트라이액 디머블 LED 조명 솔루션
HVLED815PF 기반의 고효율, 비용 절감 솔루션
트라이액 기반의 디밍은 백열등, 할로겐 등을 이용하는 가정용, 상업용, 산업용 등 다양한 분야에서 저렴하며 효율적으로 사용되는 솔루션이다. 하지만 일반적인 LED 드라이버는 트라이액 디머에 바로 연결될 수 없다. 여기서는 그 해결책으로 ST마이크로일렉트로닉스의 HVLED815PF 기반 LED 드라이버에 대해 살펴본다.
디밍(dimming)이란, 간단히 말해서 광원의 밝기를 조절하는 방법이다. 디밍은 여러 애플리케이션에서 필수적인 요소이며, 특히 LED에서는 더욱 더 중요하다고 할 수 있다.
트라이액(Triac) 기반의 디밍 기법은 저항성 부하를 가정하여 전달된 AC 파형의 일부를 차단하거나 잘라내는 방식으로 부하에 전달되는 에너지의 양을 줄인다. 전달되는 전력은 전체 AC 파형 중 차단되지 않은 구간에 상응하여 비례한다. 트라이액은 디밍 기능을 위한 간단하고 저렴한 솔루션이 된다.
그러나, LED 드라이버들은 저항성 부하가 아니라, 입력이 변해도 일정한 출력을 유지하는 폐루프 모드로 동작하는 SMPS이다. 트라이액 디밍을 올바로 구동하기 위해서는 LED 드라이버가 다음과 같은 요건들을 충족시켜야 한다.
· LED 전류는 입력 전압에 비례하고, 디머(dimmer)의 도통각(Con-duction Angle)에 의해 제어되어야 한다.
· 적절한 디머 작동을 위한 고역률을 가지기 위해 라인 전압과 라인 전류는 거의 같은 상(Phase) 위에 있어야 한다.
· 트라이액의 지지 전류(Hol- ding Current)를 보장하고, LED의 깜빡임을 피하기 위한 입력 필터가 설계되어야 한다.
· 이제부터 이러한 요건을 포함하고 있는 HVLED815PF 칩 기반의 솔루션에 대해 소개한다.
ST마이크로일렉트로닉스의 시스템 솔루션
ST마이크로일렉트로닉스(이하, ST)는 9W 애플리케이션을 위한 트라이액 디밍, 고역률 및 낮은 THD 값 등의 요소를 갖춘 LED 드라이버 솔루션을 개발했다(그림 1 참조). 이 솔루션으로 40W∼60W 백열등이나 소형 형광등 등을 LED로 대체할 경우 구동 회로를 저렴하게 사용할 수 있다.
ST의 새로운 LED 드라이버 칩인 HVLED815PF에 기반을 둔 이 솔루션은 AC-DC LED 구동 애플리케이션을 최대 15W까지 지원할 수 있다.
HVLED815PF는 고전압 1차 측 스위칭 소자이며, 최소한의 외장 부품으로 정류 메인에서 직접 구동 가능하다. 또한 높은 고역률( 〉 0.90)을 구현하여 효율성이 높고, 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 콤팩트한 LED 구동이 가능하다.
이 솔루션은 고성능, 저전압의 PWM 컨트롤러 칩과 강력한 애벌런치(Avalanche-rugged)의 800V 파워 MOSFET을 하나의 패키지로 통합했다. 이 PWM은 PSR(Primary Sen-sing Regulation : 1차 측 센싱 제어) 기술을 활용하여 정전류(CC) 제어하는 ZVS(Zero Voltage Switching : 제로 전압 스위칭) 플라이백 LED 드라이버를 위해 특별히 고안된 전류 모드 컨트롤러 IC이다. 이를 통해, 2차 측에서 전류 센싱뿐 아니라 2차 측 전압 레퍼런스를 위한 옵토커플러를 제거하면서도 우수한 LED 전류 정확도(±5%)를 유지한다.
이 디바이스는 정전압(CV) 제어도 가능하므로, 고장에 의해 LED 스트링이 개방되더라도 애플리케이션이 안전하게 작동하도록 한다. 또한, 합선된 2차 측 정류기(즉, 고장으로 인해 합선된 LED)나 변압기 포화도 감지할 수 있다.
고역율 값(PF 〉 0.9)을 얻기 위해서는 고역률 플라이백 토폴로지(HPF-Flyback : High Power Factor Fly-back Topology)가 사용되어야 한다.
HVLED815PF를 기반으로 한 도식은 그림 2와 같다.
STEVAL-ILL044V1의 주요 전기 시스템 스펙은 표 1과 같이 요약할 수 있으며, STEVAL-ILL044V1은 다음과 같은 회로들을 포함한 고역률 플라이백 컨버터이다.
· 입력 필터의 댐핑(Damping) 회로
· 평균 LED 전류 제어를 위한 사인파 기준 회로
댐핑 회로를 추가한 입력 필터
트라이액 디밍은 LED 드라이버의 LC 입력에 거의 즉각적으로 적용되는 비사인파(Non-sinu-soidal) AC 메인 전압을 만들어낸다(그림 3).
이와 같이 빠른 스텝 전압은 그림 4에 나타난 바와 같이, 필터 입력 커패시턴스에 따라 EMI 초크의 링잉을 유발한다.
이러한 링잉은 때때로 디머를 통과한 전류를 트라이액 홀딩 전류 이하로 떨어뜨린다. 트라이액은 도통을 멈출 것이고, 다음 반주기(Half Cycle)가 되면 다시 재가동될 것이다.
