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PFC·THD에 대한 글로벌 요구사항을 충족시키는 LED 드라이버

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

대부분의 조명 애플리케이션은 사용하는 전구와 소비전력으로 정의됐으나, LED 기술의 등장으로 이 기준은 변화했다. 오늘날에는 동일한 솔리드-스테이트 기술이 저전력, 중전력, 고전력 조명 애플리케이션에 적용돼 한층 향상된 효율성과 밝기를 제공한다.
형광관, 가로등, 투광 조명 그리고 야외용 조명등과 같은 대전력 표준 조명장치 및 설비에 있어서, 전력 절감에 대한 요구는 커지고 있다. 또한 연결 및 디밍 조정에 대한 편리함 덕분에 LED 조명의 비즈니스는 증가하고 있다. LED 조명은 효율이 좋아서, 대부분의 LED 조명 애플리케이션을 100W 이하로 사용할 수 있으며, 이는 토폴로지(전력 컨버터와 LED 컨트롤러, LED 드라이버를 포함)에 직접적인 영향을 미친다.

드라이버 요구사항

근본적으로 백열 전구가 아닌 AC 전원에 직접 연결되는 대다수의 조명장치는 일종의 전력 변환장치가 필요하다. LED 조명은 포지티브 또는 정류 전원으로 동작하지만, 다른 조명 장치는 고압/고주파 AC 전원으로 동작한다. 이 부분에서 주로 에너지가 소실되고 비효율성이 발생하지만, 동일한 밝기의 경우 LED가 훨씬 낮은 전력을 소모하므로 저전압 AC/DC 전원에서도 작동할 수 있다. 100W 이하 전력을 소요하는 조명은 단일 스테이지 플라이백(Single-stage Flyback) 토폴로지를 주로 사용한다. 기존 조명에서 LED로 바꾸는 경우, AC에서 DC로 전환하는데 있어 지속적이고 안정적인 전원공급을 제공하는 것은 중요한 문제이다.
가까운 시일 내로 전체 조명 회로가 DC로 전환된다는 예측은 다소 무리가 있다. 그러므로 각 전구와 부품, 조명장치에 맞는 변환장치 및 드라이버를 개발해야 한다. 사용자 입장에서 조명 부품에 이들 구성 요소를 통합하는 것은 그나마 가장 편리한 방법이지만, 전구에 통합하는 것이 더 이상적인 방법이다.
100W이하 애플리케이션의 경우, 단일 스테이지 컨버터가 가장 일반적인 토폴로지이며, 일반적으로 100W를 초과하는 전력 수준에는 멀티 스테이지 컨버터가 필요하다. 단일 스테이지 컨버터는 여러 전구나 다운 라이터(down-lighters)가 요구하는 매우 낮은 전력을 포함한 다양한 애플리케이션을 소화할 수 있다.
PFC(Power Factor Correction)와 낮은 THD(Total Harmonic Distortion)를 제공해야 한다는 점은 모든 경우에 해당하는 공통 사항이다. 이는 정부 규제를 받는 요소이지만, 실제 수준은 지역마다 다를 수 있다. 애플리케이션이 소비하는 전력에 따라 PFC와 THD의 제한은 필수이며, 많은 제조사들이 CFL을 LED로 대체하는 등의 대체 솔루션 개발을 목표로 하고 있다. 모든 AC/DC 변환과 LED 제어/드라이브 기능이 전구 자체가 차지하는 공간에 한해서만 통합되어야 하므로, 사용 가능한 물리적 공간에 따르는 어려움이 있다.

전력 변환 옵션

이와 같은 공간적 제약과 규제 사항으로 인해 LED 내부의 전력 변환용으로 선호되는 토폴로지는 PSR (Primary Side Regulation)을 사용하는 단일 스테이지 플라이백 컨버터이다. 이는 SSR(Secondary Side Regulation) 토폴로지보다 적은 구성 요소와 작은 용량의 커패시터를 사용해 달성할 수 있으며, 반도체 제조사들은 이러한 수요를 해결할 수 있는 다양한 장치를 공급하고 있다.
PSR의 한 가지 장점은 변압기 설계를 단순화하고, 2차측 피드백을 위한 Opto coupler를 제거할 수 있다는 점이다. PFC와 THD 규제 목표를 달성하는데 있어 중요하다. 이를 충족시키기 위해 제조사들은 전류 불연속 모드(DCM)로 사용하고 있다. 이 모드에서는 스위칭 트랜지스터가 다시 켜지기 전에 변압기에 저장된 에너지가 고갈되며, 출력 다이오드 전압은 0이 된다. 이로 인해 1차 또는 2차측에 전류가 흐르지 않는 시기, 즉 ‘데드타임 (Dead Time)’이 생기며, 이에 ‘불연속(Discontinuous)’이란 이름이 붙었다. 이는 다이오드 전체에서 일부 구간의 손실이 없으며, 출력 전력이 낮은 애플리케이션에서 비교적 작은 변압기를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 리플 전류(ripple current)에 취약해 손실이 발생할 수 있다.
밸리 스위칭(valley switching)은 스위칭 전압의 링잉(ringing)이 가장 낮을 때 트랜지스터를 스위칭하는 DCM의 확장 방법이다. 데드타임 시작 시 최초 진동 중에 발생하며, 이 시점에서 트랜지스터를 다시 켜 전원 전달 사이클을 다시 시작한다. 이를 위해서는 출력 전압에서 링잉을 감지할 수 있는 컨트롤러와 밸리에서 동작하는 스위치가 필요하다. 또한 출력 전력 수요에 따라 스위칭 시간을 변경할 수 있어야 한다. 즉 전력이 증가했을 때를 감당하기 위해 빨리 스위칭 하거나, 전력이 감소했을 때의 경우 조금 더 느려지는 경우를 말한다. 이러한 특징은 전압 폴드백(voltage foldback)으로도 알려져 있으며, 스위칭 주파수를 변경하면 EMI가 감소할 수 있는 반면, 밸리 스위칭은 가변 스위칭 시간으로 출력 리플이 높아질 수 있다.
DCM과 밸리 스위칭을 대체하는 것은 주로 임계 전도 모드(CRM) 및 유사 공진(QR) 모드를 사용한다. 이 모드에서 트랜지스터는 컨트롤러가 출력 전압의 공진 하부를 감지할 때 스위칭 되며, 스위칭 손실을 낮추고 모든 모드의 효율을 최대화 하지만, QR/CRM을 사용해 양호한 PFC와 THD를 얻는 것이 어려울 수 있다.

