[논문]전류보상 및 보호 기능을 갖는 BLU용 LED Driver IC설계

이승우; 이중기; 김선엽

doi:10.5762/kais.2020.21.10.1

전류보상 및 보호 기능을 갖는 BLU용 LED Driver IC설계
LED driver IC design for BLU with current compensation and protection function 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.10, 2020년, pp.1 - 7

이승우 ((주)피앤엘세미) , 이중기 (한국폴리텍대학 메카트로닉스과) , 김선엽 (남서울대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

최근 LED 디스플레이 시스템이 활발히 보급됨에 따라서 시스템 구동을 위한 LED 드라이버의 효과적인 제어방법에 대한 연구가 진행 중이다. 그 중에 가장 대표적인 것이 LED Driver 채널의 균일한 밝기 제어이다. 본 논문 에서는 채널 휘도 편차 최소화를 위한 전류보상 및 시스템 보호 기능을 갖는 BLU용 LED driver IC를 제안하였다. 제안하는 LED Driver IC는 채널 간 ±3% 이내의 current accuracy와 150mA 채널 전류를 목표로 설계하였다. 설계 사양을 만족시키기 위해 채널 구동 PWM 신호를 이용한 chopping 동작을 수행하도록 하여 채널 앰프 옵셋을 상쇄할 수 있도록 하였다. 또한 pre-charge기능을 구현하여 빠른 동작 속도와 채널간 휘도 편차를 최소화할 수 있도록 하였다. LED에러(오픈, 쇼트), 스위치 TR 쇼트 감지 및 동작 온도 보호 회로를 설계하여 IC 및 BLU시스템을 보호할 수 있도록 하였다. 제안된 IC는 Cadence 및 Synopsys사의 Design Tool을 사용하여 설계 하였으며, Magnachip 0.35um CMOS 공정을 사용하여 제작되었다. 제작된 LED driver IC는 채널 간 ±1.5% 이내의 current accuracy와 150mA 채널 출력특성을 만족하였으며, 평가 보드를 통해 에러 검출 회로들이 정상 동작함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, as LED display systems are actively spread, study on effective control methods for an LED driver for driving the systems has been in progress. The most representative among them is the uniform brightness control method for the LED driver channel. In this paper, we propose an LED driver IC for BLU with current compensation and system protection functions to minimize channel luminance deviation. It is designed for current accuracy within ±3% between channels and a channel current of 150 mA. In order to satisfy the design specifications, the channel amplifier offset was canceled out by a chopping operation using a channel-driving PWM signal. Also, a pre-charge function was implemented to minimize the fast operation speed and luminance deviation between channels. LED error (open, short), switch TR short detection, and operating temperature protection circuits were designed to protect the IC and BLU systems. The proposed IC was fabricated using a Magnachip 0.35-um CMOS process and verified using Cadence and Synopsys' Design Tool. The fabricated LED driver IC has current accuracy within ±1.5% between channels and 150-mA channel output characteristics. The error detection circuits were verified by a test board.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Functional Block Diagram
그림 Fig. 2. DAC & VPAM create circuit
그림 Fig. 3. LED Short detect circuit
그림 Fig. 4. LED Short detect Application circuit
그림 Fig. 5. LED Short detect simulation
그림 Fig. 6. LED Open, TR Short detect circuit
그림 Fig. 7. LED Open detect simulation
그림 Fig. 8. TR Short detect simulation
그림 Fig. 9. Channel AMP circuit
그림 Fig. 10. LED driver circuit
그림 Fig. 11. Top simulation
그림 Fig. 12. Fabricated IC layout & Evaluation board
그림 Fig. 13. IC EDS Measure result
그림 Fig. 14. Designed IC current measurement waveform (ILED=150mA)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문 에서는 전류보상 및 보호 기능을 갖는 BLU용 LED driver IC의 설계 제작 및 특성 검증을 진행 하였다. 채널 간 ±3% 이내의 current accuracy와 150mA 채널 전류를 목표로 driver IC를 설계하였으며 Cadence 및 Synopsys사의 Design Tool을 사용하여 시뮬레이션 및 검증을 수행 하였다.
본 논문에서는 LED BLU를 구동하기 위한 고성능 LED 드라이버 IC개발에 대한 내용을 제안 하였다. 제안된 LED 드라이버는 시스템의 안정성을 보장하기 위해 LED 오픈, 쇼트 검출 및 스위치 TR에 대한 쇼트를 감지 할 수 있도록 설계 하였다.

