특허출원 중인 ams의 회로 설계에서는, LED 플래시를 위해 다른 두 입력 전압에서 동작하는 듀얼 DC-DC 컨버터를 단일 칩에 결합했다. 이 전원 회로는 슈퍼커패시터 및 배터리의 입력 전압을 결합하여 최소 입력 전압이 LED 순방향 전압보다 높이 유지되도록 한다. 따라서 얇은 폼 팩터에서 플래시 LED 시스템의 성능을 높일 수 있다. 시스템 설계자는 슈퍼커패시터를 작게 지정할 수 있으므로 얇고 가벼운 폼 팩터의 소비자용 장치에 적합하다.

휴대폰 카메라 사용자는 물론, 디지털 스틸 및 디지털 비디오 카메라 사용자들도 항상 원하는 영상에 딱 맞는 자연광을 선택할 수는 없다. 따라서 이러한 기기들에서는 플래시 라이트가 필수적인 기능이다. 스틸 사진의 경우, 밝은 섬광을 통해 짧은 노출 시간을 사용할 수 있게 된다. 그러면 피사체의 움직임과 ‘카메라 흔들림’(사용자의 몸이 무의식적으로 미세하게 움직임으로써 발생하는 흔들림)의 영향을 받지 않는 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
오늘날 제조업체들은 일반적으로 LED 플래시를 휴대폰에 통합하고 있다. 그러나 안타깝게도 플래시 LED의 현재 광 출력은 제논 전구가 제공하는 밝은 섬광에 미치지 못한다. 그리고 플래시 LED는 일반적으로 긴 노출 시간(때로는 100ms 이상)이 필요하므로 어두운 곳에서는 제논 플래시가 장착된 디지털 스틸 카메라(DSC)만큼 선명한 영상을 촬영하지 못한다. 그럼에도 불구하고 LED 플래시는 제논튜브(Xenon Tube)에 비해 몇 가지 장점을 갖고 있다.

그림 1. 기존의 플래시 LED 드라이버 회로에서는 휴대폰 또는 카메라의 배터리가 슈퍼커패시터를 충전하고 슈퍼커패시터가

플래시 LED에 전원을 공급했다

•플래시 LED 방식이 더 작다.
•제조 과정에서 다루기 더 쉽다.
•‌비디오 녹화를 위한 연속적인 광 출력을 제공할 수 있다.
플래시 LED는 확대(클로즈업) 이미지 촬영에도 더 효과적이다. 플래시 LED는 밝기를 낮게 조절할 수 있는 반면, 제논 전구의 경우 광 출력 지속 시간을 제어할 수 있지만 강도는 제어할 수 없다. 그러나 제논의 경우, 확대 촬영 시 과다 노출로 촬영된 이미지를 만드는 경향이 있다.
사실 카메라 플래시 시스템을 개선하는 것은 휴대폰 제조업체의 입장에서 경쟁력을 확보할 수 있는 중요한 수단이 되고 있다. 점점 더 많은 사용자들이 별도의 DSC를 사용하는 대신, 스마트폰을 주 카메라 혹은 유일한 카메라로 사용하고 있기 때문이다. 이러한 사용자들은 어두운 곳에서도 휴대폰이 제공할 수 있는 화질에 대해 신경을 많이 쓴다. 이에 따라 휴대폰 제조업체들은 이미지 센서의 해상도를 대폭 높여 왔다. 예를 들어, 노키아(Nokia)의 루미아(Lumia) 1020(2013년 중반 출시)은 41Mpixel 이미지 센서를 갖추고 있다.
하지만 초고해상도 센서라고 해도 플래시 라이트의 도움이 없이는 어두운 곳에서 촬영할 수 있는 디테일에 한계가 있다. 그리고 카메라가 휴대폰에 처음 통합된 이래로 제조업체들은 플래시 LED의 광 출력을 향상시키기 위해 노력해 왔다. 초기에는 100mA 정도로 약했지만, 지난 몇 년을 거치면서 플래시 LED에 공급되는 구동 전류가 상승했다. 그러나 최근에는 최고의 카메라폰에서조차 2.5A(최대)에서 막혀 있다. 배터리에서 LED로 에너지를 공급하는 방식에 한계가 있기 때문이다.
따라서 휴대폰 및 카메라 제조업체들은 제논 전구의 강도에 근접하는 순간, 플래시 LED가 높은 광 출력을 제공할 수 있게 해 주는 기술 혁신을 찾아 왔다. 그리고 그 혁신이 제품으로 이루어졌는데, 그것은 바로 듀얼 DC-DC 컨버터를 장착함으로써 플래시 LED에 두 개의 다른 전압을 공급하거나, 단일 전압을 제공할 수 있게 된 칩이다. 이 새로운 전원 회로는 보조 슈퍼커패시터 전원을 장치 배터리의 전원과 함께 사용하여, 강한 조명을 발산하는 듀얼 플래시 LED를 구동하는 데 충분한 에너지를 만들어낸다.
여기서는 휴대폰 및 소비자용 디지털 카메라의 공간 제약으로 인해 이러한 솔루션이 필요해진 이유와, 이 솔루션이 LED 플래시 드라이버 시스템에 구현된 방법에 대해 설명한다.

