LED는 설계 유연성과 견고한 회로를 결합함으로써 자동차 디자이너가 뛰어난 수명과 성능에 걸맞게 소비자들의 눈길을 사로잡는 인상적인 헤드라인 디자인을 설계할 수 있다. 따라서 자동차 디자이너들이 조명에 더 많은 LED를 사용하고 있다. 눈길을 사로잡는 이색적인 디자인을 설계할 수 있으므로 차별화할 수 있기 때문이다.

자동차 LED 조명이 본격적인 전성기로 접어들고 있다는 데는 이의가 없을 것이다. 하지만 아직까지는 그 잠재력을 최대한 활용하고 있지 못하다. 미래의 자동차 모델은 더욱 더 많은 LED 조명을 사용하면서 새로운 형태와 색상이 가능해지고 개별 LED를 좀 더 자유롭게 제어할 수 있을 것이다. 단조롭게 1개의 LED 스트링을 사용하는 것에서 벗어나 컴퓨터 제어를 통해 개별적으로 제어가 가능한 LED 매트릭스로의 전환이 이루어질 것이다.

그럼으로써 실시간으로 다양한 방식의 패턴을 제어하고 조정할 수 있게 된다. 바로 그런 미래가 지금 눈앞에 펼쳐지고 있다. 리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LT3965 매트릭스 LED 드라이버를 사용함으로써 자동차 조명 디자인을 한 차원 높일 수 있게 되었다.

단일 IC로 8개 전력 스위치의 I2C 제어

기본적인 LED 헤드라이트 디자인은 일정한 LED 전류로 동작함으로써 밝기가 일정하다. 하지만 이렇게 하는 것은 LED의 잠재력 중에서 상당 부분을 활용하지 못하는 것이다. 매트릭스 헤드라이트는 LED 스트링 내의 각 LED를 개별적으로 제어할 수 있음으로써 LED의 근본적인 이점을 최대한 활용하도록 한다.

매트릭스 내의 각 LED를 컴퓨터 제어 전력 스위치를 통해 개별적으로 제어해서 개별 LED를 켜거나, 끄거나, PWM 디밍을 하도록 한다. 이 기능을 통해 이색적인 패턴의 구현이 이론적으로는 별 어려울 것이 없다. 이렇게 하려면 각각의 LED(또는 LED 세그먼트)에 개별의 컨버터나 개별의 분기 전력 스위치를 필요로 한다. 직렬 통신 기능을 포함하는 기존의 드라이버/컨버터 IC를 사용해서 매트릭스 드라이버를 구현할 수 있다. 그런데 LED 매트릭스를 구현하기 위해서 2개 혹은 3개 이상의 스위치를 필요로 하게 되면 LED 매트릭스 자체의 크기보다도 큰 면적을 차지하는 소자들이 필요하게 되어 이산적 솔루션을 구현하기가 아주 까다로워질 것이다.

LT3965 I2C 8-스위치 매트릭스 LED 디머를 사용함으로써 대규모 또는 소규모 LED 매트릭스(최대 512개 LED)를 간편하게 제어할 수 있다. 그림 1은 리니어의 데모 회로 DC2218을 사용해서 LT3965가 작동하는 것을 보여준다.

이 디바이스의 고도로 통합적인 디자인이 필요한 소자 수를 최소화한다(그림 2). LT3965의 개별 어드레스 채널들을 사용해서 다음과 같은 다양한 방식으로 LED 매트릭스를 제어할 수 있다:

하나의 LT3965가 LED 스트링 내의 8개 디밍 채널(8개 LED 또는 8개 클러스터)을 제어할 수 있다.

8개 채널을 사용해서 2개 RGBW LED 모듈의 적색, 녹색, 청색, 백색을 개별적으로 제어할 수 있으므로 대시보드 조명이나 장식 조명의 밝기를 조절하거나 색상을 변경할 수 있다.

단일 통신 버스로 다중의 LT3965를 개별적으로 어드레스 지정을 할 수 있으므로 대규모 어레이로 다중의 스트링을 연결할 수 있다.

LT3965는 채널당 여러 개 LED를 제어하거나, 또는 채널들을 결합해서 단일 LED를 더 높은 전류로 효율적으로 제어할 수 있다.