이와 같은 식으로 주기가 몇 번 반복되어 깜빡임을 유발할 수 있으며, 심지어 스트레스로 인한 파괴로까지 이어질 수 있다.
트라이액 홀딩 전류를 유지하기 위해서는 이 링잉을 제어해야 한다. 최선의 방법은 네트워크 임피던스가 최고인 필터 출력에 R-C 네트워크를 추가하는 것이다. 이상적인 입력 전류 파형은 그림 5와 같다.
만약 전류의 전도 시간이 트라이액의 턴 오프 시간(약 20㎲)보다 짧다면 이런 고주파수의 링잉은 허용될 수 있다. 전류 싱크 로드에서의 전형적인 댐핑 네트워크는 커패시터(C3)와 저항(R1)이 직렬로 구성되어 있다. 때때로 인덕터의 배선 저항 및 퓨즈 저항에 의해 추가적인 댐핑 효과가 제공된다.
STEVAL-ILL044V1에서 구현된 최종 필터는 그림 6과 같다. 이 필터를 이용한 디밍 조건에서의 일시적인 입력 파형은 그림 7과 같다(노란색=트라이액으로 디밍된 간선 전압, 자주색=라인 전류).
사인파 기준 회로
HVLED815PF은 우수한 역률값을 가지며 플라이백 컨버터에서 LED 출력 전류를 제어하는 데 탁월하다.
평균 출력 전류 제어용 IC에서 사용된 원리를 살펴보면 입력 전압(Vin)이나 출력 전압(Vout), 변압기 인덕턴스 값에 더 이상 의존하지 않는다는 것을 알 수 있다.
평균 출력 전류를 결정하는 외부 변수는 변환 비율(The Transformer Ratio : N)과 센싱 저항(Rsense)이며, 내부 변수로는 고정 레퍼런스 전압(VCLED=R*Iref=0.2V)이 있다.
HVLED815PF 전류 제어 블록도(그림 8)에서 ILED 핀의 전압은 CS 핀의 전압과 내부적으로 비교된다(메인 MOSFET의 최고 전류). 커패시터 CLED는 ILED 핀의 전압을 일정하게 유지해야 한다.
STEVAL-ILL044V1에서 트라이액 기반의 디밍 기능을 추가하고, 입력 전류의 고조파 함유량을 개선하기 위한 새로운 방법을 사용했다.
ILED 핀의 전압이 LED 전류의 평균값을 결정하고 메인 MOSFET의 1차 피크 전류를 제어하므로, AC 전압 신호가 이 핀에 들어갈 경우 다음과 같이 된다.
· 주입된 AC 평균 전압값은 LED 출력 전류의 평균값을 직접 제어할 수 있다.
· 1차 피크 전류의 순시값(Instant-aneous Value)은 AC 파형을 따른다.
그림 9는 라인 전압의 일부 값이 ILED 커패시터 아래 부분에 들어가는 것을 나타낸 것이다. 낮은 저항의 소형 커패시터는 회로의 스위칭 노이즈를 제어하기 위해 사용된다.
STEVAL-ILL044V1에서 HVLED 815PF는 ILED 핀의 전압을 최저 0.2V∼최고 1.5V 사이로 유지한다. 이 방법은 입력 전류의 고조파 함유량을 대폭 개선한다. 즉, 20% 이하의 THD 값이 측정된다(업계 표준 최대값에 맞춤). 역률은 설계된 간선 전압(Line Voltage) 범위에서도 우수하다(0.98 이상).
110V 입력의 실제 파형은 그림 10과 같다(노란색=간선 전압, 자주색=선 전류50mA/div, 파랑=ILED 핀에서의 전압, 녹색=LED 전류 50mA/div).
평가 보드의 효율을 높이기 위해 전압 및 1차 전류 피크를 제한할 다이오드 한 개를 ILED 핀에 추가했다. 두 다이오드의 결과를 그림 11에 나타낸다.
출력 전류 레귤레이션의 경우에는 넓은 범위의 부하 조건에서도 매우 우수하며, AC 투입에 있어서도 모든 입력 전압 범위에서 90V까지 기대해 볼 수 있다(그림 12). 
이와 같은 전압값을 위해 다이오드 제한기(Diode Limiter)가 13개 이상의 LED에서 작동한다.
ILED 핀에 완벽한 정현파 대신 부분적인 정현파 곡선(트라이액의 평균값에 의해)을 공급할 수 있으며 이를 통해 전압의 평균값을 조정할 수 있고, 또한 LED의 전류값도 조정할 수 있다. 즉, 트라이액 기반의 디밍 기능이 구현된 것이다.
앞에서 언급한 다이오드는 낮은 도통각에서 디밍 기능을 개선하는 데 도움이 된다.
그림 13은 BAT48 다이오드 삽입에서 40Vrms 디밍 입력 시의 주요 파형을 나타낸 것이다(노란색=간선 전압, 자주색=선 전류, 파랑=AC 주입 전압, 녹색=ILED 핀에서 전압).
디밍 성능(출력 전류 vs 디밍된 RMS 라인)은 그림 14와 같다. 이 보드의 효율은 전체 입력 전압 범위에서 LED 18개의 풀 부하 시 약 86%이다. 효율, 디밍, 역률, THD 값의 측면에서 본다면 이 정도의 크기와 심플함을 갖춘 LED 드라이버로서는 성능이 매우 뛰어나다고 할 수 있다.
ST의 트라이액 디머블(Dimmable) LED 드라이버 솔루션에 대해 더 많은 정보가 필요하다면, 애플리케이션 노트 AN4129에서 확인할 수 있다.
Luigi Galioto, Ranajay Mallik, Manoj Kumar STMicroelectronics
