초저전력 MSP430F51x2 마이크로컨트롤러를 이용한
지능형 LED 조명 제어

손전등과 같은 휴대형 조명시스템은 엄격한 친환경 폐기 규제를 받는 일회용 배터리로 구동된다. LED를 사용하는 애플리케이션에서는 환경문제를 완화할 수 있도록 배터리 수명을 극대화하는 효율적인 디지털 전원 스테이지가 필요하다. 또한 디밍을 지원하는 정전식 터치 기술의 구현으로 사용자 체험을 강화하여 상품에 차별성과 가치를 더해야 한다.

Hubert Pecze 텍사스 인스트루먼트

연간 조명으로 소비되는 에너지는 시간당 약 2,200테라와트(TWh)인데, 이는 거의 전 세계 총 에너지 소비량의 5분의 1에 해당한다[국제에너지기구(IEA), 파이크 리서치(Pike Research) 보고서 인용]. 이 수치는 향후 전 세계적으로 에너지 효율적인 기술과 정책이 채택되지 않는 한 80%까지 상승할 것이다. 오늘날의 기술, 구체적으로 말해 LED와 디지털 조명 제어는 이러한 과정을 수월하게 하며, 동시에 조명시스템에 대한 고객의 만족도를 높일 수 있다. 특히 전력효율적인 휴대형 제품으로의 방향성이 중요하다고 할 수 있다. 여기서는 텍사스 인스트루먼트(TI)의 초저전력 마이크로컨트롤러를 이용하여 복수 LED 스트링(화이트 또는 RGB)을 필요로 하며 디밍에 정전식 터치를 활용하는 효율적인 휴대형 디지털 전원 스테이지 토폴로지 설계의 예에 대해 설명한다.

지능형 LED 조명 제어
LED를 사용하면 전력 소비와 운영 비용이 크게 줄고, 배터리로 구동되는 휴대형 제품의 환경 문제도 감소하게 된다. 그러나 설계 엔지니어의 관점에서 LED는 그리 단순한 디바이스가 아니다. LED는 제조기술, 온도, 패키징에 따라 달라지는 넓은 작동 범위를 갖고 있기 때문에 제대로 설계하지 않으면 소진되기 쉽고 제품 수명이 급격히 감소할 수 있다.
설계는 용도별로 특화될 수 있다. 즉 LED를 전원 정격, 크기, 구성, 화이트 및 RGB 컬러의 명암 등에서 매우 넓은 범위에 걸쳐 이용할 수 있다는 의미이다. 또한, LED를 제어하면서 정전식 터치 등 기타 기능도 지원할 수 있도록 효율적이고 탄력적인 전원 스테이지 토폴로지를 설계해야 하는 것도 오늘날 개발자들의 과제이다.
TI의 초저전력 MSP430TM 마이크로컨트롤러와 같은 프로그램 아키텍처를 활용한다면, 개발자는 차세대 LED 기반의 휴대형 제품에 필요한 높은 탄력성과 기술 헤드룸으로 설계 문제를 해결할 수 있을 것이다.