적합한 정전류 LED 드라이버와 함께 이 매트릭스 디머 LED 드라이버를 결합해서 사용함으로써 헤드라이트, 주간주행등, 브레이크등과 미등, 측면 굴곡 조명, 대시보드 디스플레이, 기타 장식 조명으로 각 LED를 컴퓨터 제어를 통해 개별적으로 제어할 수 있다. 또한 LT3965는 자동 결함 검출을 통합함으로써 결함이 발생했을 때 개별 LED를 보호하고 마이크로컨트롤러로 결함을 보고한다.

60 V LT3965는 8개 330 mΩ 전력 스위치를 통합하고 있다. 이들 전력 스위치를 하나 혹은 여러 개의 LED로 연결할 수 있다. 이들 전력 스위치가 분기 소자로 동작해서 특정 채널로 LED를 턴오프 하거나 PWM 디밍을 한다. 이들 스위치에 의해서 LED 스트링으로 8개의 개별 밝기 제어 채널(최대 256:1 디밍 비율)과 8개의 결함 보호 세그먼트가 가능해진다.

LT3965는 8개 전력 스위치 모두가 동시에 온 일 때(모든 LED 오프) 500 mA의 스트링 전류를 처리할 수 있다. 또한 뒤에서 설명하고 있듯이 이들 스위치들을 병렬로 연결함으로써 4개 채널 1 A로도 동작시킬 수 있다. LED의 수나 전류에 상관없이 이 매트릭스 디머의 빠른 변화를 처리할 수 있는 대역폭을 가진 적절한 컨버터를 사용해서 LED 스트링을 구동해야 한다. 이 글에서는 몇 개의 디자인 예시를 제시한다.

2개 스트링 16개 LED를 500 mA로 구동

LT3965의 8개 분기 전력 스위치를 사용해서 8개 LED 채널의 밝기를 500 mA로 제어할 수 있다. 이 8-LED 매트릭스 디머 시스템의 스트링 전압은 특정 시점에 얼마나 많은 LED가 온 또는 오프이냐에 따라서 0 V부터 26 V까지 될 수 있다. 이들 LED를 구동하기 위해서 권장되는 컨버터 토폴로지는 높은 대역폭이면서 출력 커패시터를 거의 필요로 하지 않거나 혹은 전혀 필요로 하지 않는 30 V 스텝다운 컨버터이다. 이러한 스텝다운 토폴로지를 위해서는 9 V~16 V 자동차 입력을 먼저 30 V 레일로 “부스트”해야 한다. 그리고 이 30 V를 사용하여 스텝다운 레귤레이터를 작동해야 한다.

3출력 LT3797 LED 컨트롤러를 사용함으로써 단일 IC 솔루션으로 “사전 부스트”와 스텝다운 둘 다를 간편하게 충족할 수 있다. 한 채널은 스텝업 전압 레귤레이터로 구성하고, 뒤이어서 두 채널은 스텝다운 LED 드라이버로 구성할 수 있다. 두 스텝다운 LED 드라이버 각각으로 하나의 매트릭스 디밍 LED 스트링을 구동할 수 있다. 이 토폴로지는 여러 가지 장점이 있다. 무엇보다도 중요한 것은, LED 스트링 전압이 배터리 전압보다 높든 낮든 상관없이 회로가 계속해서 적절하게 동작할 수 있다는 것이다.

그림 3은 그림 1에서 본 데모 보드의 회로도를 보여준다. “boost-then-dual-buck” 모드 LT3797과 LT3965를 사용한 매트릭스 디밍 헤드라이트 시스템으로서 16개 LED를 500 mA로 구동한다. 각기 LED를 온이나, 오프나, 또는 최저 1/256 밝기까지 PWM 디밍을 하도록 개별적으로 제어할 수 있다. LT3797의 350 kHz 스위칭 주파수는 AM 대역 바깥이며(EMI 측면에서 유리함), LT3965의 170 Hz PWM 디밍 주파수(동일한 350 kHz 클록으로 생성)는 가시 대역보다 높은 것이다. 그럼으로써 시스템을 적절히 동기화할 수 있으므로 LT3797과 LT3965를 사용한 매트릭스 헤드라이트가 깜빡임 없이 동작할 수 있다.

