[논문]HV9910 IC를 사용한 LED driver 모델링 및 시뮬레이션에 관한 연구

한수빈; 박석인; 정학근; 채수용; 송유진; 정봉만

doi:10.5207/jieie.2012.26.4.014

HV9910 IC를 사용한 LED driver 모델링 및 시뮬레이션에 관한 연구
A Study on the Modeling and Simulation of LED Driver Using HV9910 IC 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.4, 2012년, pp.14 - 21

한수빈 (한국에너지기술연구원) , 박석인 (한국에너지기술연구원) , 정학근 (한국에너지기술연구원) , 채수용 (한국에너지기술연구원) , 송유진 (한국에너지기술연구원) , 정봉만 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper study a method of modeling and simulation of LED driver circuit for a design optimization. Simplified LED modeling is introduced and a driver IC, HV9910, is modeled by implementing the major function blocks. Circuit of buck type converter is constructed for simulation. Simulation includes not only the internal function of IC but also the various performance results such as LED array current control and dimming. Experiment results are also shown to prove the verification of its usage. This results show that the simulation approach is valid for a circuit optimization and a reduction of development time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LED driver의 실제적인 개발에 유효한 LED driver의 모델링과 시뮬레이션에 대해서 연구하였다. LED 모델과 함께 IC인 HV9910을 모델링하고 벅형 컨버터를 대상으로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문은 상용 교류 전원을 사용한 일반 조명용 LED 시스템에 적합한 LED driver를 제공하기 위한 목적으로 연구된 것이다. 이를 위해 회로적으로는 전압강하가 필요한 벅형 컨버터(Buck converter)[4]를 대상으로 하고 LED는 Cree사의 X-lamp[5]를 구동하며 제어 IC로는 산업체에서 많이 사용되는 HV9910 driver IC[6]을 채택하였다.
이를 위해 회로적으로는 전압강하가 필요한 벅형 컨버터(Buck converter)[4]를 대상으로 하고 LED는 Cree사의 X-lamp[5]를 구동하며 제어 IC로는 산업체에서 많이 사용되는 HV9910 driver IC[6]을 채택하였다. 최근에는 HV9910보다 강화된 기능의 IC들이 많이 출시되고 있으나 HV9910의 경우 LED driver IC의 1세대의 대표적 제품 중의 하나로 핵심기능을 이해하기 쉽고 이후의 IC에 많은 영향을 준 제품이기 때문에 본 논문에서 중점적으로 다루기로 하였다.

제안 방법

이러한 구성의 LED driver에서 LED 및 IC를 포함한 회로에 대해서 Pspice를 사용한 모델링과 시뮬레이션을 통해 실제 실험에 가까운 동작을 예측할 수 있고 회로의 모든 파라미터의 변화에 따른 동작 변화에 대해 대비할 수 있음을 보였다. 개발 대상인 시뮬레이션 회로에 대해서는 실제 제작하여 실험으로 그 유용성을 확인하였다.
LED는 근본적으로 다이오드이므로 다이오드를 모델링하는 방식을 사용할 수 있고 이상적인 다이오드와 직열 등가저항으로 된 모델링을 사용할 수 있다[7]. 본 논문에서도 다이오드의 전압 전류 특성 데이터에서 Pspice의 model extraction을 사용하여 주요 파라미터를 추출하였다. 결과적으로 아래와 같은 전류-전압특성 방정식과 등가 직열 저항 Rs를 얻게 된다.
7[A]로 구동하는 40[W]급 회로를 구현하기 위한 것이다. 본 논문에서와 같이 40[W]정도의 용량에 대해서는 220[V] 상용전원을 사용하는 경우 다이오드로 정류한 후 역율제어(Power factor Correction) 회로를 사용하는 것으로 설계되므로 LED driver의 입력은 통상 PFC의 출력 전압인 400[V]로 설정하였다. 동작 주파수는 66[kHz]이며 이 주파수에서 인덕터는 LED 정격 0.

