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LED 확산을 촉진할 조명 솔루션


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글/제임스 리(James Lee), 온세미컨덕터 조명 분야 마케팅 담당


현재 솔리드 스테이트 라이팅(solid state lighting, SSL) 솔루션의 주된 단점으로 꼽히는 것은 LED 자체가 아니라 빛을 밝히는데 필요한 에너지를 제공하는 전원 공급 장치다. 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 LED보다 기대 수명이 훨씬 짧은데, 이는 이들이 포함하고 있는 자기 부품과 전해 콘덴서의 수명 때문이다. 또한, 팬과 같은 능동적 냉각 장치가 포함된 SMPS는 특히 단기적인 불량이 발생하기 쉽다. 또한 부피가 크고 전자파간섭(Electro-Magnetic Interference, EMI)의 주요 원인이 된다는 단점도 있다. SMPS의 필요한 크기와 조명 설치시 필요한 제한된 공간으로 인해서 LED와 SMPS PCB를 바로 연결하기 어렵게 하며, 이는 또 다른 불량의 원인이 되는 상호연결과 리드(lead)의 필요성으로 이어진다.
그러나, 최근 전력 기술과 토폴로지의 발전에는 다이렉트 AC 드라이브(DACD) 전력 솔루션의 등장이 포함된다. 이 새로운 접근법은 기존 SMPS를 전혀 사용하지 않아 비용과 크기, 수명, 안정성 면에서 다양한 이점이 있지만, 모든 DACD 솔루션이 다 동일한 것은 아니다.

DACD 토폴로지

모든 DACD 솔루션에는 공통적으로 기존 4-다이오드 배열을 사용해 50/60Hz 입력 AC 파형을 100/120Hz 반파 정류하는 입력 브리지 정류기가 있다. 피크는 110V AC 입력의 경우, 약 155V이며, 230V AC 입력의 경우 325V 정도로 다양하지만, 원칙은 동일하다.
LED 드라이브용 DACD 토폴로지는 주로 아래와 같이 두 가지 유형으로 나뉘며, 각각 장단점이 있다.
두 유형 모두 SMPS 기반 솔루션에 필요한 이중 보드 방식과 반대인 단일 보드 솔루션을 사용할 수 있다. 션트 유형 DACD는 BOM 비용이 절감되는 단일 IC를 사용한다. 또한, 열 성능은 비교적 약하지만 확장이 쉽다는 장점도 있다.

TT(LED)-1.jpg

[그림 1] 일반적인 DACD 토폴로지와 주요 특징

반대로, 바이패스 유형은 다중 IC를 사용하는 경향이 있어 BOM 비용이 많이 든다. 그러나 이 방식은 많은 LED 스트링을 필요로 하는 애플리케이션에 더 적합하다. 션트 방식과 비교해 확장성은 제한적이지만, 총 고조파 왜곡(THD)을 사용한 전기적 성능은 션트 유형이 약 30%인 반면, 바이패스 유형은 주로 10% 미만으로 더 우수하다.
이러한 DACD 유형은 기존 SMPS 방식에 비해 상당히 발전되었음을 보여주지만, 이 것 역시 최신 LED 기반 애플리케이션에 전력을 공급하기에 완벽하게 이상적인 솔루션은 아니다. 현재 시장에는 여러 IC 기반 DACD 솔루션이 있으며, 라인 레귤레이션(line regulation), 열 성능, 서지 저항(surge resistance), 디밍 기능 및 가격 면에서 개선될 가능성이 있다.
그림 2는 DACD 솔루션 기본 작동 모드를 보여준다. AC 라인 전압이 반파 정류된 사인(half-sine)을 통과하면서 IC 내 스위치는 각 LED를 밝히는 전류 (ILEDn)를 유도한다. 그러나 스위칭에 대한 이러한 선형적 접근법에는 한 가지 주요 단점이 있는데, 바로 THD가 높다는 점이다.