디지털 제어
디지털 제어 전원 공급장치의 경우, 마이크로컨트롤러가 PWM 신호를 발생시켜 전원 스테이지를 구동하고, 그 출력을 ADC(Analog-to-digital Converters)로 샘플링함으로써 전원 스테이지를 직접 제어한다. 마이크로컨트롤러에서 실행되는 소프트웨어로 PWM 신호가 생성되기 때문에, 설계자는 상당히 탄력적으로 다양한 기능을 제어할 수 있다.
휴대형 LED 시스템에 디지털 전원 컨트롤을 구현하려면 새로운 토폴로지가 필요하며, 이 경우 설계자는 반드시 최대 배터리 사용량과 전체 설계의 복잡성을 고려해야 한다. 그림 1은 벅 부스트 컨버터(이 예에서는 SEPIC 컨버터)가 복수의 LED 스트링과 직렬로 연결되어 있고, MOSFET이 각각의 스트링과 직렬로 연결되어 있는 모습이다. 각 스트링의 MOSFET의 온타임이 LED 열을 통해 평균 전류를 제어한다. LED 휘도는 대략 LED 전류에 비례하므로, 각 스트링의 MOSFET의 듀티사이클이 그 스트링의 휘도를 제어한다.
이 설계에서는 효율을 위해 SEPIC 컨버터를 사용했지만, 여기에는 몇 가지 문제점이 있다. 먼저, 설계 시 값비싼 매칭 LED가 있어야 각 스트링의 컬러 품질 차이가 드러나지 않는다. 둘째, 이것은 LED 스트링을 동일한 길이로 제한한다. 셋째, 스트링 수가 증가하면 PWM 생성에 더 많은 타이머가 필요한데, 디밍을 위한 정전식 터치가 필수조건일 경우 이것은 설계를 제한적으로 만든다. 넷째, 이 토폴로지는 유연하지 못하고 배터리 수명을 낭비시킨다. 다음에 설명하는 것처럼, 휴대형 LED 기반 시스템의 전원 스테이지 토폴로지 설계 시 배터리를 더욱 효율적으로 사용하는 방법이 있는 것은 분명하다. 또한 이것은 하나의 초저전력 마이크로컨트롤러로 디밍을 위한 정전식 터치를 지원할 수도 있다.



휴대용 애플리케이션에서 LED 스트링 구동
MSP430F51x2 마이크로컨트롤러의 저전력 소비는 PWM 신호를 발생시킬 수 있는 초고해상도 Timer _D 모듈과 함께 다양한 DC/DC 전원 토폴로지를 구동하므로 배터리 구동 LED 애플리케이션 용도로 최적이다. 보통 10s의 MHz 범위 내에서 타이머가 작동하는 8bit나 16bit, 심지어 32bit 마이크로컨트롤러와 비교하더라도, MSP430F51x2 Timer_D 모듈은 최대 작동 주파수가 256MHz이기 때문에 더욱 높은 유연성과 성능을 발휘한다. 또한 딱 맞는 DC/DC 전원 토폴로지를 선택하는 일이 가장 중요한데, MSP430F51x2 마이크로컨트롤러는 이 요구사항을 처리하는 데 적합한 기능을 갖고 있다.
스테이지를 두 개로 나누는 것은 LED 스트링에 적합하며 효율적인 DC/DC 전원 공급장치를 설계하는 한 가지 방법이라고 할 수 있다. 스테이지 1은 벅/부스트 컨버터, 즉 SEPIC 컨버터로 구성하여 두 번째 스테이지를 위한 최적의 작동 전압을 설정 및 유지시킨다. 두 번째 스테이지에서는 부스트 DC/DC 컨버터가 LED 스트링을 구동한다(백색 또는 RBG). 이 방식의 최대 장점은, 배터리의 전력 효율이 극대화된다는 것이다. 또한 디지털 제어는 시스템 설계 요건이 변할 경우 상당한 설계 탄력성을 제공한다. 예를 들어, 값비싼 회로 재설계 없이도 그림 1의 SEPIC 스테이지를 예산 제약에 맞춰 삭제할 수도 있는 것이다.
화이트 LED 스트링의 경우, 전원 공급장치가 단 하나의 LED 스트링을 구동하게 될 수도 있다. 물론 복수의 화이트 스트링은 복수의 조명기구를 갖춘 제품에서 개별 구동된다. 스트링 한 개의 경우, 마이크로컨트롤러 리소스를 이용하여 정전식 터치 버튼과 슬라이더로 디밍 제어를 실행할 수 있다. 또한 하나의 Timer_D 모듈을 이용하여 화이트 LED 열을 구동하고, 다른 Timer_D 모듈은 정전식 터치에 할당할 수도 있다. Timer_A는 SEPIC 벅/부스트 컨버터를 구동하는 데 사용할 수 있다. 그림 2는 이러한 구성을 나타낸 것이다.



