LED 조명용 저압 AC 애플리케이션

저압 AC 조명 시스템은 일반 실내 장식 조명부터 트랙 조명, 옥외 조명에 이르기까지 사용 범위가 폭넓게 확장되고 있다. 이 조명은 특정 저압 규정을 통해 사용자가 직접 설치할 수 있고 설치 비용이 저렴하며 설치 방법이 간단한 것이 특징이다. 이 글에서는 이 시스템을 대형 어레이는 물론 소형, 중형 어레이 설계에 적용했을 경우 장점과 과제에 대해 살펴본다.

Daniel Andersen 내셔널 세미컨덕터

 

저압 AC 조명 시스템

 

지난 30여 년 동안 저압 AC 조명의 사용량이 크게 증가하고 있다. 이제는 실내 장식 조명부터 일반적인 트랙 조 명, 정원과 조경 등의 옥외 조명에 이르 기까지 모든 분야에서 저압 AC 조명 시 스템이 적용되고 있다. 이러한 저압 AC 조명 시스템은 외부 설치업체를 통하지 않고 최종 사용자가 특정한 저압 규정을 사용해 직접 설치 할 수 있다.
그 결과 이케아와 홈디포 등 의 소매·생활용품 매장들이 이 기술을 소비자 공간으로 급격히 확산시킬 수 있었다. 또한 설치 비용도 비교적 저렴 하고 설치 방법 역시 간편한 편이다. 이 러한 시스템은 모두 보다 낮은 전압으 로 오프라인 AC 변환이 가능하고 모든 부하 조건에서 개로 상태로 30Vrms를 절대 초과하지 않는 출력을 제공하는 절연형 주전원 공급장치를 사용한다.
이 회로는 모든 조건에서 보조 회로의 전류 한도가 25A여야 한다. 30Vrms, 25A의 한도값에 따라 모든 저압 AC 조 명 애플리케이션에 사용할 수 있는 최 대 전력이 결정된다.
일반적으로 출력 전압은 12VAC 또는 24VAC이지만 최 대 전류 25A는 동일하게 유지되어 12V 시스템에서 300VA를, 24V 시스템에서 600VA를 각각 공급한다. 이러한 이유로 저압 AC 조명은 LED 조명 애플리케이션에서 특히 유용하다. 심지어 최신 LED로 달성 가능한 발광 효율에서 300W LED는 가로등 3∼4개 의 광 출력과 동일한 수준이다.
이러한 특성은 설계자의 설계 작업에 높은 유연성을 제공하여 비교적 큰 단 일 소자 설계, 단일 전원 공급장치에서 다량의 소형 전등을 사용한 설계 또는 두 가지 경우의 중간 수준 설계를 모두 허용한다. LED 기반 설계에서 지원되 는 유연성은 확실히 재래식 백열등과 비교하여 상당히 진보된 수준이다.
저압 AC 시스템에서 사용되는 세 종 류 조명 설비를 생각해보자. 시스템당 단 한 개나 두 개를 구동하는 대형/고출 력 설계, 한 시스템에서 10∼20개 정도 의 여러 소형 전등을 지원하는 중급 출 력 설계, 마지막으로 한 시스템에 50∼ 100개 이상으로 다량의 조명 기구를 허 용하는 저출력 설계가 가능하다.

 

대형 어레이 설계

 

이 경우 설계 스펙트럼의 양 끝에서 LED를 채택한 설계만의 고유한 장점이 즉시 나타난다. 단일 대형 조명 기구의 경우, 매우 높은 광 출력 애플리케이션 을 구현하기 위해 대형 어레이의 정전 용량이 필요하다. 100W LED 광은 일반적으로 고압 오 프라인 솔루션을 실행하는 가로등 애플 리케이션에 적용된다.
완전히 새로운 규 정과 표준을 수반하는 분야인 가로등 애 플리케이션에 저압 AC 시스템을 사용 하는 것은 권장되지 않고 있지만, 설계 자가 저압 AC 예산으로 동일한 조명 효 과를 달성할 수도 있다.
순방향 전압 3.5V, 구동 전류 350mA의 표준 LED로 설계를 시작해 보면, 대략적으로 개당 1.2W 또는 LED 80개로 해결 가능하다. 원하는 출력을 얻기 위해서 드라이버 는 한 개만 사용하고 직렬/병렬 LED 조합은 여러 개 사용하는 것이 설계자의 바람이지만 일반적으로 권장하는 설계 는 아니다.
필자는 몇 가지 이유로 LED 스트링별로 별도 제어를 권장한다. 첫째, LED 자체가 온도와 피드-포워 드 관계를 갖고 있다. LED 온도가 상승 하면 순방향 전압이 떨어지고 엄격히 제어되지 않을 경우 전류 흐름의 증가 와 LED 온도의 추가 상승을 초래한다. 이러한 방식에 따라 동일한 전류 공급 원을 공유하는 서로 다른 스트링들간에 불일치가 급격한 속도로 발생한다.

