[논문]LED 무대조명용 정전류 구동회로의 설계

정광현; 김평무; 박종연

문제 정의

또한 디밍 시 조도가 선형적으로 변하고 각 색의 파장의 변화가 적어야 색을 조합하여 사용할 때 일정한 광색을 유지할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 위 특성을 동시에 만족하기 위한 전류제어와 PWM을 혼용 한 제어방식을 제안하였으며, 제안한 방법의 특성을 실험으로 확인 하였다.
본 논문에서는 200Watt급 RGBW LED Moving Light 의 DC 전류 제어와 PWM 방식을 혼합한 제어방법을 제안하였고, 이를 위한 회로를 설계하여 무대조명으로서의 특성을 만족하는지 실험적으로 검증하였다.

가설 설정

최소 디밍 레벨에서 PWM의 ON 구간에서 전류의 최소 크기는 정격전류의 2%인 10mA로 정하였다. 낮은 디밍 레벨에서 제어가 선형적으로 이루어지고 Flicker가 발생하지 않도록 안정적으로 동작하려면 최소크기에서도 벅 컨버터가 전류 연속모드로 동작하여야 한다.

제안 방법

본 논문에서의 LED 전류 제어 회로는 벅 컨버터를 이용하여 구성하였으며, 그림 1에서 나타낸 것과 같이 각 색 당 2개로 총 8개의 전류제어회로로 구성하였다. DC/DC 컨버터는 LLC 컨버터로 입출력 간 절연이 되도록 구성하였으며, LED 전류제어 회로의 입력전압은 40V가 되도록 하였다. 1개의 LED 전류제어회로에 대한 설계사양을 정리하여 보면 다음의 표 1과 같으며, 그림 6에 회로를 나타내었다.
그림 7에 측정된 LED의 PWM 전류파형을 나타내었으며, 이 파형을 선형 근사화하여 에러에 대한 면적을 계산하고, 식(2)의 에러율을 계산하였다. PWM 듀티에 따른 에러율은 다음의 그림 8과 같으며, 에러율이 15%가 넘는 지점인 PWM 듀티 30%를 변환레벨로 정하였다.
각 RGBW LED는 20개씩이며, LED 10개를 직렬로 연결하여 전류제어 회로는 각 색 당 2개가 되도록 구성 하였다. LED는 LUXON Rebel LXML계열을 사용하였다.
각 RGBW LED에 대한 제어는 각 열마다 전류제어 회로를 따로 두어 구성하였으며, LED 열에 흐르는 전류를 센싱 받아 LED에 정전류를 유지하도록 하였다. 전류제어 회로의 입력전압은 앞단의 PFC 및 DC/DC 컨버터를 통하여 40V가 입력된다.
그림 4에 나타난 것처럼 400Hz 이상이 되어야 LED를 근거리에서 직접 촬영하였을 시에도 빛이 고르게 나타나게 되므로 본 논문에서는 PWM 디밍 시 주파수를 400Hz로 하였다.
혼합 디밍 방법을 적용하기 위해 디밍 신호가 PWM 및 전류 제어 두 가지 모두 가능하도록 구성하였다. 디밍 신호는 PWM 및 전류제어를 위한 신호가 메인 컨트롤러에서 구분되어 나오도록 하였으며, 이 신호는 두 신호 모두 PWM 신호이다. 먼저 전류제어 디밍 신호는 전류 유지를 위한 피드백 회로에 디밍 PWM신호를 DC로 변환한 전압을 더하여 벅 컨버터의 스위칭 듀티가 변경되도록 OPamp를 이용한 가산기 및 필터로 구성하였다.
먼저 전류제어 디밍 신호는 전류 유지를 위한 피드백 회로에 디밍 PWM신호를 DC로 변환한 전압을 더하여 벅 컨버터의 스위칭 듀티가 변경되도록 OPamp를 이용한 가산기 및 필터로 구성하였다. 또한 PWM 디밍입력은 AP1501의 Shutdown 단자에 입력하여 벅 컨버터가 ON/OFF 되어 LED 열에 PWM 디밍이 되도록 하였다.
본 논문에서는 이러한 특징들을 만족할 수 있도록 LED 조도조절 방법을 결정한 후 이를 200Watt 급 RGBW Moving Light에 적용토록 구동회로를 설계하였다. 또한 실험을 통하여 조도 조절 시 색의 변화, 저 전력에서의 동작, CMOS 방식의 카메라를 이용한 촬영 시 Flicker 여부를 확인하였다.
또한 앞선 컨버터 설계에서 최소 디밍 레벨에서 전류 연속모드로 동작하도록 설계하였다. 그림 11은 최소 디밍 레벨에서 인덕터의 전류파형으로 전류연속모드로 동작하는 것을 확인 할 수 있다.
디밍 신호는 PWM 및 전류제어를 위한 신호가 메인 컨트롤러에서 구분되어 나오도록 하였으며, 이 신호는 두 신호 모두 PWM 신호이다. 먼저 전류제어 디밍 신호는 전류 유지를 위한 피드백 회로에 디밍 PWM신호를 DC로 변환한 전압을 더하여 벅 컨버터의 스위칭 듀티가 변경되도록 OPamp를 이용한 가산기 및 필터로 구성하였다. 또한 PWM 디밍입력은 AP1501의 Shutdown 단자에 입력하여 벅 컨버터가 ON/OFF 되어 LED 열에 PWM 디밍이 되도록 하였다.
셋째로 동영상 또는 사진촬영 장비로 촬영하였을 시 화면상에 빛이 균일하게 나타날 수 있도록 하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 특징들을 만족할 수 있도록 LED 조도조절 방법을 결정한 후 이를 200Watt 급 RGBW Moving Light에 적용토록 구동회로를 설계하였다. 또한 실험을 통하여 조도 조절 시 색의 변화, 저 전력에서의 동작, CMOS 방식의 카메라를 이용한 촬영 시 Flicker 여부를 확인하였다.
컨버터의 설계 확인 및 디밍 시의 특성들을 측정하기 위하여 그림 9와 같은 측정환경을 구성하였다. 빛의 파장 및 조도는 외부 빛의 영향을 차단하기 위하여 암실에서 측정 하였으며, 측정 장비는 Lecroy社의 Waverunner 104Mxi Oscilloscope, Agilent社의 MSO7054A Oscilloscope, International light社의 RPS900-R spectroradio meter, TES社의 TES-2331A luxmeter를 사용하였다.
낮은 디밍 레벨에서의 제어오차는 컨버터의 과도응답 특성 및 LED의 기생 성분에 의해 발생된다. 오차는 그림 5에 나타낸 것처럼 PWM 시 이상적인 전류의 구형 파와 실제 전류의 구형파의 차이에 대한 비로써 다음의식 (2)와 같이 나타낼 수 있으며, 본 논문에서는 실제 전류제어 회로를 설계한 후 파형을 측정하여 에러율이 15%가 되는 레벨을 변환레벨로 정하였다.
카메라의 Shooting speed 및 Refresh 주파수는 일반적으로 400Hz 이하 이며[9], 이를 확인하기 위하여 그림 4에 PWM 주파수를 달리하여 실제 측정한 결과를 나타내었다. 측정 시 간단한 동영상 촬영 장비인 캠코더를 이용하여 PWM의 듀티를 50%로 고정 시킨 후 10개의 White LED를 50Cm의 거리에서 측정하였다.
혼합 디밍 방법을 적용하기 위해 디밍 신호가 PWM 및 전류 제어 두 가지 모두 가능하도록 구성하였다. 디밍 신호는 PWM 및 전류제어를 위한 신호가 메인 컨트롤러에서 구분되어 나오도록 하였으며, 이 신호는 두 신호 모두 PWM 신호이다.

