고출력 베이용 LED 조명 솔루션

LED는 효율성이 높고 수명이 길다는 장점으로 인해 인기가 높아지고 있다. 같은 이유로 전원 공급장치도 수명을 연장시키면서 높은 효율을 지원해야만 한다. 내셔널 세미컨덕터에서는 매우 긴 수명으로 최고 90%의 효율을 보장하는 솔루션을 제안한다. 유럽 표준 EN61000-3-2는 전력 소비량이 25W를 초과하는 조명 기기에 대하여 THD(Total Harmonic Distortion, 총 고조파 왜곡)에 관한 엄격한 제한을 마련하고 있다. 해당 조명 기기는 역률 요건도 따라야 하므로 입력 전압이 있는 단계에서 입력 전류를 유지하기 위한 능동적 PFC(Power Factor Correction, 역률 교정)도 필요로 한다.

카말 나즈미 / 내셔널 세미컨덕터 전력 엔지니어

유럽 표준 EN61000-3-2는 전력 소비량이 25W를 초과하는 조명 기기에 대하여 THD(Total Harmonic Distortion, 총 고조파 왜곡)에 관한 엄격한 제한을 마련하고 있다. 해당 조명 기기는 역률 요건도 따라야 하므로 입력 전압이 있는 단계에서 입력 전류를 유지하기 위한 능동적 PFC(Power Factor Correction, 역률 교정)도 필요로 한다.
본 글에서는 이러한 요구 사항을 충족하는 LED 드라이버 개념을 소개하고, 효율이 매우 높은 스트링 1개로 고휘도 LED 30개를 구동하는 AC/DC 스텝다운 컨버터의 구현에 대하여 설명한다.
이어서 접근 방법을 설명하는 아키텍처도 제시한다. 다이나믹 헤드룸 컨트롤을 채택한 LM3464와 함께 절연 AC/DC 전원 공급장치를 사용하는 아키텍처로, 모든 EMI 관련 문제를 해결하여 매우 높은 효율을 제공한다.

프론트엔드 PFC와 LED 드라이버 LM3445
LED 애플리케이션은 인기가 높아지면서 산업용, 상업용 조명 및 가로등을 포함한 많은 분야에서 널리 사용되고 있다. LED 조명은 효율과 수명에서 신뢰성이 입증되었기 때문에 전원 공급장치 또한 해당 요건을 충족해야 한다. NI의 첫번째 제안은 프론트엔드 PFC와 LED 드라이버 LM3445의 2단계로 구성된다.그림 1>은 전기(Galvanic) 절연이 불필요하여 효율이 개선되는 구성도를 보여준다.
총 시스템 효율은 AC-DC 절연 변압기의 영향을 더 많이 받는다. PFC 플라이백 경제적이지만 효율이 85%를 넘기 힘들다. 첫번째 제안은 절연 테이프나 세라믹 층을 사용하여 방열판과 LED 사이를 절연하는 방법이다. 변압기에서는 절연이 필요하지 않기 때문에 효율이 향상된다.
정류된 AC 입력을 DC 조절 전류로 변환하는 것이 전원 공급장치의 주된 용도이다. 다음 예는 350mA, 최대 출력 용량 35W에서 시리즈로 구성된 고휘도 백색 LED 30개를 구동하도록 최적화되었다.
전원 공급장치는 LED를 보호하고, 과도 입력 전압을 제한하며, 플러그인에서 과도한 유입 전류를 막아준다. 전반적인 전원 공급장치 적합성(예: 사용 전원 고조파(EN), 상용 전원 간섭, 국제 안전 표준 등)은 모든 관련 유럽기준(European Norms, EN)을 충족한다. <그림 2>는 밸러스트를 사용한 35W T8 튜브 교체이며, LED 스트링 회로의 개로, 단락 또는 과도한 부하 등의 고장 조건으로부터 밸러스트가 보호된다. 고장 조건에서도 과열되거나 타는 부품이 없기 때문에 내구성이 매우 강한 설계가 가능하다.

■ T8과 밸러스트의 주요한 특징
·유럽 지역의 상용전원 지원, 추가로  85-265Vac 범위로 확장할 수 있다.
·PF가 0.98이다.
·출력 전류가 350mA이다.
·LED VF에 따른 출력 전압은  100V +/- 20%이다.
·고조파 관련 EN61000-3-2 Class C조건을 충족
·EMI 전동성 )관련 EN55022를 충족
·EMI(방사성) EN55022를충족
·87% 효율
·안전 표준 적합성 검사 진행
·수동 냉각 방법
·-20°C ~ +65°C의 온도 범위
·폴리머 커패시터를 사용하여 연장된 수명
·전류를 공유하는 LED LCW_G5GP-GX-6S 90개(스트링 3개)를 사용하는 Osram의 T8 튜브

