[논문]전류원 방식의 가시광 무선통신용 LED 스위칭 드라이버

백미란; 조상호; 장병준; 한상규; 홍성수; 노정욱

전류원 방식의 가시광 무선통신용 LED 스위칭 드라이버
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백미란 (국민대학교 전력전자 연구소) , 조상호 (국민대학교 전력전자 연구소) , 장병준 (국민대학교 전력전자 연구소) , 한상규 (국민대학교 전력전자 연구소) , 홍성수 (국민대학교 전력전자 연구소) , 노정욱 (국민대학교 전력전자 연구소)

가시광 무선통신 시스템은 LED 전류를 데이터 신호에 따라 제어하여, 기존의 LED 조명장치를 통신 수단으로 사용 가능하기 때문에 차세대 통신 수단으로 주목 받고 있다. 본 논문에서는 이러한 가시광 무선통신 시스템을 위한 전류원 구동 LED 드라이버를 제안한다. 제안된 LED 드라이버는 컨버터의 전류원을 이용하고 LED와 병렬 연결된 스위치 소자를 스위칭 구동방식으로 제어함으로써, 기존의 선형 구동방식보다 전력손실 및 발열을 크게 개선하여 대용량의 LED 조명장치에 적용할 수 있는 장점이 있다. 제안 회로의 가시광 무선통신 시스템 구현을 통해 제안된 LED 드라이버의 우수성 및 이론적 해석의 타당성을 검증한다.

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문제 정의

본 논문에서는 가시광 무선통신 시스템을 위한 전류원 방식의 LED 스위칭 드라이버를 제안하였다. Linear 방식의 기존 LED 드라이버는 낮은 전력 변환 효율과 이에 따른 발열이 큰 단점이었다.
본 논문에서는 제안한 LED 드라이버의 이론적 분석과 실제 가시광 통신 시스템의 구현을 통해 제안한 회로의 우수성을 검증한다.

제안 방법

그러나 이러한 방식은 스위치에서 소모되는 전력손실이 크게 발생하여 대용량 조명용 LED에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 그림 2(a)와 같은 전류원 방식의 LED 스위칭 드라이버를 제안하였다. 제안한 방식은 스위칭 영역에서의 스위치 구동을 통해 높은 전력 변환 효율을 가지며 발열 특성 또한 개선되어 대용량의 조명용 LED 에 적용할 수 있는 장점이 있다.
그림 3(a)는 LED 구동 전류원인 인덕터 전류이며, 그림 3(b)는 데이터의 송신 신호 이다. LED 어레이와 스위치(Q)는 병렬 구조이므로 LED 구동 전류를 송신 신호와 동일하게 출력하기 위해 스위치의 앞 단에 반전 회로를 추가하였다. 그림 3(c)와 (d)는 각각 스위치의 게이트-소스 전압과 스위치 전류 파형을 나타낸다.
기존의 벅 컨버터에서 출력 캐패시터 대신 LED 어레이와 병렬 스위치가 삽입된 구조이다. LED의 광량은 전류에 비례하므로 정전류 제어를 위해 센싱 저항(Rsen)을 삽입하여 제어단을 설계하였다[2]. 또한 반전된 송신 신호를 스위치의 게이트에 인가하기 위해 비교기를 사용한 반전회로를 삽입하였다.
LED의 광량은 전류에 비례하므로 정전류 제어를 위해 센싱 저항(Rsen)을 삽입하여 제어단을 설계하였다[2]. 또한 반전된 송신 신호를 스위치의 게이트에 인가하기 위해 비교기를 사용한 반전회로를 삽입하였다.
본 논문에서 제안한 전류원 방식의 LED 스위칭 드라이버를 검증하기 위해 그림 4와 같이 벅 컨버터를 적용하여 구현하였다. 기존의 벅 컨버터에서 출력 캐패시터 대신 LED 어레이와 병렬 스위치가 삽입된 구조이다.
제안된 LED 스위칭 드라이버를 검증하기 위해 20W급 LED Array를 사용하여 가시광 무선 통신 오디오 시스템을 구현하였다. DVD 플레이어에서 출력된 오디오 재생 신호는 제안한 LED 드라이버를 통해 LED를 점멸시키게 된다.

성능/효과

첫 번째 파형과 두 번째 파형은 각각 가시광 통신을 통해 송신할 데이터 신호(DVD 플레이어의 출력)와 LED 전류 제어 스위치(Q_tx)의 게이트-소스 전압을 나타낸다. 데이터신호와 LED 전류의 동일한 출력을 위해 송신신호가 반전되어 스위치의 게이트에 인가되는 것을 확인할 수 있다. 반전된 송신 신호를 바탕으로 LED와 병렬 연결된 스위치가 턴-오프 동작을 하므로써 LED가 송신신호와 동일하게 점멸되는 것을 세번째 파형으로부터 확인할 수 있었다.
데이터신호와 LED 전류의 동일한 출력을 위해 송신신호가 반전되어 스위치의 게이트에 인가되는 것을 확인할 수 있다. 반전된 송신 신호를 바탕으로 LED와 병렬 연결된 스위치가 턴-오프 동작을 하므로써 LED가 송신신호와 동일하게 점멸되는 것을 세번째 파형으로부터 확인할 수 있었다.
Linear 방식의 기존 LED 드라이버는 낮은 전력 변환 효율과 이에 따른 발열이 큰 단점이었다. 본 논문에서 제안한 LED 드라이버는 기존 Linear 방식과 달리 LED를 스위칭 방식으로 구동하여 전력 변환 효율이 우수해 대용량 조명 장치에도 적용 가능한 장점이 있다. 제안된 LED 드라이버의 이론적 해석을 실시하였고, 이를 통한 설계와 실제 20W급 LED를 이용한 가시광 무선통신 시스템을 구현하여 제안 시스템의 우수성과 이론적 분석의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서 제안한 LED 드라이버는 기존 Linear 방식과 달리 LED를 스위칭 방식으로 구동하여 전력 변환 효율이 우수해 대용량 조명 장치에도 적용 가능한 장점이 있다. 제안된 LED 드라이버의 이론적 해석을 실시하였고, 이를 통한 설계와 실제 20W급 LED를 이용한 가시광 무선통신 시스템을 구현하여 제안 시스템의 우수성과 이론적 분석의 타당성을 검증하였다.
이를 해결하기 위해 본 논문에서는 그림 2(a)와 같은 전류원 방식의 LED 스위칭 드라이버를 제안하였다. 제안한 방식은 스위칭 영역에서의 스위치 구동을 통해 높은 전력 변환 효율을 가지며 발열 특성 또한 개선되어 대용량의 조명용 LED 에 적용할 수 있는 장점이 있다. 그림 2(b)는 제안 방식의 실제 구현을 위해 큰 인덕턴스의 인덕터를 전류원으로 구성하여 설계한 LED 스위칭 드라이버 회로이다.

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