슈퍼커패시터에서 낭비되는 에너지

배터리는 기본적으로 대전류를 터뜨리기에 부족한 전원이다. 플래시 LED이건 제논 전구이건, 섬광을 나오게 하기 위해서는 대전류를 터뜨려야 한다. 휴대폰의 경우 배터리의 정격전류에도 물리적인 한계가 있다. 휴대폰의 배터리는 RF 전원 증폭기(PA)가 끌어오는 피크 전류를 공급하도록 설계되어 있다. 과거의 표준이지만 대부분의 신형 휴대폰에서도 여전히 지원되고 있는 GSM 모드의 경우 PA가 배터리로부터 최대 3A를 끌어올 수 있다. 따라서 현행 배터리의 정격은 3A 피크 전류이지만, 내부 보호 회로가 더 높은 전류를 전달하는 것을 방지한다.

그림 2. ‌방전 시 슈퍼커패시터의 출력 전압이 플래시 LED의 순방향 전압

아래로 떨어지므로 유효 플래시 지속 시간이 짧다

이 3A 배터리의 한계치는 플래시 LED를 통해 최대 2.5A를 구동하는 데 충분하다(LED의 순방향 전압은 일반적으로 배터리 전압보다 높으므로 스텝업 컨버터가 필요하다). 2.5A를 초과하는 플래시 LED 전류의 경우 배터리만으로는 부족하다(휴대폰 및 카메라 제조업체의 로드맵은 최대 8A의 LED 전류를 지원할 계획이다).
따라서 현재의 휴대폰, DSC 같이 공간이 제약된 소비자용 설계는 플래시 라이트 전용 보조 전원을 채택하고 있다. 그것은 바로 대전류를 빠르게 방전할 수 있는 장치인 듀얼 슈퍼커패시터(단일 패키지에 두 개의 슈퍼커패시터가 직렬로 연결되어 있으며 각각 일반적으로 1000㎌ 정격)이다. 그림 1은 일반적인 응용 회로를 나타낸 것이다. 여기서는 플래시가 작동할 때 배터리가 슈퍼커패시터를 충전하고, 슈퍼커패시터는 저장된 에너지를 LED로 방전한다. 즉, 배터리가 LED에 직접 연결되어 있지 않다.
그런데 플래시 LED 전원으로서의 슈퍼커패시터에는 한 가지 큰 단점이 있다. 그것은 방전할 때 출력 전압이 현저히 떨어진다는 것이다. 완전히 충전되었을 때 이 장치의 출력 전압은 일반적으로 5.5V이다. 플래시 LED의 순방향 전압은 일반적으로 3.8V∼4.2V 사이이다. 방전하는 동안 슈퍼커패시터의 출력이 이 순방향 전압 아래로 떨어지며, 이 시점에서 LED가 끌어오는 전류는 크게 감소한다(그림 2 참조). 이로 인해 카메라의 광원으로 사용할 수 없을 정도까지 밝기가 감소된다.
그러면 플래시 라이트가 완전히 방전되기 전에 슈퍼커패시터로부터 대전류를 끌어오는 것을 멈춘다. 이것은 휴대폰과 같이 공간이 제약된 환경에서는 불리한 조건이다. 비록 슈퍼커패시터의 집적도가 최근 향상되기는 했지만, 슈퍼커패시터는 여전히 많은 공간을 차지하며 충방전 범위가 높은 장치다.
휴대폰 설계자 입장에서는, 첫 방전 단계(출력 전압이 4.0V보다 클 때)만으로 플래시 LED를 구동하는 데 충분할 만큼 큰 슈퍼커패시터를 장착하는 것이 바람직하지 않다. 슬림한 소비자용 장치 폼 팩터에는 그렇게 큰 슈퍼커패시터를 넣을 만한 공간이 없기 때문이다.
따라서 현재 휴대폰에는 전력이 부족한 플래시 LED 회로가 장착되어 있다. 휴대폰 제조업체들이 아무리 자사 휴대폰의 카메라 메가픽셀 수를 자랑하더라도 어두운 곳에서는 저화질 이미지가 촬영되는 것이다.