LT3797 벅 모드 컨버터는 출력 커패시터를 거의 사용하지 않거나 또는 아예 사용하지 않을 때에도 적절히 보정되는 제어 루프를 사용해서 지극히 빠른 출력의 변화를 처리할 수 있도록 설계되었다. 이러한 ?30 kHz 대역폭 컨버터로서 LED를 턴온하거나, 턴오프하거나, 필요에 의해 PWM 디밍을 할 때 신속한 LED 밝기 변화를 허용할 수 있다.

LED 전류 검출 저항으로 연결된 필터 커패시터가 매트릭스 디머의 빠른 변화 응답 성능을 위해서 출력 커패시터를 낮추거나 아예 없앴을 때 소실되는 제어 시스템의 극점을 대신한다. (*출력 커패시터가 작거나 없을 경우 전체 회로의 feedback loop에서 분모에 해당하는 극점이 소실된다. 극점이 소실될 경우 전체 회로가 발산할 가능성이 있고 이를 방지하기 위하여 필터 커패시터를 추가하게 되는데, 이 때 소실된 극점을 다시 복구하여 전체 회로가 수렴하도록 한다.)

스위치 노드의 차지 펌프를 사용해서 LT3965의 VIN 핀을 LED+ 전압보다 7 V 이상 높게 구동함으로써 상단 채널 NMOS를 최대로 끌어올린다. LT3965의 RDS(ON)이 낮은 NMOS 스위치는 8개 전력 스위치 모두가 온이 되어서 전체적인 LED 스트링을 턴오프 할 때라도 IC가 뜨거워지지 않고 고전력 동작을 가능하게 한다. 이럴 때 LT3797 LED 드라이버는 모든 8개 전력 스위치로 인한 실제적인 출력 단락을 문제없이 견디면서 다음 LED를 턴온 할 것에 대비해서 500 mA를 레귤레이트 할 수 있도록 재빨리 준비한다.

그림 3은 그림 1의 데모 회로 DC2218을 보여주는 것으로서, DC2026 Linduino™ One 데모 회로를 통해서 연결된 I2C 마이크로컨트롤러를 사용하여 매트릭스 헤드라이트를 제어한다. DC2218은 대형 Linduino 쉴드 보드로 동작하며, 최대 400 kHz 직렬 코드를 사용해서 여러 가지 헤드라이트 패턴을 발생시키고 리니어 테크놀로지의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)로 인터페이스 할 수 있다(그림 4).

그림 4에서 보듯이 GUI 상에서 ALL CHANNEL MODE(ACM)와 SINGLE CHANNEL MODE(SCM) 명령을 사용해서 LED 밝기와 결함 보호 기능을 검사할 수 있으며, FAULT CHECK 읽기 및 쓰기 명령을 사용해서 개방 및 단락 LED를 검사할 수 있다. 이 데모 회로 시스템을 사용해서 깜빡임 없는 동작, 결함 보호, 빠른 변화 응답 동작을 검사할 수 있다. DC2218은 12 V DC 소스로 곧바로 연결할 수 있으며, PC에서 GUI를 실행해서 제어할 수 있고 USB 연결을 통해 간단히 프로그램 변경을 할 수 있다.

병렬 채널을 사용한 1 A 매트릭스 LED 드라이버

LT3965를 사용해서 1 A LED 채널들로 이루어진 매트릭스를 구동할 수 있다. LT3965의 전력 스위치를 간편하게 병렬로 연결함으로써 2개 전력 스위치가 1 A의 LED 전류를 나눠서 처리하도록 하고 각 LT3965로 4개의 1 A 채널을 제어할 수 있다. 병렬 전력 스위치를 사용해서 더 높은 전류를 처리하도록 하는 한 가지 방법은 서로 반대 위상인 전력 스위치를 PWM 피리어드의 50퍼센트 동안만 작동하도록 하는 것이다.

단일 NMOS 전력 스위치를 1 A로 구동하되 절반의 시간 동안 번갈아 가면서 동작하도록 함으로써 실제적인 발열은 같은 NMOS를 전체적인 시간 간격에 500 mA로 구동하는 것과 거의 같아진다.

