[첨단 헬로티]

머신 비전 시스템은 강한 빛의 매우 짧은 섬광을 이용해 다양한 종류의 데이터 프로세싱 애플리케이션에 사용되는 고속 이미지를 생성한다. 예를 들어 빠르게 움직이는 컨베이어 벨트가 신속한 레이블 및 결함 검사를 위해 머신 비전 시스템을 통과한다. 주로 IR, 레이저 LED 플래시가 근접과 모션 감지 머신 비전에 사용된다. 보안 시스템은 고속의 검출이 어려운 LED 플래시를 쏘아 보내 모션을 감지하고 보안 영상을 캡처하고 저장한다.

이러한 모든 시스템에서 한 가지 과제는 매우 높은 전류와 극히 짧은 시간(마이크로초)의 LED 카메라 플래시 파형을 생성하고, 이를 긴 시간 간격(100ms~1s 이상 등)으로 확산할 수 있어야 한다는 것이다. 긴 시간 간격으로 분리되는 짧은 구형파 LED 플래시 파형을 생성하는 일은 간단하지 않다. LED(또는 LED 스트링) 구동 전류가 1A 이상으로 상승하고 LED 온 타임(On-time)이 마이크로초로 감소함에 따라 어려움은 증가한다. 고속 PWM 기능을 갖는 많은 LED 드라이버는 적절한 고속 이미지 프로세싱에 필요한 구형파 파형을 왜곡시키지 않으면서 긴 오프 타임(Off-time)과 짧은 시간의 높은 전류를 효율적으로 처리할 수 없다.

고유의 LED 플래시 

다행히 LT3932 고속 LED 드라이버는 최대 2A LED 스트링을 위한 머신 비전 카메라 플래시를 제공할 수 있으며, 여기에 1초, 1시간, 1일 및 더 긴 시간의 오프 타임을 가질 수 있다. LT3932는 특수한 카메라 플래시 기능으로 긴 오프 타임에서도 출력 커패시터와 제어 루프 충전 상태를 유지할 수 있다. 

LT3932는 출력, 제어 루프 커패시터 상태를 샘플링한 후 긴 오프 타임 동안 이러한 부품을 계속 트리클 충전해 일반적인 누설 전류를 보상한다. 이는 다른 LED 드라이버에서는 찾아볼 수 없는 기능이다.

LT3932에 채택된 고유의 플래시 기술은 드라이버를 병렬 연결해 LED 플래시 전류를 증가시키도록 확장할 수 있다. 원하는 플래시 형태와 무결성이 유지된다. [그림 1]은 2개의 드라이버를 쉽게 병렬 연결해 3A 카메라 플래시를 생성하는 것을 보여준다. 최대 4A까지 설계 가능하다.

▲ 그림 1. 병렬 LT3932 1.5A LED 드라이버는 표준 PWM 디밍 주파수에 비해 긴 오프 타임을 갖는 3A 머신 비전 LED 펄스를 생성한다.

머신 비전 시스템을 위한 LED 플래시 요구사항은 표준 PWM 디밍 드라이버가 만족할 수 있는 수준보다 훨씬 더 까다롭다. 

즉, 최고 수준의 하이엔드 LED 드라이버는 최소 100Hz의 PWM 주파수에서 PWM 디밍 밝기 제어를 생성하도록 설계된다. 이보다 낮은 주파수는 LED 파형이 구형파의 반복 가능한 경우에도 사람의 눈에 피로감을 주는 깜박임이나 섬광으로 인식되기 때문이다. 100Hz에서 이론적인 최대 오프 타임은 약 10ms이다. 

10ms 오프 타임 동안, 적절하게 설계된 LED 드라이버는 최소의 출력 커패시터 충전만 손실하고 마지막 PWM 온(ON) 펄스를 종료할 때와 거의 동일한 상태에서 제어 루프를 시작할 수 있다. 인덕터 전류와 다음 LED PWM 온(ON) 펄스의 빠른 응답과 램프 업은 최소의 스타트업 시간으로 신속하게 반복할 수 있게 한다. 

그러나 100Hz 미만 주파수에서 더 긴 오프 타임은 누설로 인한 출력 커패시터의 충전 손실이 발생할 수 있기 때문에 LED가 다시 켜질 때 빠른 응답을 제공하지 못한다.

높은 전류를 위한 드라이버 병렬 연결

LED 드라이버는 전류 소스의 역할을 하고 발광 다이오드(LED)를 통해 방출되는 전류를 레귤레이트 한다. 전류는 출력으로 한 방향으로만 흐르기 때문에 여러 개의 LED 드라이버를 병렬로 배치할 수 있으며 전류는 부하에서 합쳐진다. 전류 소스는 컨버터를 통해 역 방향으로 흐르거나 정합되지 않은 출력을 갖는 전류에 대해 보호할 필요가 없다. 반면에 전압 레귤레이터는 본질적으로 전류 공유에 뛰어나지 않다. 전압 레귤레이터가 출력 전압을 단일 지점으로 모두 레귤레이트 하려고 한다면 피드백 네트워크에는 약간의 차가 존재하고, 이에 따라 레귤레이터는 역 전류를 끌어올 수 있다.

다른 드라이버들이 출력 부하에서 합쳐지는 추가적인 전류를 공급할 수 있지만, LED 드라이버는 출력 전류를 유지한다. 이런 특성으로 LED 드라이버는 매우 간단히 병렬 연결할 수 있다. 예를 들면 [그림 1]에 보이는 2개의 병렬 LT3932 LED 드라이버로 구성된 LED 플래시 시스템은 머신 비전 시스템에 의해 정의되는 긴 시간 간격으로 확산되는 짧은 10μs로 3A에서 4개의 LED를 효율적으로 구동한다. 각 LT3932 컨버터는 PWM 온 타임 동안 전체 스트링 전류의 절반을 소싱하고 턴 오프 하며, PWM 오프 타임 동안 출력 상태를 저장한다. 오프 타임은 짧거나 길 수 있는데, 플래시 파형의 반복성에 영향을 주지 않는다.

