본 논문에서는 고전압 공정기술을 이용하여 고속 디밍제어가 가능한 고출력-LED 드라이버를 설계하였다. 제안하는 고출력-LED 드라이버는 디밍신호를 통해서 LED에 필요한 전류량을 예측하고, 예측된 전류의 일부분을 인덕터 전류로 피드백시키는 방법을 사용하여서, LED 전류 상승시간이 최소화되도록 설계하였다. 기존 고출력-LED 드라이버의 최소 LED 전류 상승시간은 $3{\mu}s$로 제한된 반면 제안하는 고출력-LED 드라이버의 최소 LED전류 상승시간은 1/10 정도로 감소되었다. 설계된 LED 드라이버는 $0.35{\mu}m$ 60V BCDMOS 2-poly 4-metal 공정으로 제작되었으며 측정 결과 입력전압 12V, 9개의 백색 LED, 353mA LED전류, 1KHz 디밍주파수에서 LED전류 상승시간과 전력전달효율은 각각 240ns, 93.7%로 측정되었다.
본 논문에서는 고전압 공정기술을 이용하여 고속 디밍제어가 가능한 고출력-LED 드라이버를 설계하였다. 제안하는 고출력-LED 드라이버는 디밍신호를 통해서 LED에 필요한 전류량을 예측하고, 예측된 전류의 일부분을 인덕터 전류로 피드백시키는 방법을 사용하여서, LED 전류 상승시간이 최소화되도록 설계하였다. 기존 고출력-LED 드라이버의 최소 LED 전류 상승시간은 $3{\mu}s$로 제한된 반면 제안하는 고출력-LED 드라이버의 최소 LED전류 상승시간은 1/10 정도로 감소되었다. 설계된 LED 드라이버는 $0.35{\mu}m$ 60V BCDMOS 2-poly 4-metal 공정으로 제작되었으며 측정 결과 입력전압 12V, 9개의 백색 LED, 353mA LED전류, 1KHz 디밍주파수에서 LED전류 상승시간과 전력전달효율은 각각 240ns, 93.7%로 측정되었다.
This paper presents a high dimming ratio Power-LED driver IC with high power which is capable of controlling LEDs. In order to accomplish a high dimming ratio LED driver, the preloading inductor current methodology is proposed for the power stage of the proposed method to achieve the fast transient ...
This paper presents a high dimming ratio Power-LED driver IC with high power which is capable of controlling LEDs. In order to accomplish a high dimming ratio LED driver, the preloading inductor current methodology is proposed for the power stage of the proposed method to achieve the fast transient response time during the Power-LED load switching. The information containing the current flowing on the LEDs can be utilized to predict the amount of the current on the inductor. The minimum LED current rising time of existing high dimming ratio Power-LED driver is limited by $3{\mu}s$, however that of the proposed high dimming ratio Power-LED driver is reduced about 1/10. The LED driver is implemented with 0.35um 60V BCDMOS 2-poly 4-metal process. The measurement results show that the proposed LED driver system features the minimum rising time as small as 240ns at the dimming frequency of 1KHz with a 12V of input voltage, nine white LEDs and 353mA of LED current. The LED rising time and power conversion efficiency of the chip are measured to be 240ns and 93.72%, respectively.
This paper presents a high dimming ratio Power-LED driver IC with high power which is capable of controlling LEDs. In order to accomplish a high dimming ratio LED driver, the preloading inductor current methodology is proposed for the power stage of the proposed method to achieve the fast transient response time during the Power-LED load switching. The information containing the current flowing on the LEDs can be utilized to predict the amount of the current on the inductor. The minimum LED current rising time of existing high dimming ratio Power-LED driver is limited by $3{\mu}s$, however that of the proposed high dimming ratio Power-LED driver is reduced about 1/10. The LED driver is implemented with 0.35um 60V BCDMOS 2-poly 4-metal process. The measurement results show that the proposed LED driver system features the minimum rising time as small as 240ns at the dimming frequency of 1KHz with a 12V of input voltage, nine white LEDs and 353mA of LED current. The LED rising time and power conversion efficiency of the chip are measured to be 240ns and 93.72%, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 고출력 LED 드라이버의 한계점인 고속디밍제어를 구현하기 위해 인덕터 전류 선구동방식의 PWM디밍제어 알고리즘을 제안하고 디밍신호 지연회로를 사용하여 구현하였다.
본 논문에서는 인덕터 전류 선구동 방식을 이용하여 고속디밍제어가 가능한 고출력 LED드라이버를 설계 및 구현하고 성능을 파악 및 분석하였다.