그림 5는 2개 LT3965와 “boost-then-dual-buck” 모드 LT3797을 사용해서 8개 LED를 구동하는 1 A 매트릭스 헤드라이트 시스템을 보여준다. PWM 디밍을 할 때 LT3797은 그림 6에서 보는 것과 같이 8개 스위치로 고유의 1/8 사이클 위상을 사용한다. 이 1 A 매트릭스 시스템은 LT3965의 채널들을 병렬 쌍으로 결합함으로써 쌍을 이루는 채널들이 서로 반대 위상이다.

다시 말해 서로 180° 차이다. 구체적으로는 채널 8과 4, 7과 3, 6과 2, 5와 1이 쌍을 이루고 있다. 병렬 채널들이 번갈아 가면서 동작함으로써 실제적으로 PWM 주파수를 두 배로 높이고 있다. 그럼으로써 출력 전류와 열을 분산시킬 수 있다는 이점이 있다. 이 방법이 적절히 작동할 때에는 각 전력 스위치의 최대 듀티 사이클이 50퍼센트가 된다. 2개의 반대 위상 스위치 각각이 50퍼센트의 시간 동안 온이면(각각이 50퍼센트의 시간 동안 LED 전류를 분기) 100퍼센트의 시간 동안 LED를 턴오프 하는 것이 된다.

각각의 LT3965(LT3797의 부스트 20 V 채널에 뒤이은)가 2개의 1 A 벅 모드 LT3797 채널 각각으로 구동되는 4개 1 A LED의 밝기를 제어할 수 있다. 이 견고한 고전력 시스템에 LT3965를 추가해서 더 많은 LED를 구동하도록 하거나 또는 더 많은 채널을 병렬로 결합해서 더 높은 전류를 사용하는 LED를 구동하도록 확장할 수 있다. 또한 1 A로 채널당 2개 LED를 구동함으로써 이 유연한 헤드라이트 시스템의 전력을 높일 수도 있다.

한 채널로 하나 이상 LED 연결

LT3965는 채널 하나에 1~4개의 LED를 지원할 수 있다. 결함 보호나 좀 더 세밀한 패턴을 위해서는 각 LED를 개별적으로 제어하는 것이 좀 더 유리하겠으나, 모든 경우에 이렇게 해야 할 필요는 없다. 디자인에 따라서는 채널 하나에 하나 이상의 LED를 사용하면 시스템에서 필요로 하는 매트릭스 디머의 수를 줄이면서도 필요로 하는 패턴이나 디밍을 충분히 달성할 수 있다. 헤드라이트, 방향표시등, 미등 같은 경우에는 세그먼트들이 밝기가 동일한 최대 4개 LED로 이루어졌을 수 있다. 비상등 같은 경우에는 3개 또는 4개 LED가 한 세트를 이루면서 동일한 패턴으로 깜빡인다.

그림 7의 회로는 채널당 2개 LED를 사용하는 시스템을 보여준다. 이 시스템은 그림 3의 회로와 LED 수는 같으면서 2개가 아닌 하나의 LT3965 매트릭스 디머만을 사용하고 있다.

I2C 명령이 LT3965로 어떤 채널을 온이나, 오프나, 디밍을 하도록 지시하면 해당 채널의 전력 스위치를 제어해서 2개 LED로 영향이 미치게 한다. LT3965의 전압 한계 이내로 유지하기 위해서는 500 mA로 16개 LED를 그림 2에서와 같이 2개의 LED 스트링으로 분할해야 한다. 그림 2의 동일한 LT3797 회로를 사용하되 하나의 LT3965만을 사용해서 2개 스트링의 밝기를 제어하는 것이다. 그러므로 LT3965 내의 각각의 NMOS 전력 스위치를 어떻게 개별적으로 구성할 수 있는지 잘 보여준다. 이처럼 무한하게 다양한 방식으로 매트릭스 디자인을 설계할 수 있다.

ACM 및 SCM I2C 명령을 사용한
깜빡임 없는 PWM 및 페이드

LT3965의 I2C 명령어 셋은 1워드, 2워드, 3워드 명령어들을 포함한다. 이들 명령어를 마스터 생성 클록 라인(SCL)과 함께 직렬 데이터 라인(SDA)을 통해서 최대 400 kHz 속도로 전송한다. 마스터 마이크로컨트롤러가 ACM(All Channel Mode) 또는 SCM(Single Channel Mode) 쓰기 명령을 전송해서 LED 채널과 LT3965 어드레스의 밝기, 페이드(fade), 개방 회로 임계값, 단락 회로 임계값을 제어할 수 있다.