제안 방법

5는 LED short 감지 회로에 대한 시뮬레이션 결과를 보이고 있다. LED Short 전압은 30V 제너 다이오드를 이용하여 설정 하였으며, LSRT전압을 0V에서 40V로 sweep시킨 후 정상동작 여부를 검증 하였다. Fig.
빠른 응답 특성을 확보하기 위해서 pre-charge기능을 구현하여 빠른 동작 속도 및 채널간 휘도 편차를 최소화할 수 있도록 하였다. 또한 시스템의 안정성을 보장하기 위해 LED 오픈, 쇼트 검출 및 스위치 TR에 대한 쇼트를 감지 할 수 있도록 설계 하였다. 또한 칩의 안정적인 동작을 위하여 동작 온도 보호 회로를 설계하여, IC 및 BLU 시스템을 보호할 수 있도록 하였다.
제안된 LED 드라이버는 시스템의 안정성을 보장하기 위해 LED 오픈, 쇼트 검출 및 스위치 TR에 대한 쇼트를 감지 할 수 있도록 설계 하였다. 또한 칩의 안정적인 동작을 위하여 동작 온도 보호 회로를 설계하여, IC 및 BLU 시스템을 보호할 수 있도록 하였다. 설계된 IC는 채널 구동 PWM 신호를 이용한 chopping 동작을 수행 하도록 하여 채널 앰프에서 발생 하는 옵셋을 상쇄 할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 설계된 BLU용 LED 드라이버 IC는 PAM(Pulse Amplitude Modulation)과 PWM(Pulse Width Modulation)을 이용한 두 가지 방식의 디밍 조절로 16채널의 LED열을 150mA까지 구동 가능하도록 설계하였다. Fig.
설계된 IC는 채널 구동 PWM 신호를 이용한 chopping 동작을 수행 하도록 하여 채널 앰프에서 발생 하는 옵셋을 상쇄 할 수 있도록 하였다. 빠른 응답 특성을 확보하기 위해서 pre-charge기능을 구현하여 빠른 동작 속도 및 채널간 휘도 편차를 최소화 하였다. 제작된 IC는 Cadence 및 Synopsys사의 Design Tool을 사용하여 설계 하였으며, Magnachip 0.
6V의 동작 범위와 150mA의 출력 전류 및 ±3% 이내의 current accuracy를 만족시키기 위해 채널 구동 PWM 신호를 이용하여 chopping 동작을 수행 하도록 하여 채널 앰프에서 발생하는 옵셋을 상쇄 할 수 있도록 하였다. 빠른 응답 특성을 확보하기 위해서 pre-charge기능을 구현하여 빠른 동작 속도 및 채널간 휘도 편차를 최소화할 수 있도록 하였다. 또한 시스템의 안정성을 보장하기 위해 LED 오픈, 쇼트 검출 및 스위치 TR에 대한 쇼트를 감지 할 수 있도록 설계 하였다.
설계된 회로는 채널 오프 구간에서 기준전압과 ES단자 전압을 비교하여 TR short 발생여부를 검출하도록 설계하였다. 설계된 BLU driver IC는 각 채널별로 TR short 감지회로를 삽입하고, 각 채널의 LED String이 오프 되는 구간을 감지해 TR short 여부를 저장함으로 별도의 에러 검출 과정 없이 backlight module이 정상동작 하는 중에 TR short이 발생한 채널을 검출할 수 있도록 하였다.
설계된 IC는 3.0V~ 3.6V의 동작 범위와 150mA의 출력 전류 및 ±3% 이내의 current accuracy를 만족시키기 위해 채널 구동 PWM 신호를 이용하여 chopping 동작을 수행 하도록 하여 채널 앰프에서 발생하는 옵셋을 상쇄 할 수 있도록 하였다.
또한 칩의 안정적인 동작을 위하여 동작 온도 보호 회로를 설계하여, IC 및 BLU 시스템을 보호할 수 있도록 하였다. 설계된 IC는 채널 구동 PWM 신호를 이용한 chopping 동작을 수행 하도록 하여 채널 앰프에서 발생 하는 옵셋을 상쇄 할 수 있도록 하였다. 빠른 응답 특성을 확보하기 위해서 pre-charge기능을 구현하여 빠른 동작 속도 및 채널간 휘도 편차를 최소화 하였다.
