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진화하는 자동차 앰비언트 LED 조명의 미래
2014년 01월 23일 (목) 21:07:44 편집부 editor@lednewskorea.com

마이크로칩 테크놀로지  요한 스텔처 / 안드레아스 라이터 / 프랭크 지거넌

앰비언트 LED 조명 솔루션의 진보는 차량에 새로운 기능과 운전자의 구미에 맞는 스타일을 더해 향상된 드라이빙 경험과 브랜드 가치를 창출하고자 하는 자동차 OEM 인테리어 전문개발자들의 노력에 기인한다. 전자공학은 자동차 산업, 기계, 공기역학, 유압식 기계를 아우르는 분야에 가장 빠르게 성장하고 있는 분야 하나이다. 클러스터 백라이팅에서 컵홀더 조명, 라이트, 공간 도어 가장자리의 무드등, 조명에 이르기까지, 백색 RGB 컬러 다양하게 활용 가능한 앰비언트 LED 애플리케이션은 자동차 OEM 업체들에게 하나의 차별화 전략으로 자리잡았다. 실제로 조사에 따르면 조명은 운전자의 시각적 감각을 향상시키는 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.

따라서 애플리케이션 요건을 충족하면서도, 비용 효율적이며 시장 출시 시간이 짧은 올바른 임베디드 솔루션을 선택하는 것이 핵심 문제가 된다. 글에서는 다음 내용에 대해 살펴보기로 한다.

 

 

 

       (a)  LED 앰비언트 조명 솔루션 제어 기법들의 장단점

       (b)  LED 컬러의 효과적인 비닝(binning), 디밍(dimming) 온도 보상을 위한 제어 알고리즘 사용

       (c)  LED 배열의 색상 밝기 변경을 통한 사용자 중심 조명 시나리오 생성

네트워크로 연결된 조명 모듈에 대한 유례없는 수요 증가 속에서, 앰비언트 LED 조명 솔루션에 실제 LIN 통신을 구현하는 것은 개발 비용 주기 단축에 도움이 된다. LED 에너지 소모가 적으며 공간을 차지하므로, 뛰어난 효율성과 많은 혜택을 바탕으로 개발자들은 차량 조명 관련 부분에 창의적인 활용을 꾀할 있다.

앰비언트 LED 조명 솔루션을 통해 자동차 OEM 업체들은 운전자 동승자들 모두에게 편안함과 안정감을 선사할 있는 것이다.

앰비언트 LED 조명은 그저 눈길을 끄는 이상의 기능을 갖고 있다. 지난 자동차 실내 조명의 영향에 대한 연구는 대체적으로 무시되어 왔으며, 연구 개발 노력은 주로 외관 조명에 집중되었다. 그러나 이제 변화하고 있다. 최근 LED 기술의 신속한 진보와 함께, 업체들은 컬러풀한 조명뿐만 아니라 사용자가 스스로 조정 가능한 조명을 제공하고자 노력하고 있다. 이제 운전자들은 그들의 기분이나 취향에 맞추어 조명을 바꿀 있는 것이다. 또한 외에도 실내 조명은 엄청난 가능성을 지니고 있다.

미래의 자동차 모델에서 실내 조명은 고급 운전자 정보 시스템의 주요 분야 하나로 자리잡았다. 혁신적인 아이디어 하나는 실내 조명을 운전 상황에 따라 조정할 있다는 것이다. 예를 들어 시내를 주행하거나 교외의 한적한 , 고속도로를 달릴 등의 상황에 맞게 실내 조명이 변화한다. 시내에서 빨간 조명을 사용하여 운전자의 경각심을 높일 있으며, 고속도로를 신나게 달릴 때에는 노란색 조명을 사용하여 기분을 전환한다. 심지어 사고 발생 시에도 실내 조명을 사용하여 운전자에게 경고를 알릴 있다. 대부분, 깜박거림 없는 내부 조명은 급변하는 자동차 업계에서 해당 업체의 제품을 크게 차별화할 있는 고부가가치 전략과 연관되어 있다.

