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PCB 공간 제약 문제 해결하는 모놀리식 벅-부스트 컨버터 및 LED 드라이버

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글/카일 로렌스(Kyle Lawrence), 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스 

전자장치의 크기가 작아지면서 내부에 들어가는 회로도 같이 작아지고 있다. 이 같은 소형화 추세는 모든 산업에서 뚜렷하게 나타나며, 공간이 제한된 설계에 솔루션을 맞춰야 하는 엔지니어에게 새로운 설계 과제를 안겨준다. 

소형 전자장치의 점점 더 엄격해지는 크기 요건을 만족하기 위해 집적 회로(IC) 설계자는 외부 부품을 디바이스 내부로 들여옴으로써 외부 부품 수를 최소화한다. 어떠한 전자장치를 제작하더라도 꼭 사용해야 하는 여러 회로들 중에서 DC-DC 컨버터는 전원이 필요한 모든 곳에 들어가는 만큼 크기를 줄이기가 어렵다. 전원공급장치 설계자는 솔루션 크기를 줄이면 성능에 부정적인 결과가 나타나는 현실과 마주치곤 한다. 

PCB의 물리적 공간을 크게 줄일 수 있는 한 가지 방법은 신중하게 선택된 전원 스위치 소자를 통합한 모놀리식 DC-DC 컨버터를 IC 패키지 내에 사용하여 필요한 외부 부품을 수동 소자 몇 개로 줄이는 것이다. 많은 경우, 그렇게 축소된 소형 설계는 외부 전원 스위치 컨트롤러 설계에 비해 발열이 훨씬 더 심해져, 더 작은 공간에서 더 늘어난 전력 손실이 발생하는 바람직하지 않은 결과를 가져온다. 따라서 문제를 일으킬 만한 수준의 열을 발생시키지 않으려면 작고 효율적인 전원 시스템을 설계하는 데 있어 올바른 모놀리식 DC-DC 컨버터를 선택하는 것이 매우 중요하다.

2MHz, 모놀리식, 4스위치 벅-부스트 DC-DC 컨버터 및 LED 드라이버

LT3942는 아나로그디바이스(ADI)의 가장 다용도로 사용되는 모놀리식 벅-부스트 레귤레이터 IC 중 하나이다. 이 스텝업/스텝다운 컨버터는 성능을 떨어뜨리지 않고도 작고 유연한 DC-DC 컨버터 솔루션을 구현할 수 있게 해준다. LT3942는 4개의 40V/2A 전원 스위치, 2개의 게이트 드라이버 부트스트랩 다이오드, 그리고 모든 제어 및 드라이버 회로를 소형 4mm × 5mm QFN 패키지에 통합했다. 또한 최대 2MHz 스위칭 주파수에서 동작할 수 있어 외부 부품 크기를 최소화하여 PCB 공간을 절약할 뿐 아니라 어떤 DC-DC 컨버터에도 높은 대역폭 동작을 제공할 수 있다.

[그림 1] 이 LT3942 기반 데모 회로(DC-2404A)는 고성능 소형 DC-DC 레귤레이터 솔루션, 특히 LED 구동 솔루션을 보여준다.

LT3942는 LT8390A/LT8391A 벅-부스트 컨트롤러 IC 제품군에서 사용하는 것과 동일한 피크 전류 모드 제어 방식을 사용하며, 2-스위치 부스트(스텝업), 4-스위치 벅-부스트(스텝업/스텝다운), 그리고 2-스위치 벅(스텝다운) 동작 모드 사이를 매끄럽게 전환하며 동작한다. 이 컨버터는 입력과 출력 전압을 관찰 및 비교하여 올바른 동작 모드를 결정한다. PVIN:PVOUT 비가 달라져 컨버터가 모드를 전환하게 되면 LT3942는 레귤레이션을 유지하면서 스위치 페어 간의 제어를 지능적으로 전환한다.