제어 비트에 따른 64step의 아날로그 값을 생성시키기 위해서 6bit R2R DAC를 이용하여 VPAM 전압을 생성 하도록 설계하였다. 설계된 R2R DAC는 디지털 상태의 입력 코드에 따라서 스위치를 VH와 VL레퍼런스 전압에 연결한 후 출력 버퍼를 이용하여, VPAM 값을 출력한다.
1은 제안된 LED 드라이버 IC의 블록 다이어그램을 보이고 있다. 설계된 회로는 BLU 시스템 구성 시 발생할 수 있는 LED 오픈, LED 쇼트 및 TR 쇼트와 같은 에러를 검출 할 수 있는 블록과 칩 내부의 발열에 의한 파손을 방지하기 위한 동작 온도 보호 회로, 각 채널의 LED 전류를 제어하기 위한 스위치 제어 블록으로 구성된다. 각 세부 블록에 대한 동작 및 기능은 다음과 같다.
6은 설계된 TR short 검출 회로를 나타내고 있다. 설계된 회로는 채널 오프 구간에서 기준전압과 ES단자 전압을 비교하여 TR short 발생여부를 검출하도록 설계하였다. 설계된 BLU driver IC는 각 채널별로 TR short 감지회로를 삽입하고, 각 채널의 LED String이 오프 되는 구간을 감지해 TR short 여부를 저장함으로 별도의 에러 검출 과정 없이 backlight module이 정상동작 하는 중에 TR short이 발생한 채널을 검출할 수 있도록 하였다.
6은 설계된 LED open 검출 회로를 나타내고 있다. 설계된 회로는 채널 온 구간에서 기준전압과 ES단자 전압을 비교하여 LED open여부를 검출하도록 설계하였다.
LED open 검출 회로는 LED 스트링을 구성하는 LED의 open여부를 검출하기 위한 회로이다. 이 회로는 LED OPEN이 발생한 LED string은 채널 온 시 ES단의 전압이 ground에 가까운 상태를 유지하는 특성을 이용하여 LED open 여부를 판별한다. Fig.
LED Short 검출 회로는 LED 스트링을 구성하는 LED가 Short 여부를 검출하기 위한 회로이다. 이 회로는 LED Short가 발생한 LED String은 채널 온 시 short된 LED의 개수와 비례하여 LED String 마지막 cathode단의 전압이 상승하는 특성을 이용하여 LED short여부를 판별한다. Fig.
본 논문에서는 LED BLU를 구동하기 위한 고성능 LED 드라이버 IC개발에 대한 내용을 제안 하였다. 제안된 LED 드라이버는 시스템의 안정성을 보장하기 위해 LED 오픈, 쇼트 검출 및 스위치 TR에 대한 쇼트를 감지 할 수 있도록 설계 하였다. 또한 칩의 안정적인 동작을 위하여 동작 온도 보호 회로를 설계하여, IC 및 BLU 시스템을 보호할 수 있도록 하였다.
6V 사이의 아날로그 전압을 생성하여 전 채널의 밝기를 조절하는 역할을 한다. 제어 비트에 따른 64step의 아날로그 값을 생성시키기 위해서 6bit R2R DAC를 이용하여 VPAM 전압을 생성 하도록 설계하였다. 설계된 R2R DAC는 디지털 상태의 입력 코드에 따라서 스위치를 VH와 VL레퍼런스 전압에 연결한 후 출력 버퍼를 이용하여, VPAM 값을 출력한다.
35um CMOS 공정을 사용하여 제작하였다. 제작된 IC는 실험을 통하여 검증하였다.
채널 간 ±3% 이내의 current accuracy와 150mA 채널 전류를 목표로 driver IC를 설계하였으며 Cadence 및 Synopsys사의 Design Tool을 사용하여 시뮬레이션 및 검증을 수행 하였다.