그 결과 전류를 각 스트링에서 분리해서 관리하지 않으면 시스템이 빨리 고장 날 수 있다. 하지만 현재 시판 중인 다양한 드라 이버들은 이 요건을 충족한다. 내셔널 세미컨덕터는 필요한 최대 입력 범위를 달성할 수 있으며, 설계하기 쉽고 LED 를 구동하는 데 필요한 성능을 제공하 는 LED 드라이버를 다양하게 보유하고 있다. 먼저, 단일 대형 조명 기구에서 유용 하게 사용되는 24VAC 시스템으로 설 명을 시작한다.
여기서 다루는 드라이 버는 모두 DC-DC 컨버터이므로 상용 전원에서 공급되는 AC 신호의 정류가 얼마간 진행될 것이다. 이러한 사실에 따라 컨버터에 대한 입력 조건이 설정 되는데 24 Vrms=67.88VPP와 최대 입 력 전압을 드라이버 섹션=34V로 공급 하는 정류 조건이 있다. 이미 설계 단계에서 정확한 공급 조 건을 파악했고, 특정 LED도 결정한 상 태이다.
따라서 간단히 입력 전압, LED 종류/값, 원하는 LED 출력 구성을 내셔 널 WEBENCHLED Designer와 같은 온라인 툴에 입력만 하면 된다. 이 때 350mA 및 Vf=3.5V에서 LED 9개로 구성된 스트링을 구동하는 24VAC(정 류 후 34 VDC) 설계가 완벽한 사례로 제시된다. 매개변수 검색 툴을 검사해 보면 입 력 범위에만 기준할 때는 적합한 것이 아주 많지만, 다수의 경우에 대형 스트 링 지원을 방해하는 듀티 사이클 제한 사항이 문제가 된다.
내셔널에서 제작 하는 두 LED 드라이버인 LM3401과 LM3409가 이러한 조건을 지원할 수 있 다. LED 개수를 1∼8개 줄이면 여러 가 지 옵션이 등장하면서 수많은 드라이버 옵션이 가능하다. 하지만 스트링의 LED 개수가 증가할 때 그리고 전압 부스팅을 통해 공급될 때 나타나는 결과가 보다 도움이 될 것 이다.
대부분 저압 AC 애플리케이션의 기본 컨버터 토폴로지에는 벅 컨버터가 사용되는데 LED로 출력 구동 전압이 컨버터로 입력 전압보다 작다. 이 방식 은 소형 LED 스트링에 이상적이다. 일반적으로 단일 드라이버로 가능한 많은 LED를 구동하기 위해서는 비용 효율이 높은 토폴로지를 선택한다. 내 셔널에서는 단일 드라이버로 병렬 스트 링을 권장하지 않으며 가능한 직렬 스 트링 제작을 제한한다.
그러면 정확히 같은 양의 전류가 스트링의 모든 LED 를 통과할 뿐만 아니라 요구되는 엄격 한 조절과 보호 기능도 제공한다는 장 점이 있다. 입력 전압이 클수록 대형 LED 스트 링을 구동하기 쉬운 것은 분명한 사실 이지만, 정류를 통해 AC 전압 값의 절 반이 손실되므로 이러한 장점이 다소 상쇄된다.
출력 전압이 입력보다 큰 부 스트 솔루션은 이러한 장점을 살리고 대형 LED 스트링을 구동하는 데 필요 한 출력 전압을 달성하는 데 도움이 될 수 있다. 스트링의 LED를 20개 이하로 유지 하면, Vf=3.5V, 350mA LED 구동 전 류의 경우 부스트 출력도 내셔널의 84.85VPP 저압 한도 이내로 유지할 수 있다. 이는 내셔널의 LM342X 디바이 스로 쉽게 구현되며, 더불어 과도 전압, 과소 전압, 그리고 원할 경우 열 폴드백 을 포함한 전류 한도 특성에서 여러 가 지 보호 메커니즘의 장점을 제공한다. 디바이스 특성을 정확히 파악하는 것 이 중요할 수 있다.
원하는 것이 펄스- 폭 변조(Pulse-Width Modulation, PWM) 조광 방식인지, 혹은 아날로그 조광인지, 광 출력에 변화를 주기 위해 일종의 광 또는 열 피드백을 통합할 것 인지 고민하는 경우에 모두가 최종 결 정을 차별화하는 데 도움이 되는 요소 가될수있다. LM3421/23의 특성은 인에이블 (Enable) 핀과 여러 가지 추가적인 고장 검출 경고에 있으며, 이러한 특성으로 높은 차원의 보호와 마이크로 컨트롤러 로 피드백 제공을 필요로 하는 애플리 케이션에 이상적이다.