다양한 PVIN: PVOUT 조합들 중에서 출력 전압을 조절하는 것 외에, LT3942는 정전류 레귤레이션 애플리케이션용으로 입력이나 출력 전류를 조절하도록 구성할 수도 있다. ISMON 핀의 전류 모니터링 피드백은 측정된 전류에 비례하여 버퍼링된 전압 출력을 제공하므로 연결된 회로가 측정된 전류 수준을 검사할 수 있다. 이처럼 전류 또는 전압 조절 기능 때문에 LT3942는 LED 드라이버, 소형 배터리 충전기, 소형 태양광 패널 구동 컨버터 또는 범용 전압 레귤레이터로 사용하기에 이상적이다.

14V, 1A LED 드라이버

그림 1은 LT3942 기반 초소형 LED 드라이버를 위한 완벽한 평가 회로를 보여준다. 이 솔루션은 직렬로 연결된 4개(최대 14V)의 백색 LED 스트링에 1A를 공급할 수 있다. 최대 전력 공급 입력 전압 범위는 7V~36V이며, 전류 동작은 4V까지 낮아질 수 있어 레귤레이트되지 않은 자동차 입력 전원에 이상적이다. 이 솔루션에서 LT3942는 2MHz 스위칭 주파수에서 동작하므로 비교적 작은 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있다. 그 결과, 전체 LED 드라이버 솔루션이 15mm × 15mm PCB 풋프린트에 실장되며, 모든 부품은 IC를 포함하여 보드의 한쪽 면에 배치된다.

또한 이 솔루션은 높은 대역폭 동작을 자랑하므로 출력 전류를 신속하게 조정할 수 있다. 벅 동작에서 LT3942는 외부 PWM 소스를 사용해 5000:1의 높은 디밍 비율을 달성함으로써 플리커 없는 100Hz에서 LED를 디밍한다. LT3942는 외부 PWM 소스를 사용할 수 없는 경우에도 내부 PWM 디밍 기능을 사용하여 디밍할 수 있다. 내부 디밍은 외부 PWM 신호 소스 없이도 디밍 주파수 설정을 위한 단 1개의 저항과 출력 전류의 듀티 사이클을 제어하는 DC 전압으로 최대 128:1 디밍을 제공할 수 있다. 대부분의 Power by Linear™ LED 드라이버 제품들과 마찬가지로, LT3942는 CTRL 핀에 DC 전압을 인가하여 최대 20:1 아날로그 디밍을 달성할 수 있는 아날로그 디밍 기능을 제공한다. 아날로그 및 PWM 디밍은 두 가지 중 하나를 단독으로 사용하는 것보다 함께 결합하여 사용할 때 더 효과적인 디밍 비율을 달성할 수 있다.

[그림 2] DC2404A는 LT3942를 사용하여 폭 넓은 입력 범위로부터 조절된 출력 전류를 공급할 수 있는 컴팩트한 14W LED 드라이버 애플리케이션을 생성한다.

[그림 3] LT3942의 높은 대역폭 동작은 넓은 동적 밝기 범위를 갖는 LED 조명 애플리케이션을 위해 높은 비율의 PWM 디밍을 달성하도록 해준다. EMI 필터를 제거할 경우, DC2404A는 120Hz에서 최대 4000:1 디밍을 달성하고, 100Hz에서 5000:1의 높은 디밍을 달성한다.

EMI 피크 낮추는 스프레드 스펙트럼 주파수 변조

저잡음 DC-DC 컨버터 시스템을 구현할 수 있도록 LT3942는 옵션인 스프레드 스펙트럼 주파수 변조(SSFM) 기능을 포함한다. 이 기능을 활성화하면 SSFM은 최대 25%의 추가적인 스위칭 주파수까지 RT 저항에 의해 설정된 값 사이에서 스위칭 주파수를 스위프한다. 이러한 스위핑 동작은 스위칭에 의해 발생하는 잡음을 좁은 대역으로 집중시키는 게 아니라 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 분산시킴으로써 전반적인 EMI 피크를 낮춘다. SSFM을 입력 및 출력 EMI 필터와 함께 사용하면 폭 넓은 주파수 범위에서 EMI를 낮출 수 있으므로, EMI 방출 기준을 준수하는 시스템을 보다 쉽게 설계할 수 있다.