대상 데이터

설계된 칩은 아날로그 블록과 디지털 블록의 간섭을 최소화하기 위해 guard ring 및 아날로그와 디지털 블록의 전원 분리 하였으며, 칩의 전체 크기는 2,150μm x 1,770μm이다.
10은 설계된 LED Driver IC의 전체 회로를 보이고 있다. 설계된 회로는 앞에서 살펴 본 바와 같이 크게 디지털 블록과 기준 전압 생성회로, 채널 앰프 블록으로 구성되어 있다.
제작된 BLU용 LED driver IC는 48 TQFP 패키지를 사용하여 제작 되었으며, 검증용 실장 보드는 LED string과 driver IC 및 인터페이스를 위한 MCU 블록으로 구성 하였다.
빠른 응답 특성을 확보하기 위해서 pre-charge기능을 구현하여 빠른 동작 속도 및 채널간 휘도 편차를 최소화 하였다. 제작된 IC는 Cadence 및 Synopsys사의 Design Tool을 사용하여 설계 하였으며, Magnachip 0.35um CMOS 공정을 사용하여 제작하였다. 제작된 IC는 실험을 통하여 검증하였다.

이론/모형

채널 앰프 동작 시 발생하는 앰프 옵셋은 채널 간 전류 편차로 나타나게 되며, 발생된 편차는 LED 드라이버 IC에서 가장 중요한 특성인 채널 간 휘도 편차를 야기하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 chopping 기능을 사용하여 채널 앰프에서 발생하는 옵셋을 상쇄 할 수 있도록 회로를 설계 하였으며, 빠른 응답 특성을 확보하기 위해서pre-charge 기법을 적용하였다.

