서론
본 게시글의 목적은 다양한 LED 드라이버용 스위칭 토폴로지의 장점, 트레이드오프, 그리고 응용 사례를 설명하여 선택 과정에 도움을 주는 것입니다. 특정한 반도체 접합 구조를 활용하는 LED는 가시광 전체 영역은 물론, 적외선과 자외선 영역에 이르는 다양한 색상의 빛을 발생할 수 있습니다.
LED의 출력은 단자 전압의 미세한 변화에도 불구하고 접합부에 흐르는 전류를 정확하게 조절함으로써 정밀하게 제어된 빛입니다.
차량 LED 시스템용 스위칭 토폴로지
적합한 스위칭 토폴로지는 전체 시스템 설계에 맞춰 선택해야 하며, 다음 요소들을 고려해야 합니다:
- 최소 입력 전압
- 최대 입력 전류
- 최대 스트링 전압
- 섀시 접지 가능 여부
- 출력 단락 대응 능력
- 출력 LED 전류
- PWM 디밍
스텝다운(벅) 컨버터
스텝다운(또는 벅) 컨버터는 높은 DC 입력 전압을 더 낮고 조정 가능한 출력 전압으로 효율적으로 변환하는 DC-DC 컨버터의 한 종류입니다. 벅 LED 드라이버는 전체 LED 스트링 전압보다 높은 전압으로부터 LED 스트링에 흐르는 전류를 조절합니다. 벅 LED 드라이버는 부하 전압(LED에 필요한 전압)이 공급 전압의 약 85%를 초과하지 않는 경우에만 사용됩니다. 벅 LED 드라이버는 섀시 접지가 가능하며, 시스텝 접지에 안전하게 단락 시킬 수 있습니다.
벅 컨버터에서 주의 깊게 살펴봐야 할 주요 특징은 다음과 같습니다:
- 고정 주파수 동작
- 우수한 스위칭 제어 및 저항이 낮은 스위칭 소자를 통한 높은 효율
- 아날로그 디밍 범위 전반에 걸친 높은 정확도
- 우수한 EMI 성능을 위해 적절하게 설계된 스프레드 스펙트럼 주파수 변조
스텝업(부스트) 컨버터
스텝업(또는 부스트) 컨버터는 입력보다 출력 전압은 높이고 출력 전류는 낮추는 DC-DC 컨버터의 한 종류입니다. 이 컨버터는 스위치카 켜진 동안 인덕터에 에너지를 저장하고, 스위치가 꺼진 동안 이 에너지를 부하로 전달함으로써 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 효율적으로 상승시킵니다.
부스트 LED 드라이버는 전체 LED 스트링 전압보다 낮은 전압으로부터 LED 스트링에 흐르는 전류를 조절합니다. 이 방식은 단일 스트링으로 많은 LED를 동작시켜야 하는 자동차 시스템에서 특히 유용합니다. 일반적으로 12V 자동차 시스템의 동작 범위는 6V에서 18V이므로, LED 드라이버는 LED를 계속 점등시키기 위해 높은 승압 비율을 제공하면서 6V에서도 동작해야 합니다.
부스트 컨버터를 이용한 부스트-벅
일부 스텝업(또는 부스트) LED 드라이버는 LED의 캐소드(음극)를 전원으로 되돌리는 방식으로 구성할 수 있으며, 이를 부스트-벅 구성이라고 합니다. 전체 출력 전압은 VIN(VBATTERT)에 전체 LED 스트링 전압을 더한 값이 됩니다.
부스트 컨버터를 이용한 벅-모드
일부 스텝업(또는 부스트) LED 드라이버는 (일반적인 벅 컨버터처럼 접지를 기준으로하지 않고) 공급 전압을 기준으로 스텝다운하도록 구성할 수 있으며, 이를 벅-모드 구성이라고 합니다. 이 구성의 제한 사항은 벅과 동일하며, 전체 LED 스트링 전압이 입력 전압보다 낮아야 합니다.
벅-부스트 컨버터
벅-부스트 LED 드라이버는 전체 LED 스트링의 전압보다 높거나 낮은 전압으로부터 LED 스트링에 흐르는 전류를 조절합니다. 이 컨버터는 스텝다운 모드에서는 입력 전압에 연결된 하이사이드 스위치를 조절하고, 스텝업 모드에서는 출력 측의 로우사이드 스위치를 조절합니다. 이 토폴로지는 가장 복잡하면서도 가장 유연한 방식이며, VIN과 VOUT의 범위는 컨트롤러 IC에 의해서만 제한됩니다. 매트릭스 방식의 응용 분야에 적합한 선택입니다.
결론
차량 LED 조명 시스템은 스위칭 레귤레이터를 사용해 다양한 방식으로 구동할 수 있습니다. 응용 분야에 따라 적절한 스위칭 토폴로지를 선택하면, 조명 설계자는 차량 전반에 걸친 다양한 조명 요구 사항을 만족하는 완전한 서브시스템을 구현할 수 있습니다. 시스템에 알맞는 전력 변환 스위칭 토폴로지와 구성을 선택하면 복잡성, 효율, 전자파 장해, 그리고 안전과 같은 요구사항들을 최적화할 수 있습니다.
영문 원본: Automotive LED Driver Power Conversion Topology Guide