배터리 전원 공급을 효율적으로 사용하고 슈퍼커패시터를 완전하게 활용하는 DC-DC 아키텍처

그림 3. ams 듀얼 DC-DC 컨버터 아키텍처는 슈퍼커패시터와 배터리의 입력 전압을 단일 출력 전압으로 결합한다

ams에서 개발한 새로운 듀얼 DC-DC 컨버터 아키텍처는 시스템 설계자들이 기존의 현행 LED 플래시 전원 시스템보다 훨씬 적은 규격 용량으로 슈퍼커패시터를 사용할 수 있게 해 준다. 이것이 가능한 이유는 다음과 같다.
•이 시스템은 슈퍼커패시터의 규격 용량을 거의 모두 사용할 수 있게 한다.
•슈퍼커패시터의 LED 입력 전압이 배터리의 입력 전압으로 보완된다.
이 듀얼 DC-DC 컨버터 아키텍처는 슈퍼커패시터 및 배터리의 입력 전압을 결합하여 이러한 이점을 제공한다(그림 3 참조). 서로 다르고 변경될 수 있는 두 가지 입력 전압을 하나의 출력 전압으로 결합하는 어려운 기술이 ams에서 만든 새로운 LED 드라이버 IC, AS3630에서 제공되고 있다.
통합형 듀얼 컨버터 IC의 개념 자체는 새로운 것이 아니다. 다중 위상 DC-DC 컨버터가 이미 존재하지만, 듀얼 입력 전압이 서로 같은 전압이다. 그러나 플래시 LED 응용 분야에서는 배터리의 입력 전압이 슈퍼커패시터의 입력 전압과 다를 수 있다. 게다가 두 입력 전압 모두 변경될 수 있다. 배터리의 입력 전압은 배터리의 충전 상태에 따라 바뀌고, 슈퍼커패시터의 입력 전압은 앞서 언급한 대로 방전 주기에 따라 바뀐다.
AS3630에서 하나의 컨버터는 VBAT에서 VLED로, 그리고 다른 하나의 컨버터는 VSUPERCAP에서 VLED로 작동한다. 입력 전압이 서로 다르고 변경될 수 있기 때문에 컨버터 두 개의 제어 루프가 서로 영향을 주지 않도록 하기에는 어려움이 있다. 이것은 두 개의 다른 전압이 하나의 커패시터를 놓고 경합하기 때문이다. 이러한 상황에서 어떻게 해야 장치가 안정적이고 통제된 출력을 제공할 수 있을까?
ams가 찾아낸 해답은 제어 요구 사항을 단순화하는 것이다. VBAT에서 VLED로 변환하는 첫 번째 컨버터는 정전류 제어 방식으로 작동하며, 프로그래밍 가능한 전류 한계(배터리의 전류 한계까지 도달할 수 있음)에서 공급하도록 구성되어 있다. 즉, 앞에서 언급한 것처럼 휴대폰에서는 일반 3A에 해당한다.
그 다음에는 슈퍼커패시터의 입력 전압에 추가적인 제어 루프를 적용함으로써 LED로 전달되는 결합된 입력 전압이 순방향 전압보다 높게 유지되도록 할 수 있다.
데모 회로는 슈퍼커패시터 및 일반 휴대폰 배터리에서 AS3630을 사용할 경우 최대 8A의 전류 드라이빙이 가능하다는 것을 보여 준다.
AS3630으로 인해 보완된 전원 공급의 또 다른 장점은 직렬로 구성된 트윈 플래시 LED에 전원을 공급할 수 있다는 것이다. 기존의 플래시 LED 전원 공급 장치는 병렬 구성만 지원할 수 있다. 병렬 구성에서는 순방향 전압 불일치가 드라이버 회로에서 과도한 발열을 일으키므로 위험하다.
따라서 시스템 제조 업체 또는 해당 LED 공급 업체들은 생산 과정에서 LED의 포워드 전압을 매칭하는 데 주력해야 했다. AS3630이 지원하는 직렬 구성은 이러한 포워드 전압을 매칭할 필요가 없으므로, 생산 공정에서 시간과 비용을 절약해 준다.

순간적으로 켜지는 토치 모드

그림 4. 토치 모드에서 배터리 전원 공급만으로 플래시 LED가 작동할 수 있다

배터리가 LED에 직접 연결되므로, 기존의 LED 전원 회로에 비해 유용한 기능이 또 하나 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 기존 설계에서는 슈퍼커패시터만 LED에 전원을 공급한다.
따라서 슈퍼커패시터는 방전된 직후에 배터리부터 충전되어야 한다. 이 충전 과정에 2∼3초가 소요된다. 물론 사진을 촬영할 경우에는 이 정도의 지연 시간이 일반적으로 용납된다.
하지만 토치 모드에서는 사용자가 라이트를 바로 작동하고 싶을 수도 있다. AS3630은 토치 모드에서 배터리만으로 플래시 LED에 전원을 공급함으로써 그 욕구를 충족시킬 수 있다(그림 4 참조).
이 모드에서는 슈퍼커패시터가 LED에 전원을 공급하지 않으므로 사용자가 충전 시간을 기다린 후 토치 라이트를 작동할 필요가 없다.

Peter Trattler / ams