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문제 정의
- 본 논문에서는 -40℃에서도 동작하는 150W급 LED조명용 SMPS 회로를 설계했다. 150W급 LED조명용 SMPS 회로는 150W급 DC-DC 회로 및 정전류 회로로 설계되었으며, 동작온도범위는 -40∼70℃이다.
제안 방법
- -40℃에서 48시간 가동한 후 점등할 때 SMPS 내부 온도변화를 알아보기 위해 SMPS 내부에 9개의 부품에 온도 센서를 부착하였으며, Dimming 기능 없이 점등에 성공하였으나 장기적인 신뢰성을 위하여 Dimming 기능이 필요하였다. -40℃에서 전류가 증가하였으며 안정 후 165W가 소모되었으며, LED가로등 점등 후 SMPS 내부 온도의 변화는 그림 11과 같다.
- 여기서 사용한 초가속수명시험은 SMPS 진동시험을 추가한 온도 순환-증가 시험 방법이다. 150W LED가로등기구에 연결된 SMPS를 초가속수명시험 장비에 고정하고 전원을 인가하고, LED가로등기구는 장비 외부에 설치하고 LED가로등 기구의 광출력을 확인할 수 있는 장비를 설치하여 광출력의 변화를 모니터링 하였다. 그림 13과 같이 온도를 분단위로 시험실의 온도를 기준으로 위아래로 올렸다가 내렸다가 반복하면서 온도의 편차를 크게 했다.
- 2차 설계를 위한 첫 설계는 그림 2와 그림 3과 같이 입력 잡음 필터와 AC- DC 컨버터 및 역률 보상 회로를 설계하였다. 입력 잡음 필터는 입력서지보호와 자체 발생 잡음을 외부에 방출하는 것을 방지하도록 설계되었으며, AC전원을 DC로 변환하는 Bridge 정류 회로와, 승압형 역률 보상 회로와 돌입 전류 방지 회로를 추가하였다.
- SMPS 내부에 -40℃이하에서도 동작할 수 있도록 엑포시, 우레탄, 실리콘 등 충진 재료에 따른 영향 평가를 실시하여 구성하였다. 추가 온도 하강 시 SMPS가 동작하지 않는 제약 외에 내부의 전해콘덴서가 고장 날 수 있으므로 온도를 일정하게 상승시켜 주는 히터 설계를 추가하여 구성하였으며 그림 7과 같다.
- 기존의 다양한 IC 및 회로에서 주변 온도 상승시 온/오프 되는 과열기능을 마이크로컨트롤러를 이용하여 일정 온도이상 상승 시 임계치의 시간을 조정하여 전체적인 LED모듈의 온도 상태를 안정적으로 유지하도록 설계하여 고출력 LED의 수명 연장 및 조명등기구의 완전 소등 상태가 없도록 설계하였다.
- 따라서 -40℃ 이하의 LED를 구동하기 위해서는 R, C, L, T 기판 등의 동작범위를 확인하고 그에 맞는 SMPS를 설계하고 제작하는 것이 반드시 필요하므로 본 논문에서는 -40℃ 이하의 저온 환경에서 LED를 구동할 수 있는 SMPS를 설계하고 R, C, L, T, 기판 등의 동작범위를 확인하며 그에 맞는 SMPS를 제작하여 성능을 평가하였다.
- 전압과 전류 제어 회로를 구성하기 위해 각각 OP 증폭기 입력부에 연결된 가변저항을 설정하여 정전압 및 정전류를 설정하였다. 또한, 그림 5와 같이 트랜지스터 온/오프를 통하여 기준 전압을 제어하고, 이를 통해 전류를 서서히 증가시켜 저온에서 LED조명을 사용할 때 고장을 방지하기 위한 Dimming 회로를 구성하였다.
- 본 논문에서는 150W급 Switched Mode Power Supply(SMPS)를 1차, 2차로 나누어 설계하였으며, 그림 1과 같이 1차 설계에서 설계한 초기 설계 및 문제점을 도출하여 2차 설계시에 보완하였다. 1차 설계 후 저온 동작을 위한 부품교체, 저전압 보호 기능 추가, 출력 전압 및 전류 범위 증가를 위한 회로교체, 온도변화에 따른 출력 변화에 대처하기 위한 회로 교체 등 보완점을 도출하였다[10-11].
- 실리콘 몰딩 처리한 제작 시제품에 대한 저온에서의 동작 온도범위를 시험하기 위해 -40℃에서의 동작 특성을 측정하였다. 그림 10과 같이 측정방법은 제작 시제품에 실리콘 몰딩 후 외관 조립을 하고, 온도 챔버에 설치한 후 -40℃에서 48시간 가동하였다.
- 실리콘 몰딩 처리한 제작 시제품에 대한 초가속수명시험을 실시하였다. 여기서 사용한 초가속수명시험은 SMPS 진동시험을 추가한 온도 순환-증가 시험 방법이다.