12V, 1A 전압 레귤레이터

LT3942의 적용 범위는 LED 구동에만 국한되지 않는다. LT3942는 조절되지 않은 폭 넓은 범위의 전원으로부터 안정적인 출력을 생성해야 하는 설계에 적합한 소형 전압 레귤레이터이다. 그림 4의 12V, 1A 전압 레귤레이터 설계는 약간의 수정만 거치면 그림 2의 14W LED 드라이버 솔루션과 유사하다. LED 드라이버 애플리케이션과 마찬가지로, 전압 레귤레이터는 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐 출력 레귤레이션을 유지할 수 있어 7V의 낮은 전체 출력 전력을 공급하고 감소된 출력 전력으로 4V의 낮은 동작을 유지할 수 있다.

그림 4의 효율 곡선은 LT3942 12V 레귤레이터가 2MHz의 높은 스위칭 주파수에서 동작할 때도 거의 95%에 달하는 놀라운 피크 효율을 자랑하며, 대부분의 입력 전압 범위에서 85% 이상의 효율을 나타내는 것을 보여준다. 전체 출력 전력의 1/10로 출력을 구동하는 경우에도 80% 이상의 효율을 유지한다. 이는 경부하 조건에서 효율적으로 동작할 수 있다는 것을 뜻한다.

LT3942의 전류 감지 및 제어 기능은 LED 디밍 제어에 적합하게 만들어진 것이지만, 전압 레귤레이션과 전류 제어를 모두 필요로 하는 다른 상황에서도 잘 작동한다. 출력에 감지 저항을 구성할 경우 LT3942는 소형 정전류, 정전압 배터리 충전기로 작동하도록 쉽게 구성할 수 있다. 소형 배터리, 커패시터 뱅크 또는 광전지로 구동하는 회로처럼 엄격한 입력 전류 제한을 갖는 애플리케이션의 경우, 감지 저항을 레귤레이터의 입력 측으로 옮기면 시스템에 입력 전류 제한뿐 아니라 모니터링을 제공할 수 있다. LT3942는 CC 모드에서 CV 모드로(또는 그 반대로) 매끄럽게 전환하므로 언제나 입력 및/또는 출력 레귤레이션을 보장한다.

[그림 4] 12W 전압 레귤레이터로 구성된 LT3942는 넓은 입력 범위에서 우수한 라인 및 부하 효율 특성을 보여준다.

자동차 시퀀셜 방향 지시등 및 트림 조명

최근 출시되는 럭셔리 및 고성능 차에서 흔히 볼 수 있는 애니메이션 효과의 시퀀셜 방향 지시등은 기존의 깜박이는 스타일의 지시등을 빠른 속도로 대체해 나가고 있다. 초기의 시퀀셜 방향 지시등은 여러 개의 스텝다운 컨버터나 선형 레귤레이터를 사용하여 방향 지시 클러스터의 LED를 구동하는 방식이어서 복잡하고 상대적으로 비효율적이며 과도하게 큰 크기 때문에 구현 가능한 조명 설계 분야가 매우 제한적이었다. 필요한 전력 IC 수를 한 개의 고효율 디바이스로 줄이는 것은 조명 설계자의 선택 범위를 넓혀주는 확실한 방법이다.

단일 컨버터 솔루션은 다양한 LED 조합, 즉 전체 LED 점등에서부터 1개 LED 점등, 그리고 이 둘 사이의 다른 모든 조합에 이르기까지 조명 설계에서 있을 수 있는 스트링 전압에 대해 출력 레귤레이션을 유지할 수 있는 디바이스를 필요로 한다. 애니메이션 효과의 조명이 연결된 LED 구성을 따라 움직일 때, 입력 전압은 출력 전압보다 높거나 낮거나 같을 수 있다. 이러한 유형의 애플리케이션은 출력 레귤레이션을 유지하면서 동작 모드 간에 지능적으로 선택하고 매끄럽게 전환할 수 있는 스텝업/스텝다운 컨버터를 필요로 한다. LT3942의 벅-부스트 토폴로지와 고대역폭 동작은 이러한 변경을 글리치 없이 쉽게 조정할 수 있게 해준다.

