싱글셀 배터리를 이용한 고효율 16개 직렬 LED 백라이트 구현법아날로직테크_스티브 헐리(Steve Hawley) 수석 애플리케이션 엔지니어링 매니저www.analogictech.com 개요일반적으로 시스템 설계자들은 노트북, 컴퓨터 모니터, 휴대용 미디어 플레이어 및 기타 휴대용 소비자 전자제품의 대형 LCD 디스플레이 백라이트 조명으로 CCFL을 사용한다. 그러나 새로운 고광도 LED가 출시됨에 따라 대형 디스플레이에도 LED 백라이트를 적용할 수 있게 됐다. CCFL과 비교하면 LED 백라이트는 동작 효율 향상, 부품 수 감소, 수명 연장, 디밍 기능 확대 및 색상 범위(Color Gamut) 개선 등과 같은 장점이 있다. 동작 효율이 증가함에 따라 열 발생이 줄어들고, 배터리 수명은 더욱 늘어나 핸드헬드 시스템에 매우 이상적인 솔루션을 제공할 수 있는 것이다. 보통 LED 백라이트는 3인치 미만의 중소형 휴대용 LCD 디스플레이에 광범위하게 쓰인다. 대부분의 경우 이러한 애플리케이션은 2~6개의 백색 LED(WLED)를 병렬로 연결해서 사용한다. 병렬연결 방식에서는 제어 IC가 저렴한 저전압 CMOS 프로세스를 사용할 수 있다.(<그림 1> 참조)
이 IC는 로우사이드 전류 싱크(하이사이드 전류 소스 또한 가능)에 의해 프로그램된 정전류로 LED를 구동한다. 그러나 결과적으로 채널 간 미스매치가 발생하므로 넓은 시청 면적(Viewing Area)에서 더 많은 LED가 쓰이는 대형 LCD 디스플레이에는 적합하지 않다. 이러한 단점을 해결하기 위해 최근 시스템 개발자들은 대형 휴대용 LCD 디스플레이용 백라이트에 직렬 LED 연결 방식 도입을 시도하고 있다. 직렬연결 방식은 LED 전류 매칭과 LCD 표면의 균일한 휘도를 보장한다. 그러나 LED 스트링은 직렬 백색 LED 스트링을 구동하기 위해 높은 출력 전압을 요구한다. 즉, 입력 전압이 3.2V로 낮은 싱글셀 리튬이온 배터리 팩에서 고출력 전압을 만들어 내야 하는 것이다. 차동 전압이 이렇게 높으면 일반 스텝업(부스트) LED 드라이버 솔루션을 필요로 하게 된다.(<그림 2> 참조)
본고에서는 정전류 WLED 백라이트 드라이버용 커플형(Coupled) 인덕터 부스트에 대해 다루고자 한다. 이 방식은 또한 정전류 멀티스트링(R-G-B) 백라이트 애플리케이션과 고정 출력 전압 애플리케이션(OLED)에도 적용될 수 있다. 대형 부스트 LED 드라이버와 관련한 설계 이슈휴대용 DVD 플레이어용 7인치 TFT LCD 스크린은 최대 16개의 WLED를 필요로 하며, 균일한 조도를 위해 직렬연결 방식 LED가 많이 쓰인다. 입력 전압(VIN)이 낮으면 기존의 부스트 컨버터는 직렬 LED 스트링 전도에 필요한 출력 전압(VOUT)을 만들기 위해 높은 듀티 사이클(D)에서 동작해야 한다. 연속 모드 부스트 컨버터의 경우, D는 다음 등식과 같이 계산된다.높은 VOUT에서 듀티 사이클(D)은 1에 접근하며 이는 곧, 다이오드 D1이 전도될 때 출력 회로에서 OFF 타임(1-D)이 짧고, RMS 전류(IRMS)가 높다는 것을 의미한다. 최악의 경우 IRMS은 다음과 같은 등식으로 추측이 가능하다.OFF 타임 동안의 전력 손실(PLOSS(OFF))은 출력 회로의 기생 저항에 의한 IRMS 평방 제곱에 비례한다. 기생 저항은 인덕터 와이어, 회로 트레이스, 출력 커패시터 ESR(Equivalent Series Resistance) 및 출력 정류기(D1)에서 발견된다. OFF 타임(D1 전도) 동안, 부스트 스위치(SW) 전압은 다이오드 드롭 때문에 출력 전압보다 커진다. 16개 직렬 WLED로 인해 SW 전압은 65V 정도로 높아질 수 있다. 여기에는 고전압 부스트 스위치가 필요하다. 주어진 IC 기술에서 고전압 스위칭 디바이스는 저전압 디바이스에 비해 덜 효율적이고, 비용이 더 많이 든다. 예를 들어 3.2V 입력 배터리 전압과 55V 출력 전압을 가지는 IC 제어 회로는 적어도 94%의 듀티 사이클을 갖출 수 있어야 한다. 기존의 부스트 IC 컨트롤러는 최대 듀티 사이클 범위가 85~95%이다. 이러한 이유들로 기존의 부스트 토폴로지는 다중 직렬 WLED에 별로 효과적이지 못하다. 추가 인덕터 와인딩으로 제어 단순화 및 효율 향상휴대용 기기 제조업체들은 제품 사이즈와 비용을 줄이기 위해 다양한 LED 조명 기능을 동일 드라이버 IC에 통합하는 방법을 모색하고 있다. 백라이트 외에 이러한 기능들로는 카메라와 비디오 기능 지원을 위한 RGB 인디케이터, 키패드 조명 및 플래시·무비모드 등을 들 수 있다. 그런데 기존 부스트 드라이버는 서로 다른 LED 스트링을 구동하는 데에는 효과적이지 못하다. <그림 3>과 같이 6개의 통합 WLED와 2개의 플래시 LED(FLED) 드라이버 경우를 고려해 보자. WLED 스트링에 의해 요구되는 출력 전압은 FLED 스트링에 필요한 출력 전압보다 더 높다.
