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문제 정의
- 본 논문에서는 회로를 간단하게 하기 위해 링 발진기를 사용하였으며 이 회로는 칩으로 제작할 시 면적을 작게 차지하는 장점이 있다.
- 조명에 사용되는 전력을 저감하고 조명설비에 대한 상시진단 및 제어를 위해, LED 조명등은 원격제어기능에 대한 필요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 조명용 LED 구동에 있어 시리얼 통신을 이용한 원격제어가 가능하도록 구현하였다. 이를 이용하면 각각의 LED조명등에 고유 식별번호가 부여되고, 중앙 시스템을 통해 원격제어가 가능해진다.
- 송신기는 먼저 1과 0을 번갈아 전송한다. 이것은 수신 단에서 신호의 주파수 및 주기를 검출하여 송신기와 수신기의 동기를 맞추는 것이 목적이다. 수신기는 들어오는 신호의 에지를 감지해서 한 주기에 해당하는 시간의 50/100지점부터 상승에지를 가지며 데이터의 전송속도와 동일한 클럭을 만들어 낸다.
제안 방법
- 본 연구에서 개발된 LED 구동 및 제어회로는 출력 LED를 위한 밝기제어, 온도제어, 과전류제한, ON-OFF제어 및 인체감지센서에 의한 절전제어 기능을 가진다. ON-OFF 제어와 절전제어 기능은 시리얼 통신방식으로 제어할 수 있도록 하였다. 전류제어를 위해 구조적으로 간단하며 디지털 소자로 구현될 수 있는 전압조정 링 주파수 발진기를 사용한 PWM회로가 사용되었으며, 이 회로는 2개의 기본적인 디지털 게이트 소자가 사용되어 회로가 간단하고 모두 디지털 칩 제조공정으로 제작할 수 있는 장점이 있다.
- 총 14개의 LED를 구동할 수 있어야 하고 전력마진을 고려하면 최소 42[V]이상의 전압을 공급할 수 있어야 한다. 따라서 12[V]를 42[V]이상의 전압으로 끌어올릴 수 있는 부스트 컨버터 방식을 채용하였다.
- 따라서 전체 Ts 시간 이내에 위의 두 동작을 완료해야 한다. 본 연구에서는 전체 Ts의 70[%]이내에 위의 동작을 이루도록 설계하였다. 따라서 인덕터 L1에 흐르는 전류의 최대치는 다음과 같은 공식을 이용하여 계산할 수 있다[5].
- 발진기 출력 신호의 주기(T)는 변수 C와 R, 그리고 VDD에 따라 변한다. 그 중에서 가변이 용이한 R과 VDD를 조정하여 LED제어를 위해 다양한 기능을 가능하도록 하였다.
- 이때, R2에 발생하는 전압을 기준전압과 비교하여, 과전압이 감지되면 MOSFET M1의 게이트 전압을 0[V]로 유지시킴으로 M1의 스위칭 동작이 멈추게 된다. 본 연구에서는 48V이상의 출력전압이 발생하면 M1이 꺼지도록 설계하였다. 이러한 과전압 방지회로를 통하여 LED의 최대 구동 전압을 제한할 수 있다.
- 개발된 LED 조명제어기는 4가지 주요 명령어를 통해 원격으로 LED 조명 제어가 가능하도록 설계되었다. 명령어는 응급상황 시 깜박거리는 조명을 유발하기 위한 Emergency 명령어, LED조명등을 켜기 위한 ON 명령어, LED조명등을 끄기 위한 OFF 명령어, 인체감지 센서를 이용하여 조명원 주위에 사람이 없으면 자동으로 LED조명을 끄기 위한 Saving 명령어로 구성되어 있다.
- 그림 1의 전체 LED구동시스템 중에서 LED구동제어부분(그림 1에서 LED 구동 IC로 명명된 부분)과 통신부분(그림 1에서 Communication으로 명명된 부분)은 칩으로 제작되었으며 그림 1의 나머지 부분은 기존 부품들을 이용하여 하이브리드 형태로 제작되었다. 칩으로 제작된 부분에 대해 우선 설명하고 제작된 칩과 다른 칩을 이용하여 전체 회로를 구성한 부분과 이들 보드에 대한 실험결과를 차례로 기술한다.
- LED가 최대의 출력을 내도록 조정한 상태에서 입력 전원 공급전압과 전류 및 LED 열(string) 양단 전압과 전류를 측정하였다. 입력전원공급전압이 11.
- 밝기조절, 온도제어, 전류제한 및 통신 기능을 가지는 고출력 LED 구동회로를 설계 및 제작하였다. LED구동회로의 PWM제어기를 위해 CMOS 링 발진기의 발진주파수를 변화시켜 PWM신호의 듀티 사이클을 조절하는 회로를 개발하였다.
- 밝기조절, 온도제어, 전류제한 및 통신 기능을 가지는 고출력 LED 구동회로를 설계 및 제작하였다. LED구동회로의 PWM제어기를 위해 CMOS 링 발진기의 발진주파수를 변화시켜 PWM신호의 듀티 사이클을 조절하는 회로를 개발하였다. 이 회로는 기존의 회로에 비해 매우 간단하여 모든 회로가 디지털게이트로 구성되어 있어서 디지털 칩 제작공정을 활용할 수 있으며, 크기가 작아서 제작될 때 비용절감효과를 낼 수 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 차량용 실내조명이나 작업등으로 활용될 수 있는 12[V]-10[watt]급 LED 조명제어기를 설계하고 제작하였다. 제작된 회로의 일부는 칩으로 구현되었다.
