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고 역률, 낮은 THD, 낮은 대기 전력의 정전류 LED 드라이버

글/아만 자(Aman Jha), 파브리지오 디 프랑코(Fabrizio Di Franco), ST마이크로일렉트로닉스

이 글에서는 역률은 높고 THD은 낮은 정전류 LED 드라이버를 소개한다. 이 드라이버는 넓은 입력 전압 범위(90Vac~300Vac)로 동작하고, 정전류 모드(0.7A)로 넓은 LED 전압 범위(60V~105V)를 제공할 수 있다. ST의 이 드라이버 설계는 주로 옥외 및 가로등 애플리케이션에 쓰이는 50W~80W LED 드라이버에 적합하다. 역률과 대기 전력(무부하) 소모는 에너지 스타 및 EU 에코디자인 표준에 따라 규정된 에너지 요건을 충족시킨다. ICHD는 THD 향상 기능을 사용함으로써 최대 부하에서 10% 미만을 유지한다. 컨버터 효율은 대부분 입력 전압 범위에서 90%에 이른다. 이 솔루션은 LED 개방 및 단락과 같은 보호 기능들을 모두 포함하고 있다. 또한 보드 크기가 초소형이므로 기존에 LED 가로등용으로 출시된 LED 압출 제품에 잘 맞는다.
 
머리말

LED 조명 시장의 3개 주요 부문(일반 조명, 백라이팅, 자동차) 중에서도 일반 조명은 LED 드라이버 설계자에게 기술적으로 가장 큰 과제를 안겨준다. AC 라인으로 구동되는 LED 드라이버는 IEC61000-3-2의 클래스 C 고조파 방출 한계를 준수해야 하며, 입력 전류에 대해 새로운 THD 요건을 충족시키기 위해 지정되는 경우가 점점 더 늘어나고 있다. LED 드라이버의 또 다른 기술적 어려움은 LED 드라이버의 요건에서 비롯될 수 있다. 이 드라이버들은 다양한 유형과 길이의 LED 스트링을 구동하거나 생산 및 온도의 VLED 보급에 대한 LED 전류를 조절하기 위해 정격 출력 전류용과 출력 전압 범위용으로 지정된다. 이 글에서는 THD를 낮추고 넓은 LED 전압 범위에 걸쳐 전류를 레귤레이션하는 두 가지 주요 과제를 해결하기 위해, 준공진 모드로 단일 스테이지 단일 스위치를 사용한 솔루션을 제안한다. 제품명 STEVAL-ILL085V1인 이 솔루션은 60V~105V에 이르는 넓은 범위의 출력 전압을 제공하도록 개발되었다. 이 솔루션을 사용함으로써 넓은 LED 전압 범위로 캐스케이드형 LED 드라이버보다 더 높은 루멘을 얻을 수 있다. 캐스케이드형 LED 드라이버는 드라이버 스테이지를 추가하므로 비용을 증가시키고 변환 효율을 떨어뜨린다. 그림 1은 이러한 개발 및 테스트 과정을 거친 LED 드라이버 보드를 보여준다. 이 드라이버는 높은 역률, 낮은 THD, 높은 효율, 우수한 전류 레귤레이션(CR), 낮은 전류 리플을 달성하면서도 손상 없이 50W~80W를 제공할 수 있다. 또한 디밍 기능이 추가로 구현되어 원격 디밍 및 원격 전원 온/오프가 가능하다.

[그림 1] STEVAL-ILL085V1 평가 보드

시스템 아키텍처
이 단일 스테이지 단일 스위치 LED 드라이버는 일차측 전압 레귤레이션(PSR)과 이차측 전류 레귤레이션을 사용하는 고역률(HPF) 플라이백 컨버터로 이루어졌다. 플라이백 컨버터가 준공진 모드로 동작함으로써 EMI 전도 방출, 입력 전류 폼팩터, NZV 스위칭을 최적화해 높은 변환 효율을 달성한다. 또한 구현된 THD 옵티마이저 회로를 통해 HPF QR(준공진) 플라이백 컨버터의 근원적인 입력 전류 왜곡 문제를 해결한다.
일차 측에서는 HVLED001A가 플라이백 컨버터를 제어하며, HVLED001A는 오프라인 LED 조명 애플리케이션을 위해 강화된 피크 전류 모드 컨트롤러이다. 이 디바이스는 적은 수의 수동 소자만을 사용해 출력 전압이든 출력 전류든 정확하고 신뢰성 있게 제어할 수 있는 고급 기능들을 내장하고 있다. 전용 동작 방식을 사용해 스타트업과 경부하 조건을 관리함으로써 최종 애플리케이션마다 다양한 출력을 더 우수하게 레귤레이션한다. 고전압 스타트업 회로는 800V 정격으로 최대 305Vac에 이르기까지 지극히 넓은 AC 입력 전압 범위에 적합하다. 또한 출력 단락 회로, 입력 과전압/저전압, 개방 루프와 메인 스위치 과전류와 같은 이상 조건들을 효과적으로 제어한다.
HVLED001A는 STP21N90K5를 구동하기 위한 PWM 듀티 사이클을 제공한다. STP21N90K5는 TO-220 패키지로 된 N-채널 900V의 0.25옴 정격 초고전압 수퍼 정션 기술 MDmesh K5 전력 MOSFET으로서 일차 스위치로 사용된다. 이 디바이스의 특징은 온 저항을 크게 낮추고 게이트 전하가 지극히 낮다는 것이며, 이는 탁월한 전력 밀도와 고효율이 필요한 애플리케이션에 적합하다.
이차로는 이차 정류용으로 STTH1L06과 STTH3L06 초고속 고전압 다이오드를 포함하고 있으며, 전류 제어 루프를 구현하고 LED 개방 조건 시에 출력 전압을 제하하기 위해 TSM101도 갖추고 있다. 그 다음에는 후속 레귤레이션용으로 LM2931을 사용함으로써, 추가된 모든 MCU나 원격 제어용 커넥티비티 모듈 또는 IC에 필요한 전압을 제공한다.