 LED 구동

LED 정전류로 구동하여야 한다. 대부분의 LED 규격화된 구동 전류 레벨을 가지고 있어서 조기 파손(premature failure) 없이 LED 최대 밝기를 구현할 있다. LED 광출력은 내부를 지나는 전류에 비례한다. 회로 안에서 LED 밝기를 제어하는 방법에는 가지가 있다. 번째는 LED 구동 전류를 변화시키는 것이다. LED 구동 전류는 가변 저항기나 가변 전압 전원장치를 사용하여 제어할 있다. 다른 하나는 LED 구동 전류에 펄스폭 변조(PWM) 가변 주파수, 고정 듀티 사이클 PWM 적용하는 것이다.

번째 방법은 전류가 감소됨에 따라 LED 효율성이 감소된다는 단점이 있다. 또한 고출력 백색 LED 경우 전류 레벨 감소에 따라 변이(color shift) 발생할 있다. PWM 디밍 기법은 항상 LED 최대 전류 상태에서 구동하므로, 효율성 감소나 변이 등의 문제가 해결된다. 다른 색상 조합을 생성하고자 하는 경우 PWM 출력의 듀티 사이클을 시간에 걸쳐 변경하여야 한다.

색상 제어 기법

임베디드 마이크로컨트롤러 기술을 통해 광원의 색상 요소를 항상 감지하고 동적으로 제어할 있다. 동적 색상 제어는 특정 색상의 빛을 생성하거나, 새로운 조합을 만드는 사용된다. 예를 들어 다수의 색상 요소를 블렌딩하여 특정 품질의 백색 조명을 생성할 있다.

R(적색), G(녹색), B(청색) 가지 색상 값과 함께, 밝기를 나타내는 추가적인 값을 사용하여 원하는 색상을 만들어 있다. 이를 위해 3개의 PWM 채널을 사용하거나, 보다 간편하고 효율적인 방법으로 색상마다 부여되는 3개의 PWM 채널에 밝기를 나타내는 4번째 PWM 추가로 사용할 수도 있다. 후자의 경우 포드 사의 최신 모델에 적용되는 무드 조명에 적용되고 있다.

색상 통합 밝기 제어를 위해 3개의 채널을 사용하는 경우 14비트에서 16비트의 분해능과 고성능 마이크로컨트롤러(MCU) 필요하다. 저비용 8비트 MCU 사용한다면 10비트 분해능을 갖는 4개의 채널을 사용하여 동일한 품질을 달성할 있다. 4개의 채널을 사용하는 경우, 외부 하드웨어 회로에서 색상과 밝기 곱셈(multiplication) 발생한다. 밝기 제어를 위한 일반적인 대수 계조(gradation) 저비용 8비트 MCU에서도 멱함수(power function) 통한 근사치 값으로 정확하게 실현될 있다.

 

 

 

 

그림 1: 3 4개의 PWM 채널을 사용한 솔루션의 블록 다이어그램

 

 

 

 

LED 온도는 LED 색상에 중대한 영향을 미치는 요소 하나이다. 따라서 온도는 반드시 보상되어야 한다. 온도 보상을 위한 간단하고 효과적이면서도 비용이 적게 드는 방법은 마이크로컨트롤러의 - 컴퍼레이터와, LED 가깝게 위치한 저비용 NTC서미스터를 사용하는 것이다. 다른 효과적인 LED 온도 제어 방법은 순방향 전압 강하(forward voltage drop) 측정하는 것이다. 마이크로컨트롤러의 내장 10비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 분해능은 작업을 수행하기에 충분하다. 순방향 전압 강하 측정은 외부 부품을 따로 추가하지 않아도 된다는 점에서 의의를 갖는다.

조명 네트워크

색상 보정, 온도 보상, 색상 변경, 색상 조합, 밝기 제어 다양한 조명 시나리오를 구현하고자 하는 개발자들에게 비휘발성 메모리를 갖는 PIC® MCU 등의 마이크로컨트롤러의 사용은 필수적이다. 또한 차량 내에 RGB 조명 노드를 네트워크로 구성하여 진단을 용이하게 하기 위한 저비용 통신 프로토콜에 대한 수요가 대두되었다. 초창기 실내 조명은 개별로 연결되어 있었으나, 최근의 OEM 업체들은 이미 널리 알려진 비용 효율적인 LIN / J2602 통신 버스를 사용하고 있다. 19.2k baud 달하는 LIN 통신 속도는 탑승자 누구도 알아채지 못할 정도로 조명 시나리오에 따라 색상을 유연하게 변경할 있을 정도로 빠르다.