- 연구에 사용된 LED는 OSRAM사의 LUW_W5AM으로 개당 1.12[Watt](at 3.2[V], 350[mA])의 전력을 소모하며 효율은 77[lm/W]이다. 따라서 최소한 10[Watt](770[lm])로 조명용 전력을 소비하도록 설계하면, 약 9개의 LED가 필요하다.
- 따라서 최소한 10[Watt](770[lm])로 조명용 전력을 소비하도록 설계하면, 약 9개의 LED가 필요하다. 약 30[%]의 전력마진을 두어 총 14개의 LED를 사용하였다.
- 위의 조건을 충족시키는 코일은 L=22[μH]와 3.6[A]의 전류수용능력, 1.35[cm3]의 부피를 가지고 있는 국내 제품을 사용하였다.
- 주파수가 높으면 전체회로의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있으나 MOSFET의 스위칭 손실은 증가한다. 본 논문에서는 원활하고 안정적인 제어를 위해서 스위칭 주파수를 100[kHz]로 선정하였다.
- 본 연구에서 사용한 MOSFET M1은 항복전압 55[V], 최대 전류수용능력 17[A]를 가지는 International Rectifier 사의 IRFR024N을 사용하였다.
- 위의 요구조건을 만족하도록 하는 MOSFET를 사용하면 된다. 본 연구에서는 M1과 동일한 MOSFET를 사용하였다.
- 5)이다. 본 연구에서는 10[uF] 50[V] 캐패시터를 사용하였다.
- 본 논문에서 설계한 PWM 제어기는 CMOS 링 발진기 두 개로 구성되어 있다. 첫 번째 발진기는 100[Hz]의 고정된 신호를 발생시키는 기준발진기이며, 나머지 하나는 5.
- 그림 1의 전체 LED구동시스템 중에서 LED구동제어부분(그림 1에서 LED 구동 IC로 명명된 부분)과 통신부분(그림 1에서 Communication으로 명명된 부분)은 칩으로 제작되었으며 그림 1의 나머지 부분은 기존 부품들을 이용하여 하이브리드 형태로 제작되었다. 칩으로 제작된 부분에 대해 우선 설명하고 제작된 칩과 다른 칩을 이용하여 전체 회로를 구성한 부분과 이들 보드에 대한 실험결과를 차례로 기술한다.
- 그림 9는 제작된 LED구동 IC 및 주변회로를 테스트하기 위해 제작된 전체 보드의 외양사진이다. 테스트 보드는 전력용 트랜지스터와 인덕터 등으로 구성된 아날로그 부분, 제작된 칩, 고출력 LED의 방열설계를 위해 분리된 LED 부분으로 구성되어 있다. 시험을 위한 입력 전원은 12[V]-7.
- 테스트 보드는 전력용 트랜지스터와 인덕터 등으로 구성된 아날로그 부분, 제작된 칩, 고출력 LED의 방열설계를 위해 분리된 LED 부분으로 구성되어 있다. 시험을 위한 입력 전원은 12[V]-7.0[AH]의 DC 배터리를 사용하였다.
- 그림 10은 구동회로가 동작할 때 97[%]와 50[%]의 듀티비에서 LED에 흐르는 전류를 측정하기 위한 Rsesne의 전압을 측정한 파형이다. 시간영역 측정은 Tektronix MSO4000오실로스코프를 사용하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 개발된 LED 구동 및 제어회로는 출력 LED를 위한 밝기제어, 온도제어, 과전류제한, ON-OFF제어 및 인체감지센서에 의한 절전제어 기능을 가진다. ON-OFF 제어와 절전제어 기능은 시리얼 통신방식으로 제어할 수 있도록 하였다.
- 본 연구를 통해 개발된 LED 조명제어모듈은 1Kbps의 데이터 전송속도를 가진다. 그림 6은 제어를 위한 데이터 스트림의 구조를 나타낸 것이다.
- LED가 최대의 출력을 내도록 조정한 상태에서 입력 전원 공급전압과 전류 및 LED 열(string) 양단 전압과 전류를 측정하였다. 입력전원공급전압이 11.6[V]일 때, 전원으로부터 입력되는 전류는 999[mA], 전력은 11.59[watt]로 측정되었으며, 이때, LED열에 걸리는 출력전압은 42.9[V]이며 LED에 흐르는 전체 출력전류는 232[mA], 출력전력은 9.95[watt]로 측정되었으며, 개발된 구동회로 전체의 전력변환 효율은 85.88[%]로 측정되었다.
후속연구
- 본 연구를 통해 개발된 CMOS 링 발진기를 이용한 LED PWM제어회로는 회로가 간단하여 디지털 공정으로 제작될 수 있고, 대량생산이 필요한 LED조명등에 적용될 때 원가를 절감시키는 효과를 줄 것으로 기대된다.
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