성능/효과

4096개의 IC측정 결과 설계 목표인 ±3%보다 낮은 ±1.5% 이내의 current accuracy 만족함을 확인 할 수 있다.
7과 8은 LED open 및 TR Short 감지 회로에 대한 시뮬레이션 결과를 보이고 있다. 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있는 것처럼, 채널 제어신호인 PWM의 high시 LED open 검출 신호와 TR Short 검출 신호가 각각의 조건에서 정상적인 검출이 이루어짐을 확인 할 수 있다.
14는 I_LED=150mA로 설정 후 출력단의 전압 변화 및 LED 스트링의 전류특성 파형을 보이고 있다. 우측의 확대 파형에서 측정된 것처럼 최대 설계치인 150mA의 전류가 제어신호에 따라 정상적으로 출력됨을 확인 할 수 있다.
제작된 칩의 특성 검증 결과 ±1.5% 이내의 current accuracy 및 150mA 채널 전류 요구 사항을 만족하였으며, LED open, LED short, TR short와 같은 에러 검출 회로들이 정상적으로 동작함을 실장보드를 통해 검증 하였다.
좌측은 제어비트에 따른 VPAM 출력을 측정한 한 결과를 보이고 있다. 측정 결과에서 보이는 것처럼 제어비트 입력에 따라서 기준전압 0.2V ~ 0.6V 사이의 전압이 정상적으로 출력됨을 확인 할 수 있다. 우측은 채널간 휘도 편차를 보기위한 채널 옵셋 특성을 측정한 결과를 보이고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디스플레이란 무엇인가?	사람이 인식 할 수 있도록 전기 신호를 시각적인 정보로 변환하는 장치인 디스플레이(Display)는 크게 CRT와 평판 디스플레이로 분류 할 수 있다. 평판 디스플레이의 대표적인 제품으로는 PDP(Plasma Display Panel)와 LCD(Liquid Crystal Display)가 있으며, 각각 발광형과 수광형인 특징을 갖는다.
	Liquid Crystal Display(LCD)는 어떻게 영상을 표시하는가?	평판 디스플레이의 대표적인 제품으로는 PDP(Plasma Display Panel)와 LCD(Liquid Crystal Display)가 있으며, 각각 발광형과 수광형인 특징을 갖는다. 이 대표적인 두 제품 중 최근 각광을 받고 있는 LCD의 경우, 2개의 얇은 유리판 사이에 고체와 액체의 중간 성질을 가진 액정을 주입해 전원 공급 시 액정 분자의 배열을 변화시킴으로써 명암을 발생시켜 영상을 표시하는 디스플레이이다. LCD는 PDP, FED, OLED등과는 달리 그 자체가 비발광형(수광소자)이기 때문에 배면 광원이 없으면 칼라 디스플레이스로서 사용이 불가능 하다.
	LED의 장점은 무엇인가?	최근저 소비전력 및 친환경적인 녹색산업에 대한 요구가 증대되면서 높은 Contrast와 색 재현율을 가지는 LED BLU기술 개발이 활발히 진행 되고 있다[1-3]. LED는 우수한 색 재현성, 고 신뢰성, 빠른 응답 및 저 저력 특성을 가지고 있으며, 동일 휘도에서 LCD의 두께도 줄일 수 있어 그 범위를 넓혀가고 있다. 최근 고품질의 영상을 구현하기 위한 안정적인 고성능 드라이버 IC에 대한 필요성이 급증하면서 빠른 동작 속도 및 채널 휘도 편차 보상에 대한 설계 기술 요구가 증대되고 있다[4-7].

참고문헌 (7)

G. Sauerlander, D. Hente, H. Radermacher, E.Waffenschmidt, J. Jacobs, "Driver Electronics for LEDs," Industry Applications Conference, 2006. 41st IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2006 IEEE, vol.5, no., pp.2621-2626, 8-12 Oct. 2006 DOI:https://dx.doi.org/10.1109/IAS.2006.256909
Y. Yuan, S. Zhenghua, G. Yong, "Design of High-Power White LED Drive Chip with Fully Integrated PWM Dimming Function," Photonics and Optoelectronic (SOPO), 2010 Symposium on, vol., no., pp.1-4, 19-21 June 2010. DOI:https://dx.doi.org/10.1109/SOPO.2010.5504059
Y.-T. Hsieh, B.-D. Liu, J.-F. Wu, C.-L. Fang, H.-H. Tsai, Y.-Z. Juang, "A High-DimmingRatio LED Driver for LCD Backlights," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.27, no.11, pp.4562-4570, Nov. 2012. DOI:https://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2012.2188306

상세보기
C.-C. Chen, C.-Y. Wu, and T.-F. Wu, "LED Back-Light Driving System for LCD Panels", IEEE APEC 2006, pp.381-385, March. 19, 2006 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/APEC.2006.1620566
Jin-Ho Ahn,"Implementation of an LED tile controller for high-quality image display", Displays, Volume 34, Issue 1, January 2013, Pages 17-26 DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.displa.2012.10.004

상세보기
Behzad Razavi, "Design of Analog CMOS Integrated Circuits", MCGrawHill, pp. 246-290, 2001
Maxim-Dalls Semiconductor, "Why drive white LEDs with constant current," Jun. 2004, [cited 2020 Aug 3], Available From : http://www.maximintegrated.com/an3256

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증