LM3424에는 내 장열폴드백기능이있어광및열피드 백(LED 온도에 따라 출력 전류 감소) 애플리케이션에 유용하다. LM3429는 제품군 중 가장 기본적인 버전이지만 부스트 애플리케이션에 유 용한 것으로 입증된 과도 전압 보호 및 전류 한도는 유지해야 한다. 그림 1의 회로는 350mA 전류 레벨에 서 각각 순방향 전압이 3.5V인 직렬 LED 20개를 구동한 경우이다.

게다가 매우 단순하지만 완벽히 보호되는 대형스트링 드라이버를 구현할 수 있도록 입 력 레벨이 감소됨에 따라 아날로그 조광 식 광 출력을 허용하기 위해 회로를 개 조할 수도 있다. 색 정확도를 더 높이고 싶으면 PWM 조광을 사용할 수 있다.
단순하게 부스트를 사용해 대규모 LED 스트링을 아주 효율적으로 구동하 면서 저압 한도 내로 유지하기 위해 AC 정류 과정에서 유실된 전압을 복구할 수 있다.
이때 프론트엔드에서 27W 정도 가 소비되므로 스트링별로 완벽한 보호 기능을 갖춘 대형 설계의 단일 인클로저 안에서 시스템의 확장 방법을 확인할 수 있다. 이러한 회로 4개를 사용하면 각 스트링에서 완벽한 보호가 지원되는 100W 설계 목표를 달성할 수 있고, 일 반 정류기 프론트엔드를 사용할 수 있 다. LED 조명을 사용하는 저압 시스템 의 가용 전력 300W∼600W(총 전류 25A)는 설계자에게 상당한 옵션을 제공 한다.
이 경우에 브리지 정류기를 잊어서는 안된다. 이것은 회로와 대부분 AC-DC 변환의 프론트엔드에 기반이 되는 것이 다. D1∼D4 정격은 헤드룸을 통해 전체 최대 전압 및 전류에 맞춰야 한다. 출력 정전용량은 간단한 일반 규칙을 사용하 여 계산할 수 있다.

C=0.7(I)/ΔE(f)