대상 데이터

각 RGBW LED는 20개씩이며, LED 10개를 직렬로 연결하여 전류제어 회로는 각 색 당 2개가 되도록 구성 하였다. LED는 LUXON Rebel LXML계열을 사용하였다.
본 논문에서의 LED 전류 제어 회로는 벅 컨버터를 이용하여 구성하였으며, 그림 1에서 나타낸 것과 같이 각 색 당 2개로 총 8개의 전류제어회로로 구성하였다. DC/DC 컨버터는 LLC 컨버터로 입출력 간 절연이 되도록 구성하였으며, LED 전류제어 회로의 입력전압은 40V가 되도록 하였다.
전류제어회로 구성 시 그림 6에 나타낸 것처럼 내장 FET 타입의 벅 컨버터 IC 인 AP1501을 이용하여 구성하였다.

이론/모형

본 논문에서 적용하고자 하는 디밍 방법은 혼합 디밍 방법이다. 혼합 디밍을 사용하고자 하는 근본적인 이유는 PWM의 분해능과 낮은 디밍 레벨에서의 제어오차 및 이로 인한 Temporal(시간적) Flicker 발생이다.
본 논문에서는 Color-shift 현상을 최소화키고 높은 디밍 분해능 및 넓은 디밍 범위를 갖기 위해서 PWM과 전류제어의 혼합 디밍 방법을[8] 사용하였다. PWM 및 전류제어의 혼합방법은 그림 3에 나타낸 것과 같이 디밍 레벨이 높은 경우 PWM 디밍을 이용하다가 낮은 디밍 레벨이 되면 전류를 조절하는 방식으로써 두 디밍 방법의 단점을 보완하면서 장점을 살릴 수 있으며 본 논문의 목적인 무대조명에 적합하다.

