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지능형 LED 조명 제어
LED 조명에 디지털 신호 컨트롤러(Digital Signal Controller)로 지능형 제어 및 통신을 더해
2014년 02월 03일 (월) 11:24:53 편집부 editor@lednewskorea.com

찰리 아이스, 마이크로칩 테크놀로지

LED 조명은 조명 시장에 새로운 변화를 가져오는 동시에 LED 조명 기구에 지능형 제어 색상 혼합을 활용하여 디자이너들에게 새로운 기회를 열어주고 있다. DSC 자동차 전조등 후미등에서부터 빌딩 전체를 하나의 캔버스로 사용하는 최신 조명기술 쇼에 이르기까지 다양한 애플리케이션의 혁신을 가능케 한다.

 

 

 

 

LED 효율성과 디밍 기능, 수명을 통해 조명 기구를 손쉽고도 효과적이며 비용 대비 효율적으로 사용할 있다. 디지털 신호 컨트롤러(DSC) 사용하면 효율적인 LED 구동과 정확한 제어는 물론 외부 장치들과의 원활한 통신이 가능하다. 이러한 기능들을 바탕으로 디자이너들은 차별화된 차세대 LED 조명 기구 개발에 보다 창의적으로 접근할 있다.

 

 

 

 향상된 밝기와 복잡성 증가

저전력 표시기 LED 디자인 단순화를 위해 개발자들이 많은 제품에서 적용하는 디바이스이다. 이를 사용하기 위해 필요한 것은 전압 소스와, LED 전류를 5 mA 미만으로 유지하기 위해 필요한 정격 레지스터가 전부이다. 마이크로컨트롤러에서 GPIO 핀에 연결하면 디자이너들은 LED 점멸하도록 만들 있다. 그러나 350 mA 이상의 순방향 전류(forward current) 사용하는 고휘도, 고전류 LED 함께 사용되면서 LED 디자인은 점점 복잡성을 띠게 되었다. 이제 디자이너들은 온도 변화 LED 스스로 발산하는 엄청난 문제는 물론, 전류 제어 문제까지도 고려해야만 하는 것이다.

 

 

 

 

   

그림 1: 광속(Luminous flux) 순방향 전류에 비례함

 

 

 지능형 전류 제어

고휘도 LED 밝기와 색상을 유지하기 위해 상대적으로 높은 전류를 지속적으로 유지하여야 한다. 그림 1 LED 광속과 순방향 전류(IF) LED 내에서 비례 관계임을 나타낸다. 따라서 지속적인 순방향 전류는 꾸준한 색상 밝기 출력을 위하여 매우 중요하다. LED 간단한 저항기를 사용하면 순방향 전류는 다음 식에 의하여 결정된다:

 

 

 

 

 

 

 

(IF = (VSource-VF)/R)

 소스 전압(VSource) 다양하므로, 순방향 전류가 변화하면 LED 의해 방출되는 빛의 양에도 변화가 발생한다. 따라서 LED 순방향 전류를 능동적으로 조정하는 전원 공급 장치에 의해 구동되어야 한다.

온도 제어

일반적으로 LED 순방향 전압(VF) 순방향 전류가 일정하게 조정됨에도 불구하고 온도 상승에 따라 상승한다. 그림 2 제대로 조정되지 않은 순방향 전류가 LED 순방향 전압과 함께 변화하는 상태와, LED 순방향 전압보다 순방향 전류를 제어하는 것이 더욱 중요한 이유를 보여준다.

 

   

그림 2: 순방향 전압 변화가 순방향 전류에 미치는 영향

 

 

고출력 LED 경우 스스로 엄청난 열을 방출하며, 이로 인해 LED 수명이 감소하고 조기 파손(premature failure) 발생할 있다. LED 순방향 전류를 동적으로 제어하면 목표 순방향 전류와 예상 순방향 전압에 기반하여 싱크(heat sink) 레벨을 디자인에 따라 결정할 있다. 온도 센서를 사용하는 또한 온도 과부하 상황 발생 여부를 모니터링 있는 옵션을 제공한다.

 정확한 색상 제어

LED 출력을 거의 즉각적으로 변경할 있으므로 신속한 색상 변경이 필요한 조명 기구에 매우 이상적이다. 적색, 녹색 청색의 LED 배열은 LED 밝기를 조절하는 것만으로도 어떤 색상이든 만들어낼 있다. 색상 제어를 위한 번째 방법은 LED 순방향 전류를 높이거나 낮추는 것이다. 방법의 문제는 순방향 전압을 변경하면 밝기뿐만 아니라 LED 색상에도 약간의 영향을 미치므로, 정확한 색상을 필요로 하는 애플리케이션의 경우 문제가 발생할 있다는 것이다.

 

 

 

다른 방법은 색상 변화 없이 동일한 디밍(dimming) 효과를 제공하는 펄스 전류를 사용하는 것이다. 그림 3 적색 도트 선은 밝기 변화를 가져오는 평균 펄스 전류로서, LED에서 지속적인 순방향 전류를 유지하므로 색상을 변화시키지 않는다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

그림 3: 밝기 변화를 위한 순방향 전류 펄싱

 

 

 디지털 디밍 제어

DSC 기반으로 펄스 전류 기법을 사용하면 디밍은 매우 단순하다. DSC 탑재된 고급 PWM 모듈을 사용하면 LED 전원 상태를 제어하는 PWM 신호를 생성할 있다. 이러한 PWM 모듈은 오버라이드 입력(override input) 통해 PWM 출력을 신속하고 정확하게 OFF 있으며, LED 전류를 제어하여 LED 디밍 있도록 한다. 디밍의 양은 0부터 최고 밝기를 나타내는 사이의 숫자로 수량화될 있다. LED 50% 밝기로 설정하려면, 카운터는 0부터 255까지 카운트하고 카운트 값이 128 도달하는 순간 PWM 오버라이드를 트리거할 것이다. 이후 PWM 출력은 OFF되고 LED에서 전류 공급은 중지된다. 카운터가 최고값인 255 도달하면 이는 0으로 리셋되고 PWM 다시 활성화된다. 이러한 프로세스는 LED 디밍하기 위해 필요한 펄스 전류를 생성하기 위해 그림 4 같이 반복된다. 디밍 주파수는 육안으로 LED 깜빡임을 인지할 없을 정도의 속도로 빨라야 하므로, 일반적으로 400 Hz 넘는 주파수가 사용된다.