여기서 I는 다운스트림 회로로 입력 전류이고, ΔE는 허용 가능한 리플 전 압, f는 AC 상용 전원의 주파수를 나타 낸다. 이 설계의 효율은 92％이고 LED 로 24.5W가 공급된다. 즉, DC-DC 섹 션의 프론트엔드는 26.6W이다. 정류 이 후 24VAC 소스로부터 26.6W를 사용 하면 대략 782mA의 평균 입력 전류가 공급된다. 그러면 정류 다이오드 크기도 적절히 조정할 수 있다.
허용 가능한 리플 또한 필요한 정전용 량에 중대한 요소로 작용한다. 120Hz 상용 전원(브리지 정류이므로 2×60Hz) 에서 800mA 입력 전류로 높이고 1V 리 플을 허용하면 대략 9300uF의 큰 정전 용량이 요구된다.
3V 리플(34 VDC 상용 전원에서 9%) 로 올리는 데 ∼1500uF만 있으면 된다. 낮은리플은이경우에선택에적합한전 해캐패시터의수명을위해이상적이다.
105℃정격캐패시터를채택하여65℃ 이하 온도로 유지하면 설계에 대한 취약 한 연결 상태로 볼 수 없다. 전해 캐패시 터는정격온도아래서작동할경우10℃ 기간마다 수명이 두 배가 된다. 즉, 설계 자가 105℃ 정격 캐패시터에서 65℃ 이 하로 유지할 수만 있으면 정격 수명이 16배 연장된다. 이 배율로 5,000 시간 정격 캐패시터의 수명이 80,000 시간으 로 증가할 수 있다.
정확한 열 설계는 LED 애플리케이션 에서 매우 중요하며, LM3429와 같은 고효율 드라이버를 사용하면 설계 작업 이 수월해진다.
이 특별한 설계에서 가 장 고온인 디바이스는 스위칭 FET M1 으로, 약 65℃까지 상승한다. 이 경우 자체는 괜찮지만 다른 중대한 열원은 전 해 캐패시터로부터 멀리 배치하는 게 좋 다. 보드의 나머지 소자들은 30℃ 실온 에서 50℃ 이하였다. 전자기기가 아니 라 LED로부터 열을 제거하는 것이 항 상 최대 과제가 되고 있다.

 

소형 어레이 설계

 

설계 스펙트럼에서의 또 다른 중요한 부분은 소형 조명 기구이다. 단일 인클 로저는 LED 소자한개또는최대세개 로 구성된다. 현대 LED의 발광 효율은 환경 및 정원 조명에 아주 적합한 1W∼ 3W LED 솔루션을 구현할 수 있다. 간단한 12VAC 시스템은 이러한 LED 를 매우 효율적으로 구동시키는 벅 컨버 터 토폴로지에 풍부한 헤드룸을 제공한 다.
또 한 가지 인기 있는 저압 AC 시스 템 영역은 캐비닛과 디스플레이 조명이 다. 순방향 전압 3V, LED 구동 전류 350mA의 1W LED가 이 이 경우에 해 당된다. 그림 2에 나타낸 LM3407은 350mA 출력 한도, 소형 패키지, 최소한의 외장 소자 수를 지원하여 이러한 유형의 LED를 구동시킨다. AC-DC 변환은 대 형 어레이 설계와 같은 방법으로 처리된

다. DC-DC 컨버터 섹션의 입력 전류를 기준으로 입력 정류 다이오드와 보유 정 전용량에 적절한 값을 선택할 수 있다. 이 설계를 사용하면 100mA 미만의 입력 전류와 2V의 리플 허용으로 대략 290uF의 정전용량이 요구된다. 단지 330uF만 있으면 해결 가능하다. 입력 측 값이 1.5W를 약간 넘는 정도로 설계 의 소비 전력이 작기 때문에 단일 저압 12VAC 회로에서 이러한 모듈을 200개 지원할 수 있다. 24VAC 시스템으로 작 동하면 250개 이상도 가능하다.
이 정도 모듈이면 상당한 양으로 판단된다. 초소형 부하 설계의 경우 추가적인 고 려 사항은 1차측 변압기에 최소한의 부 하량 작동이 필요할 수 있다는 점이다. 초소형 저전력 시스템에서 이 소자를 지 정할 때 반드시 이러한 사항을 고려해야 한다. 60W 저압 AC 변압기에서는 10W 부하의 올바른 작동이 필요하다.
LED 설비의 효율로 인해 의도하지 않은 문제 가발생할수있으므로주전원공급장치 의크기를적절하게조절할필요가있다. 내셔널 세미컨덕터 레퍼런스 설계 RD-148에서는 3.6Vf, 600mA의 단일 LED를 구동하기 위해 12VAC 시스템에 LM3405A를 채택하는 솔루션을 보여 준다.
LM3405A의 SOT23와 LM3407 은 모두 패키지 크기가 매우 작고 최소 한의 외장 소자를 사용하므로 소형 조명 모듈에 적합하다. RD-148의 경우에, 총 솔루션 크기 14×21.5mm(301mm2) 가 대부분 보장되며 이보다 작은 솔루션 도 실현시킬 수 있다.