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[그림 2] 기본 작동 파형 및 계통도

최신 조명 솔루션
온세미컨덕터의 NCL30170은 출시된 최신 DACD 솔루션 중 하나다. 션트 토폴로지에 기반한 NCL30170은 앞서 설명한 단일 IC 솔루션, 저렴한 BoM 비용, 쉬운 확장성 등의 장점을 모두 갖추고 있다. 그러나 이 솔루션의 고유한 특징 중 하나는 다양한 외부 MOSFET 스위치를 구동해 여러 LED 스트링을 연결할 수 있다는 점이다. 현재까지 출시된 제품 중 NCL30170만이 이러한 기능을 갖췄다. 이는 전력을 결과적으로 10W에서 200W로 확장할 수 있으며, 연결된 총 LED 스트링과 외부 스위치 수를 최대 전력 수준으로 제한한다.

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[그림 3] NCL30170은 단일 출력, 다중 스트링 션트 DACD 솔루션이다.

대부분의 애플리케이션에서는 주 전원 전압에 변동이 있어도 LED 밝기를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 일반적으로 DACD 드라이버는 ±10% 라인 레귤레이션을 달성할 수 있다. 온세미컨덕터의 새로운 디바이스는 ±1%를 달성하며, 이는 연결된 LED로부터 지속적인 광 출력을 보장하는 매우 중요한 개선점이다.
NCL30170은 기존 DACD 솔루션에 사용된 선형 접근법과 비교해 전류를 조절하는 독점적 방법을 사용한다. 전압 트리거링 지점은 동일하게 유지하지만, 계단 형태(Step shape)가 아닌 부드러운 정현파 형태의 전류(그림 4의 오른쪽)로 제어된다. 이는 또한 10% 이내의 THD를 이끌어낸다.

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[그림 4] 독점 전류 평활화/형상화는 부드러운 정현파 파형을 제공한다.

따라서 NCL30170은 뛰어난 THD와 더불어 0.98 이상의 업계 선도적 PFC(Power Factor Correction) 성능을 제공한다.

효과적인 디밍의 중요성


LED를 디밍하는 기능은 많은 애플리케이션에 있어 중요하며, 페이즈-컷(Phase-Cut)이라 불리기도 하는 펄스 폭 변조(PWM)나 아날로그 제어로 구현할 수 있다. PWM 디밍방식은 매우 다양한 디밍 기능을 제공하지만, 깜빡임 등과 같은 심각한 단점이 있어 이 조명에 노출된 사람들 중 두통을 호소하는 사람도 있는 것으로 나타났다. 또한, 높은 수준의 PWM 수준 디밍은 가청 소음도 유발해 특히 실내 애플리케이션에 사용하기엔 바람직하지 않다.
많은 DACD 솔루션이 디밍을 10%까지 감소시킬 수 있지만, NCL30170은 아날로그 디밍을 이용하여 5%까지 제공할 수 있어 까다로운 최신 애플리케이션의 요구사항을 충족한다. 이 디바이스는 전체 디밍 범위에서 라인 레귤레이션을 유지해 LED 발광이 저전력에서도 유지된다.
TRIAC를 사용한 페이즈-컷 디밍에 있어, NCL30170가 가진 강력한 PWM 성능은 기존 조명 시스템에서 LED 애플리케이션으로의 개조시 매우 적합하다.

요약


LED 조명은 오늘날 사용할 수 있는 조명 솔루션 중 상당 부분을 차지한다. 이는 최신 애플리케이션이 필요로 하는 저전력, 저비용, 소형 요건을 갖추고 있어 향후 더욱 폭넓게 사용될 전망이다. 기존 백열등 시스템을 더욱 유연한 다목적 LED 조명으로 개조하는 작업은 미래 성장을 견인하는 주요 동력이 될 것이다.
최근까지 SMPS는 LED 시스템에 전력을 공급하는데 사용돼 왔지만, 수명과 지속 시간 문제가 있고 부피가 커서 제한된 공간에 LED 솔루션을 설치하는 기능을 복잡하게 만들고 제한되었다.
DACD는 LED 스트링에 전력을 공급하는 실용적인 기술로 떠오르고 있다. 이 기술은 SMPS의 많은 단점, 특히 수명과 지속 시간, 크기, 비용 등을 해결하며 향후 LED 조명 설치를 늘리는데 상당 부분 기여한다. 온세미컨덕터의 NCL30170과 같은 디바이스는 DACD 애플리케이션 시장 분야가 요구하는 성능과 유연성, 더불어 수명과 사용 시간을 제공하도록 지원한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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