RGB LED
RGB LED 설계 시 컬러 믹싱을 정확하게 구현하는 것은 매우 복잡하다. 삼색, 즉 적색, 녹색, 청색 각각에는 저마다 PWM 신호가 필요하다. MSP430F51x2 마이크로컨트롤러의 Timer_D 모듈 두 개는 이와 같은 용도에 적합하다. 일반적으로 50∼300KHz의 단계가 있어야만 각 RBG 스트링에 대해 전압 부스트를 제어할 수 있다.
Timer_D는 탁월한 PWM 해상도를 제공한다는 장점을 갖고 있는데, 입력 8MHz 클록만으로 최대 64MHz 클록을 생성할 수 있기 때문이다. 이 높은 스위칭 주파수는 100KHz의 PWM 단계를 640 스텝으로 쉽게 수용할 수 있는데, 이것은 대부분의 8bit나 16bit 마이크로컨트롤러에 꽤 탄력적이다. 이렇게 높은 스위칭 주파수를 지원할 수 있는 성능 덕분에 총 시스템 비용이 낮아진다. 그 이유는 설계에 더 저렴한 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있기 때문이다(그림 3 참고). 이 구성에서 Timer_D 모듈은 RGB LED와 SEPIC 스테이지를 구동할 수 있고, Timer_A 리소스는 정전식 터치 슬라이더나 버튼을 구현하는 데 사용될 수 있다.



정전식 터치
정전식 터치 기술을 이용한 디밍이 필요할 경우, 고급 마이크로컨트롤러 기능의 필요성이 커진다. 본질적으로 터치 감도 센서는 전기장이 물질에서 새어나가도록 허용하는 개방 정전식 구조를 만들어야 생길 수 있다. 이 전기장이 전도성 이물질에 의해 붕괴되는 것을 측정하여 그 센서에 대해 주지하고 있던 기본 전기용량과 비교할 수 있다.
전도성 물질이 전기장 안으로 들어오면, 전기용량이 증가하게 된다. 전기용량 증가의 효과는, 아무 물질도 없을 때의 기본 전기용량과 비교하여 터치 이벤트를 감지해낼 수 있다는 것이다. 센서의 감도는 센서 설계와 물질, PCB의 두께에 좌우된다.
MSP430F51x2 마이크로컨트롤러는 통합 콤퍼레이터를 이용하여 다른 MSP430 디바이스와 비슷한 방식으로 정전식 터치를 수용할 수 있다. 또한, Timer_D는 수 나노초 안에 펄스폭을 캡처해내는 고해상 타이머도 갖고 있어 다른 솔루션보다 훨씬 더 높은 감도와 빠른 스캔 시간을 달성한다.

정전식 터치 디밍
LED는 전류 제어 디바이스이므로 션트 레지스터(그림 2 참고)를 통과하여 흐르는 전류를 감시하고, 부스트 DC/DC 컨버터를 이에 맞춰 구동함으로써 디밍을 구현할 수 있다. 정확한 디밍 구현에 필요한 데이터 세트는 LED의 포워드 전류에서 찾을 수 있다. 이에 비해 광속 곡선(Luminous Flux Curve)은 전류가 상승할 때 광 출력이 비선형으로 상승하는 것을 보여준다.
단순히 LED의 포워드 전류를 변화시키는 것은 최상의 방법이 될 수 없다. 대부분의 LED는 포워드 전류가 변할 때 컬러를 변화시키기 때문이다. 이보다 나은 방법은, 거의 동시에 켜졌다 꺼질 수 있는 LED의 성능을 활용하는 것이다. 이 특성을 이용하여, 설계자는 인간의 눈이 감지할 수 있는 것보다 더 빠르게 LED 전류를 진동하게 하여 광의 세기를 줄일 수 있다. 즉, LED가 켜지는 시간을 정확하게 변경하여(그러나 포워드 전류는 일정하게 유지) 디바이스의 유효 휘도를 변경하는 것이다.
LED의 평균 전류와 해당 광 출력은 변하지만 LED의 포워드 전류는 그대로 일정하게 유지된다.
디지털 제어는 펄스 전류 디밍 제어를 수월하게 만든다. 이것은 전원 스테이지를 제어하는 PWM 신호를 통해 LED 전류가 소프트웨어로 제어되기 때문이다. 필요한 디밍 지점에 도달했을 때 PWM을 즉시 끄는 카운터를 소프트웨어에 구현함으로써 펄스 전류를 생성할 수 있다. 이 카운터는 원하는 디밍 설정에 필요한 평균 광속에 도달하기 위해 계속 카운팅하며 PWM을 다시 켠다.
개발자는 MSP430F51x2 디바이스에서 슬라이더나 휠을 휴먼 인터페이스 디바이스로 이용하는 정전식 터치를 구현하여 디밍을 실현할 수 있으며, MSP 포트폴리오를 위한 정전식 터치 센스 라이브러리를 다운로드할 수 있다(www.ti. com/litv/zip/slac489).
이 라이브러리는 MSP430F51x2의 고해상 타이머를 활용하여 개발 시간을 단축시킨다.