- 그림 13과 같이 온도를 분단위로 시험실의 온도를 기준으로 위아래로 올렸다가 내렸다가 반복하면서 온도의 편차를 크게 했다. 이 때 각 온도 평탄 구간에서 2분의 진동시험을 실시하고 5분마다 반복하여 실시했다.
- 2차 설계를 위한 첫 설계는 그림 2와 그림 3과 같이 입력 잡음 필터와 AC- DC 컨버터 및 역률 보상 회로를 설계하였다. 입력 잡음 필터는 입력서지보호와 자체 발생 잡음을 외부에 방출하는 것을 방지하도록 설계되었으며, AC전원을 DC로 변환하는 Bridge 정류 회로와, 승압형 역률 보상 회로와 돌입 전류 방지 회로를 추가하였다.
- 전압과 전류 제어 회로를 구성하기 위해 각각 OP 증폭기 입력부에 연결된 가변저항을 설정하여 정전압 및 정전류를 설정하였다. 또한, 그림 5와 같이 트랜지스터 온/오프를 통하여 기준 전압을 제어하고, 이를 통해 전류를 서서히 증가시켜 저온에서 LED조명을 사용할 때 고장을 방지하기 위한 Dimming 회로를 구성하였다.
- SMPS 내부에 -40℃이하에서도 동작할 수 있도록 엑포시, 우레탄, 실리콘 등 충진 재료에 따른 영향 평가를 실시하여 구성하였다. 추가 온도 하강 시 SMPS가 동작하지 않는 제약 외에 내부의 전해콘덴서가 고장 날 수 있으므로 온도를 일정하게 상승시켜 주는 히터 설계를 추가하여 구성하였으며 그림 7과 같다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 2차 설계를 통하여 150W급 LED조명용 SMPS 설계를 확정하고, 그림 8과 같이 크기는 244mm(L)×95 mm(W)×58mm(H)로 제작하였다.
성능/효과
- 그림 10과 같이 측정방법은 제작 시제품에 실리콘 몰딩 후 외관 조립을 하고, 온도 챔버에 설치한 후 -40℃에서 48시간 가동하였다. 48시간 경과 후 SMPS 전원 공급 및 LED가로등 점등을 확인하였으며, 이때 SMPS의 Dimming기능은 오프상태이다.
- 그림 9는 SMPS Dimming 기능을 확인 위해 SMPS 출력단의 전류 변화를 측정한 것이다. Dimming 제어 방법은 정전류 방식이고 측정결과 초기에 전류에 대한 오버슈트가 발생하였나, Dimming 기능을 수행함을 확인하였다
- SMPS 동작 입력 전압 범위는 80∼275 VAC이며, SMPS 보호 기능 및 Dimming 제어 동작을 확인하였다.
- 시료의 변화(광출력의 변동 포함) 등을 통해 SMPS가 -40∼80℃ 온도 범위에서 동작할 수 있는지를 확인하였으며, SMPS 진동시험을 추가한 온도 순환-증가 시험에 대해 SMPS 동작에 이상이 없음을 확인했다. 또한, 그림 14와 같이 EMI 필터를 설치하여 장비 자체의 잡음 측정, 중성선 측정, 전원의 EMI 전도 순서로 측정한 결과 설치된 EMI 필터의 EMI 전도 시험을 통해 SMPS의 EMI 전도가 나타나지 않음을 확인했다.
- 설계 제작한 SMPS의 동작 온도 범위 -40∼70℃는 기술력으로 최고의 성능을 나타냈으며, SMPS를 안정적으로 공급하고, 필요한 파생모델을 적절하게 생산하여 기술력뿐만 아니라 국내 LED 매출 증진에 기여할 것으로 판단된다.
- 시료의 변화(광출력의 변동 포함) 등을 통해 SMPS가 -40∼80℃ 온도 범위에서 동작할 수 있는지를 확인하였으며, SMPS 진동시험을 추가한 온도 순환-증가 시험에 대해 SMPS 동작에 이상이 없음을 확인했다.
- 실리콘 충진 결과 상온에서 주요 부품의 온도 차이는 14.5∼19℃이고, 실리콘 몰딩을 한 후에는 4.5∼21℃의 온도 하강이 확인되었다.
- 25년으로 예측되었다. 초가속수명시험 및 EMI 전도 시험을 통해 이상이 없음을 확인하였다.
- 테스트를 위한 입력 전압값은 AC 180∼275V, 60Hz고, 최대 입력 출력은 160.13∼160.63W, 최대 입력 전류는 0.626∼0.906A, 역률은 0.93∼0.98, 효율은 93.20∼93.51%, 리플은 220V에서 180mV(0.082 %), 전자로드 20M㎐ 대역폭을 나타냈다.
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