일부 업체들은 이러한 종류의 애플리케이션에 자동 어드레싱 기능을 갖는 가장 최근의 LIN 통신을 활용할 것을 검토하고 있다. 기존의 자동 어드레싱 기법의 경우 각각 장단점을 가지고 있다(그림 2 참조). 표준 LIN 통신에 비하여, 이들은 공통적으로 실리콘 추가를 위한 추가 비용이 발생한다는 단점을 갖는다. 그러나 이러한 추가 비용은 OEM Tier1 단계에서의 물류비 감소로 인해 상쇄된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 2: 자동 어드레싱 기능의 유무에 따른 LIN 트랜시버 블록 다이어그램

 

 

 

 

 공간 제약 어드레싱

일반적인 실내 조명 애플리케이션은 공간의 제약을 많이 받는다. 조명 노드는 스위치, 홀더, 도어 핸들, 대시보드, 시트, 독서등, 공간 오버헤드 콘솔 안에 내장되어 있다. 전자기기를 위한 공간은 종종 10 mm x 20 mm 미만으로 제한되며, 라서 SSOP, QFN DFN 하우징과 같은 소형 패키지 솔루션이 대안이 되고 있다. 전력 소모가 낮고 동작 온도 범위가 확장(-40°C ~ 125°C) 반도체 장비의 경우, 이러한 환경에서의 주변 온도 셀프 히팅(self heating) 관리에 세심한 주의를 필요로 한다. 일반적으로 이들 노드는 터미널 30 연결되어 있으므로 100 µA 미만의 매우 낮은 대기 전력이 필요하다.

Microchip 자동차 앰비언트 실내 조명 모듈 레퍼런스 디자인은 마이크로컨트롤러 기반의 RGB LED 디바이스 제어를 구현한다(www.microchip.com에서 애플리케이션 노트AN1074 참조). 모듈은 LIN 버스를 통해 마스터 바디 컨트롤러에 의해 원격으로 제어할 있다. 모듈은 초소형 10x20 mm -팩터 보드 형태로 제공되며, LIN 트랜시버와 전압 레귤레이터, 8비트 PIC 마이크로컨트롤러와 RGB LED 포함된 PIC16F1829LIN 솔루션으로 구성되어 있다. LIN 명령은 색상 혼합(16,383 색상) 강도(1023 레벨) 제어를 위하여 모듈에 의해 해석된다.

 

 

 

그림 3: Microchip PIC16F1829LIN RGB 앰비언트 조명 데모 보드 (제품번호 APGRD007)                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

키트는 LIN이나 J2602 네트워크 내에서 조명 영역으로 지정된 4개의 모듈을 탑재하고 있다. 또한 모듈은 Microchip LIN 시리얼 애널라이저 (제품번호 APGDT001) 함께 사용하여 LIN RGB 트워크를 능동적으로 신속하게 구성할 있다.

마이크로컨트롤러 기반 솔루션은 향후 RGB LIN 기반 실내 조명 애플리케이션에 필요한 유연성과 합을 제공한다. 세심하게 설계된 시스템 아키텍쳐 디자인을 통해 저비용 8비트 마이크로컨트롤러로뛰어난 성능을 구현할 있다. OEM 업체들은 제품을 사용하여 내부 조명 디자인을 시장 출시 모델에 대량으로 적용 생산할 있으므로, 제품 가치를 높이고 운전자의 편안함과 안전성을상시킬 있다. PIC 마이크로컨트롤러를 사용하면 추가 비용을 거의 들이지 않고도 접근 센싱과 전용량 터치 스위치 등의 부가 기능을 손쉽게 구현할 있으므로, 향후 시스템의 가치를 더욱 향상시킬 있을 것이다.

레퍼런스

 

 

 

 

· 애플리케이션 노트: AN-1074, AN-1074, Software PWM Generation for LED Dimming and RGB Color Applications. www.microchip.com 참조.

· Microchip 자동차 관련 디자인 센터: www.microchip.com/auto

· Microchip 조명 디자인 센터: www.microchip.com/lighting

 

 

 

 

 

 

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