동시에 진행되는 백라이트 및 플래시·무비모드 이벤트 동안, 포지티브 전압 미스매치가 플래시 전류 싱크(IS2 핀)에서 그라운드에 걸쳐 일어나게 된다. 이는 높은 차동 전압(VDIFF)으로 이어지며 전류 싱크에서 많은 손실을 유발하게 된다. 뿐만 아니라 전류 싱크는 고전압 특성을 띠어야 하기 때문에 결국 IC 사이즈와 비용이 증가한다.
<그림 4>의 회로는 이러한 문제들을 해결하기 위해 커플형 인덕터와 함께 아날로직테크의 대형 LED 백라이트 애플리케이션용 AAT1231 LED 드라이버를 사용한 것이다. 성능이 향상된 부스트 회로는 싱글셀 리튬이온 배터리를 통해 20㎃에서 55V의 출력을 제공함으로써 1.2W 연속 출력 전력을 달성, 16개의 WLED를 구동할 수 있다. 여기에 필요한 것은 메인 인덕터 와인딩과 직렬로 연결되는 추가 와인딩뿐이다. 커플형 인덕터 방식은 동작 듀티 사이클(D)을 감소시키고, 표준 부스트 토폴로지의 이용 가능한 출력 전압 범위를 증가시킨다. D가 감소되어 결국 동작 효율이 향상되고 부품 스트레스는 줄어들게 된다. 에너지는 ON 기간 동안 인덕터 기본 와인딩에 저장된다. 그러나 기존 부스트 드라이버와는 달리, 2차 턴스(NS, Secondary Turns)는 OFF 기간 동안 유효 인덕턴스를 증가시킴으로써 전류 슬루 레이트와 출력 회로에서 최종 RMS 전류를 감소시킨다. 듀티 사이클(D)과 스위치 전압(SW)은 턴스 비율(Turns Ratio, NS/NP : 인덕터의 기본 턴스에 대한 2차 턴스 비율)에 의해 결정된 양만큼 감소된다. 이는 기존 부스트 회로보다 더 높은 동작 효율을 제공한다. 출력 정류기는 ON 기간 동안 2차 와인딩에서 나타나는 출력 전압과 더불어 네거티브 전압을 견딜 수 있어야 하므로 고전압, 누설 전류 초고속 정류기를 선택하였다.(D1) 이 정류기는 정격 전압이 80V이며, 소형 0603 패키지로 제공된다.
커플형 인덕터는 쿠퍼 테크놀로지의 CTX01-17851-R가 사용되었다. 이 인덕터는 2.2uH의 기본 인덕턴스와 4:1 턴스 비율 및 2.0A의 포화 전류를 제공하며, 5×5×1.2㎜ 패키지 형태로 제공된다. 이 커플형 인덕터의 감소된 와인딩 밀도는 비슷한 스펙의 비커플형 부스트 인덕터에 비해 인덕터 사이즈가 조금 더 크다. ● 턴스 비율은 스위치 정격 밑으로 드레인 전압을 유지하기 위해 선택된다.설계자는 저 누설 인덕턴스의 커플형 인덕터를 지정해야 한다. 이로써 누설 에너지가 기생 커패시턴스와 연결될 때 Turn OFF 이벤트 동안 발생하는 드레인 전압 스파이크(VS)를 최소화 할 수 있다. ● 듀티 사이클은 커플형 인덕터 턴스 비율에 의해 결정된 양만큼 감소된다.커플형 인덕터는 최고 84%의 효율을 제공한다. 저비용 TSOPJW-12 패키지는 추가 히트 싱크가 필요 없다. 커플형 부스트 토폴로지는 또 다른 이점이 있다. 기존 부스트 토폴로지와는 달리 턴스 비율을 조절함으로써 개별 LED 스트링에서 전압을 설정할 수 있다. 이로써 전력 손실을 줄일 수 있는 것은 물론, 고전압 전류 싱크를 사용하지 않아도 된다.(<그림 6> 참조) 이 회로는 500㎳ 동안 150㎃에서 16개 WLED (OSRAM PLZ22)에 연속 드라이브와 2개 FLED(샤프 GM5BW05340)에 비연속 드라이브를 제공한다. 50㎃에서 연속 FLED 동작은 무비·토치 모드 동작을 만족시킨다.
트랜지스터 Q1 및 다이오드 D3로 구성된 전류 미러는 WLED 전류와는 별도로 150㎃에서 FLED 전류를 레귤레이트(regulate)하기 위해 추가되었다. 다이오드 D2와 출력 커패시터 C2는 FLED 부하에 의해 크기가 결정된다. 트랜지스터 Q2는 WLED 전류를 떨어뜨리지 않고 플래시를 토글(toggle)한다. 출력 커패시터 C2가 누설 인덕턴스 전압 스파이크를 클램프(clamp)함으로써 AAT1231의 스위칭 핀에서 추가 동작 전압 마진을 제공하는 것 또한 장점이다. 커플형 인덕터는 최적의 LED 스트링 전압에서 각 LED 스트링과 전류 싱크를 구동할 수 있게 하므로, 높은 동작 효율을 달성하고 시스템 비용을 줄일 수 있다. 또한 이 다중 출력 커플형 인덕터 토폴로지는 확장성이 매우 높고, 정전류(LED) 또는 정전압(OLED 등) 부하를 위해 와인딩을 추가할 수 있다.
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