■ PFC는 부스트 컨버터 역할
대부분의 기본 AC/DC 전원 공급장치가 입력선에서 고조파 왜곡을 유발하며, 역률이 저조하므로 유럽 표준 EN-61000-3-2를 충족하기 어렵다. 해결책은 PFC 회로를 사용하여 입력 전압 파형과 같은 정현파로 입력 전류 파형이 나타나도록 만드는 것이다.
내셔널 밸러스트의 경우, 준수해야 하는 관련 표준은 유럽 표준 EN-61000-3-2 Class C이다. 여기에는 활성 입력 전력이 25 W를 초과하는 디밍 디바이스를 포함한 모든 조명 제품이 포함된다.는 크리티컬 전도 모드(Critical Conduction Mode)로 작동하며 부스트 컨버터 역할을 한다. 그리고 LED 드라이버의 입력 전압이 될 비교적 안정적인 출력 전압(380Vdc)을 공급한다. LED 드라이버는 정전류 제어 방식 스텝다운 컨버터로 작동하므로 정류된 입력 전압과 함께 사용하기에 적합하다.드라이버는 높은 입력 리플 아래에서 수행되므로 380Vdc에서 값이 낮은 커패시터를 사용한다. 긴 수명을 유지하기 위해서 고장률이 높은 전해 커패시터는 사용할 수 없다.
이 밸러스트는 전해 커패시터 대신 EPCOS의 필름 커패시터를 사용한다. 또한 내부 지침에 따라 모든 소자의 정격을 낮춰서 정의하였다. 따라서 전체 시스템의 고장률은 최대한 낮아지고 수명은 연장된다.

■ LED 드라이버, 고정 오프타임 제어를 사용하여 LED 스트링의 전류를 조절
두 번째 단계는 LM3445 정전류 컨트롤러를 사용하는 LED 드라이버이다.는 TRIAC 디머 및 PWM 신호와 호환되도록 설계된 적응형 고정 오프타임 AC/DC 벅(스텝다운) 정전류 컨트롤러로, 고출력 LED 구동에 적합한 정전류를 공급한다. 디밍 디코더를 통하여 광범위 LED 디밍을 수행한다.그림 3>은 LED 드라이버 AC 전선의 완전한 1 사이클에 해당하는 Q3의 드레인 소스 전압 및 전류를 자세히 보여준다.
그림에서 보듯이 사이클을 여러 가지 단계로 분할할 수 있다.스위치 켜기 단계전도 단계스위치 끄기 단계오프 단계, 에너지가 부하로 방출됨

이 LED 드라이버는 고정 오프타임 제어를 사용하여 LED 스트링의 전류를 조절한다. MOSFET이 도통이 되는 동안, 기준 전압 및 전류 감지 저항에 의해 정의된 피크에 도달할 때까지 인덕터를 통해 LED 전류가 증가한다. 피크 전류에 도달하면 MOSFET이 꺼지며, Toff 기간에 다이오드가 도통된다. 60개를 연결한 스트링 1개에 대한 테스트 성공(70W 출력에서 총 효율 92% 달성)을 포함하여 더 많은 LED를 구동하기 위해 몇 가지 수정을 시도하였다. LM3445 단계를 병렬로 더 추가하여 30개 이상의 LED로 구성된 스트링 여러 개를 사용하는 것은 충분히 가능하지만 LED 연결에 사용되는 케이블이 증가할 것이다.
전원 공급장치의 1차 출력 전압이 60V 미만으로, UL1310 Class 2의 최대 전압 한도 요건을 충족하는 다른 예를 <그림 4>에서 보여준다. 2차 전압이 제한적인 절연 시스템을 원하는 경우, LED 스트링을 2개 이상으로 늘이는 방법밖에 없다.
차측에서 최신 LED 드라이버 컨트롤러인 LM3464가 여러 채널을 결합한다. LM3464는 각각 전력 선형 레귤레이터로서 외장 전력 N-MOSFET를 4개까지 제어한다. 따라서 최대 15개의 직렬 연결 LED 스트링을 여러 개 허용한다.

권장하는 최대 평균 전류는 채널당 500 mA이다. <그림 4>는 LM3464가 절연 AC-DC 오프라인 1차 전원 공급장치를 제어하는 방법을 보여주는데, LM3464에서 명령을 수신하여 VO를 동적으로 조정함으로써 각 선형 레귤레이터를 흐르는 전압을 항상 최소화시키는 방법이다. VO 조정의 기준은 최고 스트링 전압이 걸리는 채널이다. 채널당 350 mA로 구동할 때에도 LM3464의 출력 효율이 95%를 넘을 수 있다. 그림 1과 그림 4 사이의 한 가지 중요한 차이점은 LM3464가 새로 발생시키는 스위칭 주파수가 없다는 점이다. 이러한 특성은 총 출력이 증가함에 따라 점점 까다로워지는 문제인 EMI를 제어하는 데 있어 큰 장점이다. 스위칭 노이즈는 AC-DC 구간에서 발생되는 것뿐이다.

LED 구동을 위한 솔루션
지금까지 많은 수의 LED를 구동하기 위한 몇 가지 솔루션을 살펴보았다. 첫번째 솔루션은 표준 부스트로 PFC를 사용하여 절연 방열판을 채택한 30개짜리 LED 스트링 1개를 구동하였으며, 스트링의 LED 개수를 증가시킬 필요가 있는 엔지니어에게 효과적인 방법이다. 예에서는 LED 튜브 교체에 중점을 두었고, 요청할 경우 LED 튜브에 대한 자세한 설명을 제공받을 수 있다. 높은 출력 효