중형 어레이 설계

 

중급 어레이 중 시스템당 개수가 많은 중형 어레이도 최근에 발전하고 있다. 단일 패키지의 대형 다전지 어레이는 높 은 출력 조명 기구를 개선된 효율과 열 관리 성능으로 쉽게 설계하게끔 돕는다. Vf 10.5V, 기본적 전류 사용량 640mA 의 온백색 어레이를 떠올려보자.
적절한 열 관리 설계로 이 전류 레벨 이하로 어레이를 유지하면 열적으로 불 리한 조건에서도 긴 제품 수명을 달성할 수 있다. 이는 많은 드라이버 IC에서 까 다로운 과제가 될 수 있다. 이러한 요구 사항을 충족하는 제품은 상당히 많지만 여러 설계를 반복해서 실행하다보면 많 은 통합 FET 드라이버가 설계 시 열 문 제에 직면함을 알 수 있다.
이 경우에 많은 통합 FET 제품들이 30℃ 실온에서 작동하면서 90℃ 이상의 정션 온도를 나타내는 것을 볼 수 있다. 그 결과 부품이 권장하는 작동 온도를 벗어나 작동하기까지 불과 35℃ 헤드룸 이 제공된다.
이는 150∼160℃에서 열 셧다운으로 포함되지만 권장하는 작동 온도는 125℃이다. 또한 LED로부터 격 리시켜야 하기 때문에 기계적 열 설계가 훨씬 까다로워 진다. 솔직히 말해서 60℃ 델타 열 사이클 은 캐패시터에서 LED에 이르는 설계의 대부분에서 보드 자체에 연결부를 납땜 하는 데 충분하지 못하다.
수명이 길고 안정적인 LED 설계에서 열은 적으로 작용한다. 이런 경우 그림 3의 LM3409 와 같은 컨트롤러가 탁월한 선택이 될 수 있다. LM3409를 사용하면 저렴한