 

 

 

 

 
   

그림 4: 디밍 디지털 제어

 

 

 

 

 

디지털 LED 구동

디밍 제어와 함께, DSC 고휘도 LED 순방향 전류를 제어하기 위하여 능동형 전원 공급 장치를 제공한다. LED 전원 공급에 (Buck) 부스트 SMPS(Switch Mode Power Supply) 토폴로지를 모두 사용할 있으며 이를 통해 DSC 지능형 제어를 구현할 있다.

 

 

   

그림 5: LED 구동을 위한 토폴로지

 

 

토폴로지는 LED 순방향 전압이 소스 전압보다 낮을 사용된다. 그림 5 토폴로지 상에서 PWM 스위치(Q) 닫혔을 LED 순방향 전류에 상응하는 감지 저항기(Rsns) 흐르는 전압과 스위치(Q) 제어한다. DSC 컴퍼레이터는 저항기(Rsns) 상의 전압을 LED 요청 순방향 전류에 비례하는 설정 가능 내부 레퍼런스와 비교한다. 감지된 전압이 내부 레퍼런스보다 높은 경우, 아날로그 컴퍼레이터는 PWM 오프닝 스위치(Q) 비활성화하여 인덕터(L) 다이오드(D) LED 저장된 전류를 방전시킨다. 후속 PWM 주기 시작 스위치(Q) 폐쇄되며 프로세스는 다시 시작된다. DSC 고급 기능은 방법을 통해 CPU 오버헤드를 사용하지 않고도 LED 순방향 전류를 동적으로 제어할 있다.

 

 

 

 

   

그림 6: LED 구동을 위한 부스트 토폴로지

 

 

 

 

 

 

 

 

 

부스트 토폴로지는 그림 6 같이 LED 순방향 전압이 소스 전압보다 경우에 사용된다. 토폴로지와 같이 PWM 스위치(Q) 제어하며 순방향 전류는 감지 저항기(Rsns) 상에서 모니터링된다. DSC ADC 모듈은 LED 순방향 전류에 대응하는 감지 저항기의 전압을 샘플링한다. 값은 PI(Proportional Integral) 제어 루프에 의해 사용되며, DSC 상에서 소프트웨어에 의해 실행되어 요청 전류에 해당하는 ADC 읽기 소프트웨어 레퍼런스 값에 기반하여 스위치(Q) 듀티 사이클을 조정한다. 소프트웨어에서 PI 제어 루프를 구현함으로써 DSC 다양한 제어 루프 기법을 사용할 있는 유연성을 제공한다. PI 제어 루프용으로 CPU 오버헤드를 최소화하는 또한 DSC 통해 복수의 LED 제어함과 동시에 부가 기능 지원을 위한 여분의 처리능력을 보유함을 의미한다.

디지털 통신

 

 

 

DSC LED 조명기구의 지능형 제어를 위한 처리능력과 동시에 별도의 통신 제어 장치 없이도 통신 프로토콜을 구현할 있다. 예를 들어 DMX512 조명 제어 프로토콜의 경우 하나의 마스터와 복수의 슬레이브를 통한 표준 단방향 통신을 사용하여 개별 조명 기구에 패킷 512 byte 명령을 전송할 있으며 디바이스 또는 노드에 개별 어드레싱이 가능하다. DSP 고속 프로세싱 기능은 최우선순위로 부스트 컨버터용 PI 컨트롤러와 같은 신속한 제어 루프를 실행하며, 백그라운드에서는 DMX512 같은 통신 프로토콜을 실행한다. 통신 기능은 소프트웨어에서 구현되므로 이는 단일 프로토콜에 제한되지 않으며 어떠한 조명 기구라도 통신 기법을 사용하여 제어할 있다.

기술 구현 시간 단축

새로운 기술이 으레 그렇듯이 디지털 LED 제어 또한 가파른 학습 곡선을 가지고 있으나, 이는 디지털 제어 LED 조명 키트, 레퍼런스 디자인 애플리케이션 노트를 통해 완화될 있다. 일반적으로 여기에는 무료 소스코드 하드웨어 문서가 포함되며, 서로 다른 전력 토폴로지를 지원하기 위해 상호 교환 파워 스테이지가 제공될 있다. 예를 들어 디자이너들은 Microchip DM330014 LED 조명 개발 키트를 사용하여 LED 드라이버 도터 카드를 통해 동일한 보드에서 복수의 드라이버 스테이지를 실습할 있다.

LED 높은 효율성과 즉각적인 디밍 능력은 앞으로도 색상 조합과 다른 조명 애플리케이션에도 새로운 혁신을 불러올 것이다. DSC 지능형 제어와 통신 기능을 추가하여, 디자이너들은 향상된 기능 성능으로 조명 애플리케이션의 차별화와 더불어 눈길을 사로잡을 있는 LED 조명 기구를 개발할 있을 것으로 기대된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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