성능/효과

조도의 측정 결과는 각 색 별 최대 조도의 비율로써 나타내었다. PWM과 전류제어 디밍 방식을 비교하였을때 PWM 디밍 방식이 더 선형적으로 변화하는 것으로 나타났으며, 특히 RED LED의 경우 전류제어 디밍 방식 적용 시 비선형 특성이 크게 나타났다. 혼합 디밍 적용 시에는 초기에 PWM 디밍의 조도변화 특성과 같이 변화하다가 변환레벨인 30% 이후에서 PWM과 전류제어 디밍 방식의 혼합특성을 갖는 것으로 나타났다.
그림 13에 나타난 것과 같이 PWM 제어의 경우 디밍 레벨에 따라 파장이 일정하게 변화하여 색을 유지하지만, 전류제어 디밍의 경우 파장의 첨두치가 이동하여 Color-shift 현상이 나타나게 된다. 논문에서 사용한 혼합 제어 방식의 경우 low level에서 Color-shift 현상이 약간 발생하지만 그 위 레벨에서는 일정한 파장의 형태를 유지하는 것을 확인하였다.
따라서 본 논문에서 제안한 디밍 방식은 두 디밍 방법의 단점을 보완하면서 장점을 살릴 수 있어 무대 조명으로서의 특성을 만족한다.
파장 변화의 경우 전류제어 디밍보다 적으며, PWM 디밍시에 나타났던 low level에서 Flicker 현상이 제거되었다. 또한 위의 두 가지 방법보다 디밍 분해능을 높게 할수 있었다.
실험 결과 두 디밍 방법의 특성이 모두 관찰되었다. 파장 변화의 경우 전류제어 디밍보다 적으며, PWM 디밍시에 나타났던 low level에서 Flicker 현상이 제거되었다.
첫째로 무대의 색의 표현력을 높이기 위해 조도 조절의 범위가 넓어 매우 낮은 레벨에서도 동작하여야 하며, 조도조절 레벨의 분해능 또한 높아야 한다.
PWM과 전류제어 디밍 방식을 비교하였을때 PWM 디밍 방식이 더 선형적으로 변화하는 것으로 나타났으며, 특히 RED LED의 경우 전류제어 디밍 방식 적용 시 비선형 특성이 크게 나타났다. 혼합 디밍 적용 시에는 초기에 PWM 디밍의 조도변화 특성과 같이 변화하다가 변환레벨인 30% 이후에서 PWM과 전류제어 디밍 방식의 혼합특성을 갖는 것으로 나타났다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED Moving light 조명기기는 어떻게 색을 연출하는가?	무대조명용 조명기기 중 색을 연출하기 위한 LED Moving light 조명기기는 R(red), G(green), B(blue), W(white) LED 각각의 색을 혼합하여 사용하며, 색의 혼합은 각 색 LED의 조도를 조절하여 각 색의 비율을 변경함으로써 이루어지게 된다.
	LED 구동회로로써의 특징은 무엇인가?	첫째로 무대의 색의 표현력을 높이기 위해 조도 조절의 범위가 넓어 매우 낮은 레벨에서도 동작하여야 하며, 조도조절 레벨의 분해능 또한 높아야 한다. 둘째로 조도조절 시 각 색에 대한 조도제어가선형적으로 이루어져 색 혼합 시 정확한 색을 표현할 수 있어야 하며, 조절 시 빛의 떨림현상 (flicker)이 발생하지 않아야 한다. 셋째로 동영상 또는 사진촬영 장비로 촬영하였을 시 화면상에 빛이 균일하게 나타날 수 있도록 하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 특징들을 만족할 수 있도록 LED 조도조절 방법을 결정한 후 이를 200Watt 급 RGBW Moving Light에 적용토록 구동회로를 설계하였다.
	LED의 보급이 빠르게 확산되고 있는 이유는 무엇인가?	최근 LED는 에너지 절감, 친환경성, 제어의 용이성 등의 이유로 인하여 보급이 빠르게 확산되고 있다[1][2]. LED를 이용한 무대조명은 많은 응용분야 중의 하나이며, 제어의 용이성이 가장 크게 부각되는 분야이다.

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