BCM(Broadcast Mode), ACM, SCM 읽기 명령을 전송하면 LT3965로 하여금 결함 진단용의 개방 및 단락 레지스터를 비롯해서 레지스터들의 콘텐츠를 보고하도록 한다. 새로운 결함이 발생되면 LT3965가 ALERT 플래그를 선언한다. 마이크로컨트롤러가 어느 LT3965가 결함을 보고했고 결함의 타입과 채널이 어떤 것인지 판단한 후에 결함에 대해서 조치를 취한다. 다중의 LT3965 IC가 결함을 보고하는 경우에는 LT3965들이 마스터로 보고하는 결함을 시퀀싱함으로써 중복 오류를 방지한다. 이렇게 함으로써 경고 대응 시스템이 일사불란하게 신뢰할 수 있게 동작한다. 전체적인 레지스터 및 명령어 셋 목록에 관해서는 LT3965의 데이터시트에서 확인할 수 있다.

ACM 쓰기 명령은 2개 I2C 워드만을 사용해서 단일 LT3965 어드레스의 모든 8개 채널을 즉시 턴온하거나 턴오프 할 수 있다. 모든 채널을 동시에 온이나 오프로 전환하는 것이다. 많은 수의 LED를 한꺼번에 턴온하거나 턴오프하면 DC/DC 컨버터로 상당한 전류 전압 부하 스텝을 발생시킨다. 이 글에서 소개하고 있는 컨버터는 출력 커패시터를 거의 사용하지 않거나 또는 전혀 사용하지 않고서도 높은 대역폭으로 이러한 빠른 출력 변화를 매끄럽게 처리할 수 있다.

그림 8에서 보듯이, ACM(All Channel Mode) 쓰기 명령이 많은 수의 LED를 전환할 때 가시적인 깜빡임이나 다른 채널들의 LED 전류에 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. 빠른 출력 변화에 대한 응답을 이처럼 낮게 하고 통제되도록 할 수 있는 것은 LT3797을 기반으로 한 고대역폭 벅 모드 컨버터 덕분이다.

SCM(Single Channel Mode) 쓰기 명령은 비교적 낮고 빠른 단일 LED의 출력 전류 변화를 발생시킨다. SCM 쓰기를 사용하면 페이드를 하거나 하지 않으면서 한 번에 한 채널의 밝기만 온, 오프, PWM 디밍으로 제어할 수 있다. 1/256부터 255/256까지의 PWM 디밍 값은 3워드 쓰기를 사용해서 통신하며, 온 및 오프는 그보다 짧은 2워드 명령을 사용해서 통신할 수 있다.

단일 SCM 쓰기 명령으로 페이드 비트를 사용함으로써 내부적으로 정해진 로그값 페이드를 사용해서 LT3965가 2개 PWM 디밍 레벨 간을 전환할 수 있으므로 추가적인 I2C 명령을 필요로 하지 않는다. 또한 SCM 쓰기 명령을 사용해서 각 채널의 개방 및 단락 임계값을 설정할 수 있다.

각 채널의 단락 및 개방 LED 결함 보호

단락 및 개방 회로 보호를 할 수 있다는 것이 이 매트릭스 디머의 근원적인 이점이라고 할 수 있다. 각 채널의 NMOS 전력 스위치가 1개에서 4개까지 직렬 LED의 분기를 할 수 있다. 기존의 LED 스트링은 전체적인 스트링에 대해서만 개방 또는 단락을 보호할 수 있고, 또 일부 IC만이 이러한 결함 조건을 지시하는 출력 진단 플래그를 포함한다. 이와 달리 LT3965는 개별 채널에 대해서 단락과 개방을 보호하고 정상적으로 작동하는 채널들은 계속해서 살아 있게 하며 결함 조건을 기록하고 보고한다.

스트링 내에서 결함이 발생되면 LT3965가 결함을 검출하고 ALERT 플래그를 선언해서 마이크로 컨트롤러로 문제가 발생했다는 것을 알려준다. 만약 결함이 개방 회로라면 LT3965가 자동으로 해당 NMOS 전력 스위치를 턴온해서 본격적인 진단이 이루어지거나 결함이 제거될 때까지 해당 결함 LED를 우회하도록 한다.