LED 드라이버 개발

NCL3038x는 LED 또는 LED 스트링에 일정한 전류와 정전압을 제공하기 위해 QR/CRM 모드에서 작동하는 단일 스테이지 플라이백 벅/부스트 컨버터 제품군이다. 다른 QR/CRM 컨트롤러와 달리 NCL3038x는 0.95 이상의 탁월한 PFC와 10% 미만의 매우 낮은 THD를 제공한다. 이는 글로벌 표준을 능가하는 사양이므로 어느 지역에서 사용하든 PFC와 THD 규제 요구사항을 충족할 수 있다. 그림 1에 NCL30386 (디밍 기능 있음)가 일반 회로에서 사용되는 모습이 나타나 있다.
이 장치는 세 가지 모드에서 효과적으로 작동한다. 80% 이상의 출력 부하에서는 CRM을 사용하며, 80% 이하 부하에서는 밸리 모드를, 매우 낮은 부하에서는 주파수 폴드백을 사용할 수 있다. 이러한 유연성은 모든 조건에서 높은 효율 수준과 뛰어난 THD를 제공하는데 도움이 된다. 또한 NCL3038x는 일관된 스타트업 시간을 보장하고, 매우 낮은 부하에서도 작동이 유지되도록 고전압(HV) 스타트업 기능을 통합한다. HV 핀은 동적으로 작동을 조정해 작동 중 최상의 PFC, THD와 규제 준수를 달성한다.

[그림 1] NCL30386을 사용하는 일반적인 애플리케이션

스마트 조명

디밍은 스마트 LED 조명의 중요한 특징이며, NCL-30386을 비롯해 많은 LED 드라이버가 지원하는 기능이다. 주로 광 출력 또는 PWM 신호를 설정하는 아날로그 레벨을 사용하여 구현된다. NCL30386은 두 가지 모두를 지원한다.
PWM 기반 디밍 기능은 종종 PWM 오프 듀티(off-duty)로 인해 출력에서 전기 노이즈와 깜빡임을 초래할 수 있지만, NCL30386는 디밍신호의 형태(아날로그 또는 PWM)와 관계없어 출력을 항상 아날로그 수준으로 제어/변환 할 수 있다. NCL30386은 PWM의 경우 0에서 100%까지, 아날로그 입력의 경우 0.5에서 100% 디밍 수준을 지원 할 수 있다. 그림 2는 NCL30386의 선형 및 2차 버전용 디밍 제어 곡선을 나타낸다.
출력 형태도 중요하며, 보통 선형이나 2차 곡선으로 나타난다. 전자는 결정론적이며 규칙적인 조명 간격 수준을 제공하는 한편, 후자는 보다 자연스럽게 느껴진다. NCL30386은 선형과 2차 출력 모두 사용 및 제어 가능하며, 비 디밍 버전인 NCL30388도 있다.

[그림 2] NCL30386 디밍 곡선 옵션

결론

LED 조명은 수명이 길고, 효율성과 효능이 높아 모든 조명 애플리케이션의 표준으로 급속히 자리잡아 가고 있다. 그러나 지역마다 달라질 수 있는 PFC와 THD 측면에서 엄격한 요구사항이 따른다. 다른 LED 드라이버와 달리, NCL3038x는 QR/CRM 모드를 사용해 높은 PFC, 낮은 THD와 더욱 간단한 변압기 설계를 제공한다. 이러한 장치들은 정전류와 정전압 모두를 제공하지만, ‘콜드 스타트(cold start)’ 기능도 제공하며, 보조 전원 공급장치로 작동하기도 한다. 따라서 제조사들은 넓은 부하범위에서 뛰어난 PFC/THD 기능을 가지는 NCL3038x series를 사용하여, 여러 지역 및 시장에서 단일 및 공통으로 사용할 수 있는 플랫폼을 제공할 수 있다. 또한 이러한 규제 요건에 효과적으로 대응할 수 있다.