본 논문에서는 전류량이 높은 고출력-LED를 고속디밍제어를 하기위해 인덕터 전류 선구동 방식을 제안하고 제작된 LED 구동회로를 통하여 개선된 성능을 확인하였다. 기존의 방식과 다르게 동기화된 디밍신호로 파워스위치를 활성화시켜 인덕터 전류를 선구동시키고 LED구동에 필요한 충분한 인덕터 전류가 준비되면 지연된 디밍신호로 디밍스위치를 활성화시켜 LED에 전류를 흘려주는 방식을 이용하면 PWM디밍 시에 링잉이 적은 안정적인 인덕터 전류와 출력 전압파형을 얻을 수 있으며 빠른 LED전류 상승시간을 구현할 수 있다.
제안 방법
6V에서 12V까지의 전압을 입력받아 LED개수에 따라 최대 40V까지 전압을 출력가능하며 최대 400mA의 전류 부하를 구동할 수 있도록 설계하였다. 10uF 필터 커패시터와 10uH 필터 인덕터를 통해 10mV 이하의 전압리플을 갖도록 설계 하였다. LED 구동회로의 기준전압은 300mV와같이 낮은 수준으로 설계하여 전력전달 효율을 극대화하였다.
6V에서 12V까지의 전압을 입력받아 LED개수에 따라 최대 40V까지 전압을 출력가능하며 최대 400mA의 전류 부하를 구동할 수 있도록 설계하였다.
LED 구동회로의 기준전압은 300mV와같이 낮은 수준으로 설계하여 전력전달 효율을 극대화하였다.
왼쪽에는 LED구동회로의 동작상태를 모니터링 하기위해 설치한 테스트포인트들이 위치한다. LED구동회로의 전력전달효율을 최대화하기위해 DCR이 작은 파워인덕터와 포워드전압이 0.2V인 쇼트키다이오드를 사용하였고 파워단의 라우팅을 구리면으로 설계하였다. 인덕터 전류파형을 측정하기위하여 루프와이어를 설치하였다.
본 논문에서 제안한 LED 구동회로는 고출력-LED 구동을 목표로 설계되었기 때문에 낮은 전류를 구동하는 회로들과 비교평가하기가 어려웠다. 그래서 LED단위전류 1mA가 상승하는 시간을 계산하여 표 3에 비교평가 하였다. 평가표를 살펴보면 낮은 전류를 구동하는 회로[4～5]의 전류 상승시간이 확연히 짧은 것을 알 수 있다.
디밍신호제어기는 내부 클록에 동기화된 디밍신호(Sync_DIM), 한 주기 지연된 디밍신호(1T_DIM), 두 주기 지연된 디밍신호(2T_DIM), 샘플&홀드 디밍신호(S&H_DIM) 그리고 PWG활성화 디밍신호(PWG_DIM)를 발생시켜 제안하는 선구동 인덕터 전류방식을 제어한다.
본 논문에서 제안한 고출력-LED드라이버는 외란에 대해 내성이 좋고 빠른응답속도를 지닌 전류모드제어 DC-DC 부스트변환기 방식을 기반으로 하였다.
기존의 방식과 다르게 동기화된 디밍신호로 파워스위치를 활성화시켜 인덕터 전류를 선구동시키고 LED구동에 필요한 충분한 인덕터 전류가 준비되면 지연된 디밍신호로 디밍스위치를 활성화시켜 LED에 전류를 흘려주는 방식을 이용하면 PWM디밍 시에 링잉이 적은 안정적인 인덕터 전류와 출력 전압파형을 얻을 수 있으며 빠른 LED전류 상승시간을 구현할 수 있다. 설계된 회로는 0.35㎛ 60V BCDMOS 공정으로 제작되었으며 최소디밍 구간과 LED전류상승시간은 각각 1.5us, 240ns로 측정되어 최대 1000:1의 고속디밍제어를 구현하였다. 아직까지 고출력-LED를 응용하는 분야에서 고속디밍제어가 크게 요구되고 있지 않지만 앞으로 LED의 활용이 더욱 증대된다면 제안하는 고출력-LED드라이버는 높은 광량이 필요하면서 정밀한 조광제어가 필요한 제품에 응용될 수 있다.
제작된 칩의 성능을 측정하기위해 PCB아트웍을 수행하여 측정용 기판을 설계하였고 칩과 외부 컨포넌트들을 연결해주기 위하여 COB(Chip on Board)를 수행하였다.
대상 데이터
디밍신호 제어기는 그림 5와 같이 라이징 엣지 트리거 D-플립플롭과 논리 게이트를 조합하여 구성하였다.
제작된 칩의 코어사이즈는 1.45×1.35㎟이고 파워스위치와 디밍스위치의 사이즈는 각각 26,000㎛(0.42Ω), 11,000㎛(1.2Ω)이다.
인덕터 전류파형을 측정하기위하여 루프와이어를 설치하였다. 출력전압의 리플을 최소화하기위해 ESR이 작은 MLCC 파워커패시터를 사용하였다. 그림 9에는 측정환경을 나타낸 것이다.