(a) 상단에서 본 보드 주요 부품들

(b) 하단에서 본 보드 주요 부품들
[그림 2] STEVAL-ILL085V1 평가 보드의 구성 부품들

그림 2는 STEVAL-ILL085V1 LED 드라이버의 하드웨어 상단면(a) 및 하단면(b)을 보여준다.

하드웨어 테스트 결과

이번 섹션에서는 테스트 결과를 상세하게 살펴본다. 전반적으로 테스트 결과가 우수하며, 규격 요건들을 잘 충족시키고 있다.

시스템 차원의 테스트 결과

그림 3은 STEVAL-ILL085V1의 시스템 차원의 테스트 결과를 보여준다. 그림 3(a)는 드라이버 효율로서, 전체 라인 전압(90Vac~300Vac) 및 부하(60Vdc~105Vdc) 범위에 걸쳐 87% 이상이라는 것을 알 수 있다. 그림 3(b)는 LED 전류 레귤레이션으로서, 넓은 입력 및 부하 범위에 걸쳐 1% 미만이라는 것을 알 수 있다.

(a) 다양한 LED 부하에 따른 AC-DC LED 드라이버 효율

(b) AC-DC LED 드라이버 전류 레귤레이션
[그림 3] 해당 LED 드라이버의 효율 및 전류 레귤레이션

입력 전류 THD 및 역률

그림 4는 범용 입력 전압과 각기 다른 LED 부하로 측정된 입력 전류 THD(a)와 역률(b)을 보여준다. THD는 최대 부하에서 10%보다 훨씬 낮으며, 모든 부하 조건에서는 15% 미만이라는 것을 알 수 있다. 역률은 모든 부하 및 라인 조건에서 0.95 이상이다.

(a) 다양한 라인 및 LED 부하에서의 전류 THD

(b) 다양한 라인 및 LED 부하에서의 PF
[그림 4] 해당 LED 드라이버의 전력 품질 파라미터

스위칭 동작 모드

이 LED 드라이버는 준공진(QR) 모드로 동작하므로, 정주파수 불연속 전류 모드 플라이백 토폴로지보다 더 높은 효율을 달성한다. ZCD 핀이 제로 크로싱 전류 검출을 예측한다. 그림 5는 각기 다른 라인 전압 및 부하로 스위칭 성능에 대한 테스트 결과를 보여준다.

(a) 90Vac 및 최대 부하에서의 스위칭 성능

(b) 300Vac 및 최대 부하에서의 스위칭 성능
[그림 5] 스위칭 동작(CH1: Q1 드레인 전압, 스케일: 250V/div, CH2: Q1 전류, 스케일: 2A/div)

LED 드라이버 보호 기능

이 LED 드라이버는 LED 부하 개방 외에 단락 회로에 대해서도 보호 기능을 갖추고 있다. 그림 6은 LED 개방(a) 및 단락 회로(b) 결함이 발생했을 경우의 테스트 결과를 보여준다. 두 조건 모두에서 이 전력 컨버터가 안정적으로 동작하며 부하 측으로 결함이 발생할 때마다 스위칭 동작을 정지시킨다.

(a) LED 개방 결함 조건 (스케일: 2ms/div)

(b) LED 단락 결함 조건
[그림 6] LED 드라이버 결함 발생 시의 테스트 결과
(CH1: Q1 드레인 전압, 스케일: 250V/div, CH2: Vcc 전압, 스케일: 8.4V/div)

LED 드라이버의 대기 전력 소모

대기 전력은 500mW미만이다. 그림 7은 대기 전력 테스트 결과를 보여준다. 이 조건에서 LED 드라이버는 HVLED001A의 CTRL 핀을 로우(low)로 전환해 오프 상태가 된다. 

[그림 7] LED 드라이버의 대기 전력 소모

LED 드라이버의 스마트 기능 테스트 결과

이 드라이버는 LED 디밍 뿐만 아니라 온/오프 제어가 가능하다. 그림 8은 각기 다른 PWM(%)으로 LED 전류와 LED 드라이버 출력 전력을 보여준다. 인가된 PWM 신호에 대해 거의 선형적 관계라는 것을 알 수 있다. 사용된 PWM 신호 주파수는 500Hz이다.

[그림 8] LED 디밍

맺음말

이 글에서 소개한 LED 드라이버는 극히 넓은 입력 전압 범위와 다양한 출력 전압 값을 통해 LED 전류를 고정밀 고효율로 레귤레이션한다. 폭넓게 사용되면서 매우 비용 효율적인 토폴로지인 고역률 준공진 플라이백을 사용하면서도, HVLED001A와 STP21N90K5에 기반한 ST의 이 솔루션은 새로운 THD 요건(최대 전력에서 10% 미만)을 충족시키며, 이는 어떤 지역들에서는 시장의 요구사항이 되고 있으며 대체로 달성하기가 매우 어렵다. 대기 전력 소모는 THD 성능의 영향을 받지 않으므로 이 솔루션은 향후 수년 간 새로운 규제로 인해 더욱 엄격해질 요건을 달성하는 데 좋은 방안이 되고 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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