대상 데이터

본 논문에서는 LED driver의 실제적인 개발에 유효한 LED driver의 모델링과 시뮬레이션에 대해서 연구하였다. LED 모델과 함께 IC인 HV9910을 모델링하고 벅형 컨버터를 대상으로 하여 시뮬레이션을 수행하였다. Driver IC의 기능을 시뮬레이션에 반영하여 설계 및 모의실험을 통해, driver 회로 동작의 전반적인 예측이 가능하게 되었다.
본 연구는 상용 교류 전원을 사용하는 LED driver를 대상으로 하므로 정류된 높은 전압에서 LED를 구동하기 위한 낮은 전압으로 변환하는 회로가 필요하다. 따라서 시뮬레이션의 대상인 LED driver회로는 그림 2와 같이 벅형 컨버터 구조를 대상으로 한다. 전력용 반도체 스위치의 동작을 제어하는 IC로는 LED 전류제어 기능을 제공하고 조광도 가능한 장점때문에 산업체에서 많이 사용된 Supertex사의 HV9910 IC를 선택하였다.
본 논문에서 사용된 Cree의 고출력 다이오드 XLamp(XR-E White)의 전압-전류 특성곡선은 그림 1과 같고 특성 곡선에서부터 Pspice의 model 파라미터[8]를 추출하면 I_s=1e-20[A], N=2.46, Rs=0.68[ohm], IKF(High-injection knee current)=0.06으로 LED를 모델링할 수 있다.
본 논문은 상용 교류 전원을 사용한 일반 조명용 LED 시스템에 적합한 LED driver를 제공하기 위한 목적으로 연구된 것이다. 이를 위해 회로적으로는 전압강하가 필요한 벅형 컨버터(Buck converter)[4]를 대상으로 하고 LED는 Cree사의 X-lamp[5]를 구동하며 제어 IC로는 산업체에서 많이 사용되는 HV9910 driver IC[6]을 채택하였다. 최근에는 HV9910보다 강화된 기능의 IC들이 많이 출시되고 있으나 HV9910의 경우 LED driver IC의 1세대의 대표적 제품 중의 하나로 핵심기능을 이해하기 쉽고 이후의 IC에 많은 영향을 준 제품이기 때문에 본 논문에서 중점적으로 다루기로 하였다.
따라서 시뮬레이션의 대상인 LED driver회로는 그림 2와 같이 벅형 컨버터 구조를 대상으로 한다. 전력용 반도체 스위치의 동작을 제어하는 IC로는 LED 전류제어 기능을 제공하고 조광도 가능한 장점때문에 산업체에서 많이 사용된 Supertex사의 HV9910 IC를 선택하였다. 그림 2에서는 IC의 상세한 내부 기능의 블록이 포함되어 제시되었다.

성능/효과

따라서 조광의 정도가 커질수록 PWM의 듀티비가 작아지게 되고 결과적으로 LED array의 평균 전류는 비례하여 감소하게 된다. 그러나 MOSFET를 제어하지 않는 구간이 증가하게 되어 그 구간만큼 전류가 감소하게 되어 결과적으로 전류의 ripple이 증가하게 되고 LED array의 전압에서도 ripple이 나타남을 확인할 수 있다. Ripple이 커지거나 PWM 주파수가 낮은 경우는 플리커 현상을 유발할 수 있게 된다.
10[kHz]의 펄스로 듀티비가 70[%]인 경우이며 디지털 조광의 결과로 LED의 평균전류는 약 490[mA]를 유지한다. 디지털 조광의 경우 dimming시에는 MOSFET 스위치를 동작키지 않는 구간이 발생되므로 LED array 전압과 평균전류에 ripple이 발생하게 됨을 확인할 수 있다.
이 때는 전류가 감소하는 과정이 진행되며 이후 주기적으로 발생되는 발진기의 출력에 의해서 MOSFET는 도통되게 되고 인덕터의 전류는 다시 증가하게 되는 동작을 반복하게 됨을 알 수 있다. 따라서 HV9910 IC의 내부 기능이 성공적으로 구현되고 있음을 확인할 수 있다.
이러한 구성의 LED driver에서 LED 및 IC를 포함한 회로에 대해서 Pspice를 사용한 모델링과 시뮬레이션을 통해 실제 실험에 가까운 동작을 예측할 수 있고 회로의 모든 파라미터의 변화에 따른 동작 변화에 대해 대비할 수 있음을 보였다. 개발 대상인 시뮬레이션 회로에 대해서는 실제 제작하여 실험으로 그 유용성을 확인하였다.
이상과 같은 driver 회로에 대한 시뮬레이션 방식은 IC의 종류와 구현하려는 회로의 구조에 상관없이 같은 방법으로 모두 적용이 가능하며 실제 제품을 개발할 때 많은 시간을 단축하는 효과를 얻을 수 있다.