플립플롭에 사용되는 클록은 LED구동회로의 내부 클럭을 사용하였다. 디밍신호제어기는 내부 클록에 동기화된 디밍신호(Sync_DIM), 한 주기 지연된 디밍신호(1T_DIM), 두 주기 지연된 디밍신호(2T_DIM), 샘플&홀드 디밍신호(S&H_DIM) 그리고 PWG활성화 디밍신호(PWG_DIM)를 발생시켜 제안하는 선구동 인덕터 전류방식을 제어한다.
데이터처리
제안한 LED 구동회로와 국제 학술논문에 발표된 LED 구동회로의 성능을 비교하였다.
성능/효과
LED에 구동되는 전류의 상승시간은 240ns이고 하강시간은 37ns로 측정되어 고속디밍제어를 수행하기에 적합한 성능을 달성하였다.
그림 4에 나타나 있듯이 제안하는 디밍방식을 이용할 경우 기존의 디밍방식보다 인덕터전류와 출력전압의 링잉을 효과적으로 억제하고 매우 빠른 디밍신호에도 LED에 안정적인 전류를 공급할 수 있다.
본 논문에서 제안한 회로는 기존 논문의 회로와 비교해서 출력 전압의 하강률이 낮아서 EMI 방사가 적기 때문에, 잡음 억제력이 효율적인 LED 구동회로라고 할 수 있다.
후속연구
5us, 240ns로 측정되어 최대 1000:1의 고속디밍제어를 구현하였다. 아직까지 고출력-LED를 응용하는 분야에서 고속디밍제어가 크게 요구되고 있지 않지만 앞으로 LED의 활용이 더욱 증대된다면 제안하는 고출력-LED드라이버는 높은 광량이 필요하면서 정밀한 조광제어가 필요한 제품에 응용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED의 광량을 제어하는 방식 두 가지는 무엇인가?
LED의 광량을 제어하는 방식에는 두가지로, PWM 디밍과 아날로그 디밍 방식이다. 두 방식 모두 LED에 흐르는 평균 전류를 제어하지만, 아날로그 디밍의 경우 LED에 흐르는 전류 변동에 따라 심한 색 온도 변화를 보일 수 있어 디스플레이 장치에 응용하기에 적절하지 않다.
PWM 디밍과 아날로그 디밍 방식의 공통점과 차이점은?
LED의 광량을 제어하는 방식에는 두가지로, PWM 디밍과 아날로그 디밍 방식이다. 두 방식 모두 LED에 흐르는 평균 전류를 제어하지만, 아날로그 디밍의 경우 LED에 흐르는 전류 변동에 따라 심한 색 온도 변화를 보일 수 있어 디스플레이 장치에 응용하기에 적절하지 않다. PWM 디밍제어는 짧은 시간동안 LED 전류를 켜고 끄는 수많은 동작을 반복하는 것이다. 이는 LED에 흐르는 전류를 일정하게 유지하면서도 시비율에 의해 LED에 흐르는 평균전류량을 조절 할 수 있어 아날로그 디밍제어의 단점이였던 색온도 변화문제를 피할 수 있다. 오늘날 많은 LED 드라이버들은 PWM 디밍주파수 및 진폭을 사용하기 위해 특화된 PWM_DIM 핀을 가지고 있다.
LED의 응용 분야는?
최근 LED 소자와 패키징 기술의 향상에 따라 1W 이상의 고출력 LED가 등장하였으며, 기존 조명광원 보다 높은 150lm/W가 개발되고 100lm/W 고효율 LED가 상용화 단계에 이르고 있다. 이러한 LED의 고효율화와 고출력화에 따라 경관조명, 가로등, 실내조명 등에 생활조명산업에 급속히 침투하고 있으며 또한, 초박형 소형⦁경량화, 장수명, 수십 나노 초 단위의 고속응답 속도, 광색의 시인성 및 색재현성 등은 IT, BT, NT 기술과 융합되어 의료, 농업, 환경, 디스플레이, 정보가전 등의 넓은 응용 분야로 확대되고 있어 차세대 광원으로 각광을 받고 있다. 그러나 LED는 반도체소자로써 동작전압 및 전류를 정확히 제어하지 않으면 그 수명과 광 출력을 보장할 수 없다.
참고문헌 (7)
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Luchen Yu iconManInfo, Yuan Zhu, Minjie Chen, T.Yoshihara "High efficiency multi-channel LED driver based on SIMO switch-mode converter" 대한전자공학회 ISOCC pp. 661-664, Nov, 2012.
이동건(Dong-Keon Lee) iconManInfo, 이성철 (Sung-Chul Lee) iconManInfo, 정항근 (Hang-Geun Jeong) iconManInfo "Design of Switch for Improved Efficiency of LED Driver" 대한전자공학회 SoC 학술대회 pp73-75 April. 2011.
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