병렬 카메라 플래시 애플리케이션은 긴 오프 타임 동안 단일 컨버터와 거의 같은 단순성을 공유한다. 컨버터는 마지막 PWM 온 펄스의 끝에서 공유된 출력 전압을 관찰하고 긴 오프 타임 동안 출력 커패시터를 해당 상태로 충전되도록 유지한다. 

각 컨버터는 공유된 부하로부터 PWM MOSFET을 분리하고, 커패시터에 누설이 발생함에 따라 해당 커패시터로 전류를 소싱함으로써 출력 커패시터를 대략 마지막 전압 상태로 충전되도록 유지한다. 긴 오프 타임에서 이러한 커패시터에서 발생하는 모든 누설은 소량의 유지보수 전류에 의해 극복된다. 다음 PWM 온 펄스가 시작되면 각 컨버터의 PWM MOSFET이 켜지고 경과된 시간이 10ms 또는 하루가 되었든 출력 커패시터가 마지막 펄스와 대략 동일한 상태로 스타트업 된다.

그림 2(a)와 2(b)는 LT3932 병렬 LED 드라이버가 10μs 머신 비전 카메라 펄스로 3A에서 4개의 LED를 구동하는 것을 보여준다. 10ms PWM 오프 타임(100Hz)이나 1s PWM 오프타임(1Hz)에서나 모두 LED 펄스는 뚜렷하고 빠르므로 머신 비전 시스템에 이상적이다. 

▲ 그림 2. 그림 1의 병렬 LED 드라이버의 3A 카메라 플래시 파형은 PWM 오프 타임의 크기와 관계없이 동일하게 나타난다. 

파형은 (a) 10ms 후, (b) 1s 후의 10μs 펄스가 동일하다는 것을 보여준다. LT3932 LED 플래시 역시 1일 또는 더 장시간의 

PWM 오프 타임 후에도 동일하게 보인다.

▲ 그림 3. 산업용 컨베이어 벨트에 사용되는 머신 비전의 예. 검사 시스템은 매우 다양한 속도로 움직이므로 플래시 기술은 빠르고 선명해야 한다.

더 높은 전류도 가능

병렬 LED 드라이버는 컨버터 2개로 제한되지 않는다. 3개 이상의 컨버터를 병렬로 연결하여 선명한 에지를 갖는 더 높은 전류 파형을 생성할 수 있다. 

이 시스템은 마스터 또는 슬레이브 장치를 갖지 않으므로 모든 컨버터가 동일한 양의 전류를 소싱하고 부하를 균등하게 공유한다. 모든 병렬 LED 드라이버 컨버터가 동일한 동기화된 클록을 공유하고 동일 위상을 유지하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 모든 컨버터가 출력 커패시터의 리플에서 대략 동일한 위상을 가질 수 있어 리플 전류가 역으로 흐르거나 다른 컨버터 사이에 흐르지 않는다. 

또 PWM 펄스 파형이 2MHz 동기화 클록과 동일한 위상을 유지하는 것이 중요하다. 이것은 LED 플래시 파형이 구형파를 유지하고 지터를 발생시키지 않으므로 최고의 이미지 프로세싱 결과를 생성할 수 있도록 보장한다.

LT3932 데모 회로(DC2286A)는 스텝다운 LED 드라이버로 1개 또는 2개의 LED를 통해 1A의 LED 전류를 구동하도록 설계됐다. 이 회로는 [그림 1]에서 보듯 더 높은 전류, 전압 또는 병렬 동작으로 쉽게 변경하고 병렬 연결할 수 있다. 

[그림 4]는 이러한 2개의 회로를 쉽게 연결하여 24V 입력으로부터 4개 LED를 통해 10μs, 3A 펄스를 구동하는 것을 보여준다. 테스트를 위해 [그림 4]와 같이 펄스 발생기를 동기화된 클록 신호로 사용할 수 있다. 생산 머신 비전 시스템에서는 클록 칩을 동기화된 SYNC 및 PWM 펄스를 발생시키는 데 사용할 수 있다. 더 높은 전류 펄스를 위해 동일한 병렬 구조를 사용하는 더 많은 데모 회로 DC2286A 컨버터를 추가할 수 있다.

▲ 그림 4. 2개의 DC2286A LT3932 데모 회로를 쉽게 병렬로 연결하여 그림 1에 보이는 3A (~ 4A) 머신 비전 LED 플래시 애플리케이션을 구현한다.

결론

머신 비전 시스템은 병렬 LED 드라이버를 사용해 자동화된 이미지 프로세싱에 필요한 구형파의 빠른 고전류 파형을 생성할 수 있다. LT3932 LED 드라이버의 고유 카메라 플래시 기술은 병렬 컨버터를 연결하여 보다 높은 전류를 생성하도록 확장할 수 있다. 병렬 LT3932 컨버터를 이용하면 긴 오프 타임에서도 수 마이크로초 대의 3A 이상 펄스를 생성할 수 있다. LED 카메라 플래시 파형은 LED 플래시 간 오프 타임이 아무리 길어도 구형파를 유지하고 지터를 발생시키지 않는다. 

글 : 키이스 졸루샤(Keith Szolusha) & 카일 로렌스(Kyle Lawrence) 아나로그디바이스