후속연구

본 연구는 상용 교류 전원을 사용하는 LED driver를 대상으로 하므로 정류된 높은 전압에서 LED를 구동하기 위한 낮은 전압으로 변환하는 회로가 필요하다. 따라서 시뮬레이션의 대상인 LED driver회로는 그림 2와 같이 벅형 컨버터 구조를 대상으로 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 구동 회로는 LED 제품의 어디에 영향을 주는가?	소비전력은 LED의 온도를 변화시키고 이 동작 온도는 LED 시스템 수명에 영향을 준다. 따라서 LED 구동 회로는 LED 제품의 광출력, 신뢰성, 효율 그리고 수명 등에 직접 영향을 주는 민감한 장치이다.
	LED driver를 최적화하여 설계하고 효율적으로 제작하기 위해서는 무엇이 필요한가?	그러나 핵심 소자 중 하나인 LED driver IC의 동작을 모델링하여 회로의 최적 설계에 반영하는 기술에 대해서는 연구가 빈약한 실정이다. 실제로 LED driver를 최적화하여 설계하고 제작을 효율적으로 수행하기 위해서는 사전에 LED와 회로의 모델을 통한 여러 조건에서의 동작 시뮬레이션이 필수적으로 요구된다. 특히 LED 구동장치는 LED driver IC에 의해서 그 기능과 성능이 결정되므로 LED driver IC에 대한 기능을 구현할 수 있는 시뮬레이션이 세밀한 설계를 위해서는 중요하다.
	HV9910 IC의 조광 방식 두가지는 무엇인가?	HV9910 IC의 경우도 조광기능이 있으며 이는 두가지 방식으로 가능하다. 하나는 IC의 LD핀을 통한 아날로그 신호에 의한 조광과 PWM_D를 통한 디지털 신호에 의한 조광이다. 조광을 하지 않는 경우는 LD핀에 250[mV]이상의 전압을 걸어주어야 하며 250[mV]보다 적은 전압이 걸릴수록 조광의 정도가 커지게 된다.

참고문헌 (8)

H. Broeck, G. Sauerlander, and M. Vendt, "Power Driver Topologies and Ccntrol Schemes for LEDs," in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. (APEC), pp. 1319-1325, 2007.
Y. Hu and M. Jovanovic, "LED Driver With Self-Adaptive Drive Voltage,", IEEE, Trans. on Power Elec.. vol23, no. 6, pp. 3116-3125, 2008.

상세보기
S. Hui, S. Li, X. Tao, W. Chen, and W. Ng, "A Novel Passive Offline LED Driver With Long Lifetime", IEEE, Trans. on Power Elec.. vol25, no. 10, pp. 2665-2672, 2010.

상세보기
R. Erickson, "Fundamentals of Power Electronics" Springer, 2001.
Cree, "XLamp XR-E data sheet", 2009.
Supertex, "HV9910: Universal High Brightness LED Driver", 2004.
Ray-Lee Lin, and Vi- Fan Chen, "Equivalent circuit model of Iight emitting diode for system analyses of lighting drivers" IEEE Conference on Industry Applications Society Annual Meeting, lAS pp. 1-5, 2009.
M. H. Rashid, "SPICE for Power Electronics and Electric Power", CRC Press, 2005.

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