TI의 MSP 마이크로컨트롤러를 이용한
지능적인 조명 애플리케이션 구동
고해상도의 Timer_D 주변장치는 디지털 전원 스테이지 토폴로지를 구동하고 휴대형 LED 지능형 조명에 정전식 터치를 지원하는 데 반해, TI의 전체 MSP 제품 포트폴리오는 그밖의 지능형 조명 애플리케이션에 다양한 저전력 솔루션을 제공한다.
예를 들어, 산업용 빌딩과 상업용 빌딩은 재실 감지 및 주변 감지 센서를 채택함으로써, 실내/사무공간을 조광하거나 완전히 조명을 끄는 등의 지능적인 광원 제어를 실행하고 있다. 또 다른 예로, DALI(Digital Addressable Lighting Interface - www.ti.com/litv/pdf/slaa422a)와 같은 조명 통신 스택은 지능형 광원을 빌딩 에너지 관리 시스템에 연결하고 있다. 또한 센서용과 조명시스템 작동용으로 초저전력 마이크로컨트롤러를 필요로 하는 무선 시스템도 주목받고 있다. 요약하자면, TI의 MSP 마이크로컨트롤러 포트폴리오와 함께 이 지능형 조명 애플리케이션을 채택, 배치할 경우 조명으로 인한 전 세계 에너지소비량을 추가로 줄이는 데 크게 도움이 된다.
배터리 구동 LED 지능형 조명 애플리케이션에서 MSP 430F51x2 마이크로컨트롤러의 장점은 다음과 같다.
① 두 개의 고해상도 Timer_D 모듈
    ·휴대형 DC/DC 전원 토폴로지를 위해 고해상도의 PWM을 생성하는 데 유용하다
    ·정전식 터치 감도를 떨어뜨리지 않고 빠른 스캔 속도를 지원한다
② 디밍을 위한 정전식 터치
③ 각 RGB 스트링마다 별도의 DC/DC 전원 스테이지를 통한 정확한 컬러 매칭
④ 노후화 프로파일(Aging Profile), 외부 주변 광 센서에 기반한 어댑티브 광속(휘도) 제어
⑤ UART, SPI, IrDA, I2C와 같은 다양한 통신 프로토콜 지원
⑥ 8bit 마이크로컨트롤러에 비해 뛰어난 코드 밀도, 성능, 주변장치 통합을 제공하는 25MHz, 16bit RISC 아키텍처
⑦ 초박형 휴대형 제품을 위한 5×5mm 40pin QFN 패키지와 베어 다이(Bare Die)
⑧ 초저전력 소비와 유연한 작동 모드
    ·180㎂/MHz에서 액티브 모드
    ·1.1㎂에서 대기모드(LPM3 와치독 타이머 모드)
    ·0.9㎂에서 오프 모드
    ·0.25㎂에서 셧다운 모드