외장 PFET와 같은 다양한 외장 소자들 로 열을 분산시킬 수 있다. LM3409을 사용하여 53℃의 PFET를 가장 고온인 품목으로 만들면 시스템 온도를 크게 낮 출 수 있다. LM3409 자체의 정션 온도 는 43℃이다.
이를 통해 충분한 열 헤드 룸이 생성되고, 열 설계 목표를 달성하 기 쉬워진다. 또한 LM3409는 특별히 정전류 LED 구동 애플리케이션용으로 개발된 고집적 컨트롤러로 최소한의 외 장 소자만 필요로 하기 때문에 솔루션 크기와 비용을 줄일 수 있다. LM3409의 또 다른 장점은 PWM을 사용할 수 있는 EN 핀에서 간편한 조광 제어 또는 아날로그 조광을 실현할 수 있다는 것이다. 이 경우 내려간 입력 전 압을 통해 바로 LED 전류의 감소를 가 능케하는 아날로그 조광을 구현하기 위 해 주 입력 레일에서 이탈된 단순한 전 압 분할기를 예로 나타낸다.
LM3409는 이 부문에서 상당한 유연성을 제공한다. 절대 색 정확도가 요구되거나 기타 특이 한 조광 기능을 원할 경우 PWM 신호를 사용하거나 아날로그 IADJ 핀을 사용 할 수 있다. LM3409에는 효율적인 하이사이드 전류 감지 저항 RSNS을 사용해 설정된 것과 ISENS에 직접 설정되는 2개의 전 류 모니터링 루프를 적용한 것이 있다.
설계자는 ISENS를 통해 세 가지 방법 으로 아날로그 조광을 사용할 수 있는 데, LM3409가 RSNS에 의해 설정된 한 도에 있는 ISENS 개로 상태 유지, 이 핀 에 0V∼1.24V 정도의 외부 전압 공급, 그리고 이 핀에서 접지로 전위차계를 연 결하여 설정된 RSNS 설정 최대값까지 전류의 능동적 변화에 대응하는 방법을 선택할 수 있다.
이 경우에 AC-DC 변 환 이후 전압 분할기를 통해 간단히 주 입력 레일에 연결된다. 12VAC 시스템 은 16.97V, 24AC 시스템은 33.94V의 최대 입력 전압으로 1.24V를 산출하는 전압 분할기 값을 선택한다. 입력 전압 이 내려감에 따라 광 출력은 낮아진다. 이러한 종류의 조광 기능이 없는 드라이 버와 구별되는 차별성에 주목해야 한다. 이들은 여전히 DC-DC 레귤레이터이 기 때문에 기본적으로 입력에서 설정된 전압이나 전류를 통해 조절하는 출력이 므로 변동에 저항하려는 경향이 있다.
조광 신호가 전달되지 않으면 입력 전압 이 출력 전압(LED 구동 전압)에 가까워 질 때까지 회로가 전류 조절을 지속하므 로 회로의 드롭아웃 영역 내로 입력이 들어올 때(보통 입력 전압이 벅 레귤레 이터에서 원하는 전류를 구동하기 위해 필요한 출력보다 높을 때)까지 출력 레 벨에 변화가 나타나지 않는다.
그리고 이 시점에서 전압이 강하되기 시작할 때 매우 빠른 속도로 출력이 떨어진다. LM3409는 PFET 컨트롤러이며 매우 낮은 드롭아웃에 대해 100％ 듀티 사이 클로 작동할 수 있기 때문에 범위가 조 금 확장된다.
아날로그 조광 기능을 사 용하면 LED 전류 및 전류를 생성하기 위해 수반되는 전압이 거의 선형으로 감 소하므로 꺼지기 전에 과소 전압 고정 설정 또는 LED를 구동하기 위한 최소 출력 전압에 이르기까지 완벽한 조광식 설계가 가능하다.
변동이 발생하는 전압을 조광 기능에 연결하여 입력선 거부를 효과적으로 조 율했기 때문에 영향을 미치는 광 출력으 로부터 입력 리플을 최소화하기 위해 AC-DC 프론트엔드에 추가적인 정전용 량이 요구될 수도 있다.
이것은 심각하 게 고려할 만한 중요한 측면이다. 이를 위해 조광 기능을 직접 입력 전압에 연 결하여 이 측면의 LED 구동 안정성을 해결했다. 입력선의 모든 과도 수치는 적절히 여과되지 않을 경우 출력에서 나 타난다.
따라서 IADJ를 개로 상태로 남 겨두는 조광이 요구되지 않는 한 이런 방식의 연결은 권장되지 않는다. 저압 TRIAC 디밍도 과제가 되고 있 다. Variac 또는 기타 AC 저압 파형의 피크 간 감쇠를 사용하는 저압 디밍 시 스템은 이와 같은 회로에서 원활하게 작 동한다. TRIAC 디밍 시스템에는‘분 절’파형의 위상각을 올바로 디코딩하 기 위한 추가 회로가 필요하다.

 

결론

 

효율적인 LED 조명과 결합된 저압 AC 시스템을 사용하여 설계자는 초소 형에서 초대형에 이르는 다양한 조명 솔 루션을 제작할 수 있다. 내셔널은 이러 한 설계 구현에 유용하며 24VAC 및 12VAC 시스템에 모두 적합한 광범위한 디바이스 포트폴리오를 보유하고 있다.
이를 사용하여 기능 세트와 입력/출 력 조건, 원하는 솔루션 크기만 결정하 면 된다. 이때 올바른 결정을 통해 보다 쉽고 강력하며 비용 효율이 높은 설계 구현을 위해 드라이버의 일부 고급 기능 을 파악하는 것이 중요하다.
가용 솔루 션에 대한 실용적 지식은 초대형에서 초 소형에 이르는 범위의 설계 선택, 신속 하며 비용 효율적인 솔루션 구현에 도움 이 될 수 있다. 설계자의 선택 폭은 매우 다양하다. 설계를 간소화하고 믿을 수 있는 회로 분석을 제공함으로써 시간과 비용을 절감하고 제품 안정성을 높일 수 있다.