[그림 5] 시퀀셜 방향 지시등 애플리케이션에서 LED는 한 번에 하나씩 켜지므로 DC-DC 컨버터는 새로운 PVIN:PVOUT 조합으로 신속하게 조정해야 한다. LT3942를 이용하면 전혀 문제될 것이 없다. LT3942는 시퀀셜 방향 지시등 패턴 동안 부스트에서 벅-부스트, 벅 동작으로 매끄럽게 전환하므로 전체 모드에서 조절된 LED 전류를 보장한다.

그림 5의 시퀀셜 방향 지시등 설계는 LT3942를 사용하여 자동차 배터리 전원에서 330mA의 전류로 8개의 LED를 구동하는데, 필요에 따라 방향 지시등을 위한 LED 황색 스트링이나, 주간 주행등 또는 전조등/미등 설계에 사용되는 기타 트림 조명을 위한 백색 스트링을 선택하여 구동한다.

마이크로컨트롤러는 운전자의 방향 지시 조작과 조명 시스템 간의 인터페이스 역할을 담당한다. 이는 조명 설계자(또는 원하는 경우 최종 사용자)가 LED의 움직이는 시퀀셜 점등을 수행하는 데 필요한 모든 타이밍 및 신호를 완벽하게 제어할 수 있게 할 뿐 아니라, 특정 시간에 어떤 컬러의 LED 스트링을 구동할 것인지도 제어할 수 있게 해준다.

이 설계에서 시퀀셜 점등 패턴 동안 방향 지시 LED는 한 번에 하나씩 스트링에 들어오면서 방향 지시 신호를 구현한다. 마이크로컨트롤러가 LED를 스트링에 추가해 나갈 때, LT3942는 일정한 조명 밝기를 위해 출력 전류의 조절을 유지한다. 모든 LED에 불이 들어오면, LT3942는 스위칭 동작을 멈추고 출력 전압은 다음 번 시퀀셜 점등에 컨버터를 준비하기 위해 방전된다. 방향 지시 신호가 사용되지 않을 때 마이크로컨트롤러는 트림 조명 LED 스트링을 다시 연결하고 사용자가 방향 지시 신호를 입력할 때까지 계속 대기함으로써 두 가지 조명 기능을 한 개의 LED 드라이버 솔루션으로 결합한다.

맺음말

점점 더 소형화하는 전자장치의 제한된 공간 요건을 만족하기 위해 엔지니어는 더 작은 통합 디바이스를 찾지 않으면 안 된다. LT3942 모놀리식 벅-부스트 컨버터 및 LED 드라이버는 성능을 떨어뜨리지 않으면서 많은 공간 절약 기능을 통합함으로써 공간 제한 문제를 해결한다. 이 디바이스의 모놀리식 설계와 2MHz 스위칭 주파수 동작은 솔루션 크기를 줄여주므로 좁은 PCB 설계에 모두 넣을 수 있다. 또한 유연성도 매우 뛰어나 정전류 및 정전압 레귤레이터로 모두 동작할 수 있어 다양한 애플리케이션에 적합하다.

엄격한 EMI 요구사항을 만족하기 위해 저잡음 전력 공급장치를 필요로 하는 설계의 경우, LT3942의 SSFM 기능은 전도 및 방사 방출을 낮추도록 도와주고, 편리한 IC 패키지 핀아웃은 매우 작은 스위칭 핫 루프를 가능하게 한다. 이러한 기능과 넓은 입력 범위는 설계자가 컴팩트한 전원 설계 이슈에 직면했을 때 설계 고민을 덜어준다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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