LT3965는 각 채널에 대해서 개방 및 단락 결함 레지스터를 유지하면서 I2C 결함 읽기 명령 시에 마이크로컨트롤러로 이 데이터를 회신한다. 또한 명령어 셋으로 상태 레지스터를 변경하지 않고 그대로 두는 읽기와 결함 레지스터를 소거하는 읽기 둘 다 포함하고 있으므로 사용자가 결함 진단을 프로그램 할 수 있다. SCM, ACM, BCM을 사용해서 다음과 같은 다양한 방식으로 레지스터를 읽을 수 있다:

SCM(Single Channel Mode) 읽기는 단일 채널에 대한 개방 및 단락 레지스터 비트를 회신한다. SCM 읽기는 또한 그 채널에 대해서 개방 및 단락 임계값 레지스터, 모드 제어, 8비트 PWM 디밍 값을 확인할 수 있다.

ACM(All Channel Mode) 읽기는 특정 어드레스의 모든 채널에 대해서 비트를 소거하지 않으면서 개방 및 단락 레지스터를 회신하며 또한 모든 8개 채널의 ACM 온 및 오프 비트를 확인할 수 있다.

다중의 LT3965 매트릭스 디머가 동일한 버스를 공유하는 복잡한 시스템에서는 BCM(Broadcast Mode) 읽기를 사용해서 먼저 어느 LT3965 어드레스가 결함 플래그를 선언했는지를 물어본다.

좀더 견고한 I2C 통신 시스템을 위해서는 ACM 및 SCM 읽기를 사용해서 결함을 검사하고 소거하는 것과 함께 모든 레지스터를 읽도록 할 수 있다.

동일 버스로 최대 16개 LT3965 사용 가능

각 LT3965는 4개의 사용자 선택가능 어드레스 비트를 사용할 수 있으므로 16개의 버스 어드레스를 사용할 수 있다. 그러므로 모든 ACM 및 SCM I2C 명령을 단일 명령 버스를 통해서 전송하면서 지정된 어드레스의 LT3965로만 조치가 취해지도록 할 수 있다. BCM 명령은 버스 상의 모든 IC들로 전송된다. 4비트 어드레스 아키텍처를 사용함으로써 단일 마이크로컨트롤러와 단일 I2C 2라인 통신 버스를 사용해서 최대 8×16 = 128개의 개별 제어 채널을 지원할 수 있다.

그러므로 LT3965를 사용함으로써 어마어마하게 야심적인 조명 디스플레이뿐 아니라면 자동차 헤드라이트, 미등, 장식 조명 등의 모든 개별 LED를 단일 I2C 통신 버스와 하나의 마이크로컨트롤러를 사용해서 제어할 수 있을 것이다. 그런데다가 각 채널로 최대 4개까지 LED를 연결할 수 있으므로 비교적 손쉽게 구현할 수 있는 시스템으로 최대 512개 LED의 매트릭스 디밍을 할 수 있다.

맺음말

LT3965는 8개 LED 밝기 제어 채널을 다양한 방식으로 제어할 수 있으므로 조명 디자이너가 다양한 방식으로 소비자들의 눈길을 사로잡는 정교한 조명 디자인을 설계할 수 있다. 또한 I2C 통신 인터페이스를 제공하므로 마이크로프로세서가 스트링 내의 각 LED의 밝기를 개별적으로 제어할 수 있다. 또한 I2C 인터페이스의 결함 보호 기능은 LED 조명 시스템의 견고성을 향상시킨다.

또한 이 매트릭스 디머의 채널들을 다양한 방식으로 사용할 수 있다. 각 채널이 다중의 LED를 제어할 수 있다. 채널들을 결합해서 더 높은 전류를 사용하는 LED를 지원할 수 있다. 또한 동일 통신 버스로 최대 16개 매트릭스 디머 IC를 사용할 수 있으므로 LED 수가 다량인 시스템을 설계할 수 있다. 그러므로 LT3965를 사용함으로써 자동차 헤드라이트, 미등, 측면등, 대시보드 조명, 장식 조명으로 한 차원 도약이 가능하게 됐다. 우리가 그리던 미래가 지금 바로 눈앞에 펼쳐지고 있다.