가 나타나게 됨을 알 수 있다. 전류측정신호가 불연속이기 때문에 쇼트키다이오드를 이용한 간단한 피크홀드 회로를 전류측정 증폭기의 출력단에 적용 하였다. 피크홀드회로는 회로 내의 저역통과필터가 전류측 정신호의 평균을 얻을 수 있을 만큼 충분히 낮은 컷오프 주파수를 갖도록 설계해야 한다.

이론/모형

LED의 비선형특성을 고려한 수학적 모델을 정립하고, 이를 PI 전류제어기 설계에 적용하였다. LED구동 전류는 벅(buck) 방식을 이용하여 구현하였으며, 전체 시스템의 구성을 디지털 PI 제어기와 아날로그회로가 혼합된 형태로 하였다. 전체 시스템의 전원 전압이 변동하더라도 LED 구동전류는 일정범위 내에서 기준전류의 크기와 동일하게 유지됨을 확인할 수 있었다.
벅 타입 DC/DC 컨버터는 스위치의 ON/OFF 동작을 반복하므로 회로는 비선형이 되고 동작해석의 모델링은 매우 복잡하다. 본 논문에서는 회로평균 화기법을 이용하여 컨버터를 모델링한다. 그림 2.

성능/효과

위의 시뮬레이션 결과 그림 3.2 및 그림 3.3에서 알 수 있듯이 2차 시스템과 1차 시스템에 대하여 동일한 PI 제어기를 사용한 결과가 거의 유사함을 알 수 있다. 즉, 2차 시스템 모델에서 커패시터( C)가 다른 파라미터에 비해 상대적으로 무시할 수 있을 만큼 작아서 1차 시스템으로 저차화하더라도 PI 제어기 설계에는 큰 영향이 없는 것으로 판단된다.
LED구동 전류는 벅(buck) 방식을 이용하여 구현하였으며, 전체 시스템의 구성을 디지털 PI 제어기와 아날로그회로가 혼합된 형태로 하였다. 전체 시스템의 전원 전압이 변동하더라도 LED 구동전류는 일정범위 내에서 기준전류의 크기와 동일하게 유지됨을 확인할 수 있었다. LED 조명 시스템의 장시간 작동에 따른 L, C, R의 열화변형에 의한 파라미터 변동의 영향을 고려한 적응 제어기 및 슬라이딩모드 제어기 등의 설계 및 구현 문제를 다루는 것이 향후 계획이다.

후속연구

전체 시스템의 전원 전압이 변동하더라도 LED 구동전류는 일정범위 내에서 기준전류의 크기와 동일하게 유지됨을 확인할 수 있었다. LED 조명 시스템의 장시간 작동에 따른 L, C, R의 열화변형에 의한 파라미터 변동의 영향을 고려한 적응 제어기 및 슬라이딩모드 제어기 등의 설계 및 구현 문제를 다루는 것이 향후 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Power LED의 단점은?	또한 빛의 조도, 휘도, 파장 등 여러 부분을 제어할 수 있어 이를 통한 응용부분 또한 확대되고 있다. Power LED 의 단점으로는 발열이 심하고 이로 인한 반도체의 특성열화 로 인하여 전류량이 변화하고 밝기가 변화한다. 또한 기존의 정전압회로를 통하여 Power LED를 구동할 경우 밝기가 불안정하여 조명으로써의 역할을 할 수 없을 뿐만 아니라 Power LED 자체가 소손될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 Power LED의 정전류 구동은 필수 불가결한 요소이고 현재 Power LED사업에 있어 정전류 구동 드라이버가 가장 취약한 부분이라 할 수 있다.
	Power LED의 정전류 구동을 위한 제어기 설계시 어떤 것들을 고려하여 구현하였나?	본 논문에서는 Power LED의 정전류 구동을 위한 제어기 설계 및 구현 문제를 다루었다. LED의 정전류 구동을 위한 정전류 구동부, 전류 측정부 및 전류제어부의 설계 시 LED의 비선형 임피던스 특성을 고려하였다. LED의 비선형특성을 고려한 수학적 모델을 정립하고, 이를 PI 전류제어기 설계에 적용하였다. LED구동 전류는 벅(buck) 방식을 이용하여 구현하였으며, 전체 시스템의 구성을 디지털 PI 제어기와 아날로그회로가 혼합된 형태로 하였다. 전체 시스템의 전원 전압이 변동하더라도 LED 구동전류는 일정범위 내에서 기준전류의 크기와 동일하게 유지됨을 확인할 수 있었다.
	벅 타입 DC/DC 컨버터의 특징은?	LED의 정전류 제어를 위해서 여러 종류의 컨버터를 설계에 반영할 수 있으나 본 논문에서는 벅 타입(Buck Type) 컨버터를 적용하기로 한다. 벅 타입 DC/DC 컨버터는 스위치의 ON/OFF 동작을 반복하므로 회로는 비선형이 되고 동작해석의 모델링은 매우 복잡하다. 본 논문에서는 회로평균 화기법을 이용하여 컨버터를 모델링한다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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Stephen Bowling, "A Digital Constant Current Power LED Driver," Microchip Technology Inc. 2007.
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C. J. Kim, E. S. Kim, H. K. Shin, "A Study on the Power LEDs Drive Circuit Design with Asymmetrical Half-bridge Resonant Converter", ICEMS2009, DS1G4-11, Nov. 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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