[헬로티]

LT3965와 같은 LT3965 매트릭스 LED 디머는 부스트-벅 LED 드라이버와 함께 사용하여 컬러 정확도가 높은 RGBW LED 컬러 믹서 시스템을 구성할 수 있다. LED 디머는 선명하고 풍부한 색상의 LED 조명을 구현하는데 있어 중요한 역할을 한다. LED 디머를 활용해 RGBW LED를 구동하여 컬러와 밝기를 제어하는 다양한 방법에 대해 알아보기로 한다.

RGB LED는 효율적이고 밝은 출력을 요구하는 프로젝터, 건축, 디스플레이, 무대 연출 및 자동차 조명 시스템에 사용된다. RGB LED로부터 예측 가능한 컬러를 생성하려면 각 컴포넌트 LED(적, 녹, 청)는 개별적이고 높은 정확도의 디밍 제어를 필요로 한다. 

하이엔드 시스템은 광학적 피드백 루프를 이용해 마이크로컨트롤러가 높은 컬러 정확도를 구현하도록 LED를 조정할 수 있다. 백색 LED를 RGB LED에 추가하면 RGBW LED를 생성해 컬러 시스템에서 이용할 수 있는 색상, 채도, 밝기 값을 확장할 수 있다. 각각의 LED는 4개 컴포넌트 LED에 대한 정확한 디밍을 필요로 하며, 2개의 RGBW LED는 8개 ‘채널’을 필요로 한다.

RGBW LED를 구동하여 컬러와 밝기를 제어하는 다양한 방법이 있다. RGBW LED를 구동하고 디밍하는 한 가지 방법은 그림 1a에서 보듯이 각 컬러(R, G, B, W)에 하나씩, 4개의 개별 LED 드라이버를 사용하는 것이다. 이러한 시스템에서 각각의 개별적인 LED나 스트링의 LED 전류 또는 PWM 디밍은 개별적인 드라이버와 제어 신호에 의해 구동된다. 따라서 이러한 솔루션에서는 RGBW LED의 수와 함께 LED 드라이버 수가 빠르게 증가한다. 많은 수의 RGBW LED를 갖는 모든 조명 시스템은 상당한 수의 드라이버와, 이러한 드라이버에 대한 제어 신호의 동기화를 필요로 한다.

▲ 그림 1(a). 고전력 컬러 믹싱 애플리케이션에서 8개의 개별 LED 드라이버와 PWM 신호를 사용하여 2개의 RGBW LED를 구동하거나, 그림 1(b) 단일 부스트-벅 LED 드라이버와 매트릭스 LED 디머를 시리얼 통신과 함께 사용하여 훨씬 작은 초소형 솔루션을 구현할 수 있다.

훨씬 간단하면서 보다 우아한 방법은 단일 드라이버/컨버터를 이용해 고정 전류에서 모든 LED를 구동하는 것이다. 이 방법은 개별 LED를 PWM 디밍하는 션트 전력 MOSFET 매트릭스를 사용하여 밝기를 조절한다. 그림 1b에 보이는 매트릭스 디머와 단일 LED 드라이버는 그림 1a 솔루션의 회로 크기를 줄여준다. 또한 단일 통신 버스로 매트릭스 LED 디머를 제어하기 때문에 RGBW 컬러 믹싱 LED 시스템이 훨씬 단순해지고 작아질 뿐만 아니라 높은 정확도의 컬러와 밝기 제어로 고전류 RGBW LED를 구동할 수 있다.

그림 5에서 볼 수 있듯이 LT3965 매트릭스 LED 디머는 이와 같은 설계를 구현한다. 각각의 LT3965 8-스위치 매트릭스 디머는 정확히 2개의 RGBW LED와 한 쌍으로 구성해 각 LED(적녹청 및 백색)의 개별적인 밝기를 영(0)에서 100% 밝기 사이에서 1/256의 PWM 스텝으로 제어할 수 있다. 2-wire I2C 시리얼 커맨드가 모든 8개 채널에 컬러와 밝기 제어를 모두 제공한다. 매트릭스 LED 디머 IC에 대한 I2C 시리얼 코드가 모든 8개 LED에 대한 밝기 상태를 결정하고, 결함 발생 시 개방 및 단락 LED를 검사할 수 있다.

각각의 RGBW LED는 단일 지점 소스로 설계되므로, 적녹청 및 백색이 결합해 채도, 색상, 밝기 제어와 함께 다양한 컬러를 생성한다. 각 LED는 고속 LT3965 매트릭스 디머를 사용하여 영(0/256)과 100%(256/256) 사이에서 1/256 스텝으로 설정할 수 있다.

높은 정확도의 0–256 RGBW 컬러 및 밝기 제어

RGBW LED는 개별 컴포넌트 적녹청 및 백색 LED의 PWM 디밍을 사용해 정확한 컬러와 밝기를 생성할 수 있다. 개별적인 PWM 밝기 제어는 256-1 또는 더 높은 디밍 비율을 지원할 수 있다. PWM 디밍에 대한 대안으로 간단히 각 LED에 대한 구동 전류를 감소시키는 방법이 있지만, 이 방법은 정확도를 떨어뜨려 단 10-1 디밍 비율만 구현할 수 있으며, LED 자체에서 색 변화를 발생시킨다. PWM 디밍을 이용한 매트릭스 디밍 방법은 컬러 및 밝기 정확도에서 구동 전류 방식보다 우수하다.

▲ 그림 2. RGBW 500mA LED 전류는 LT3965 매트릭스 디머에 의해 PWM 디밍 및 위상 처리돼 컬러와 패턴을 생성한다. LT3952 부스트-벅 컨버터/LED 드라이버는 개별 LED가 PWM 디밍되므로 LED 전압의 빠른 변화에 쉽게 응답할 수 있다.

LED 드라이버(500mA LED 전류의 소스)의 대역폭과 과도 응답은 컬러 정확도에 영향을 미친다. 10kHz 이상의 교차 주파수에서 작은 출력 커패시터를 사용하거나 사용하지 않을 때에도 매트릭스 디머가 스위치를 온/오프 하므로 그림 5의 초소형 부스트 벅 컨버터는 구동 LED 수의 변화에 빠르게 대응할 수 있다.

이것이 정확도에 얼마나 중요한지 예시하기 위해 적녹청 LED를 서로 다른 PWM 듀티 사이클에서 개별적으로 실행한 다음 RGB 광 센서를 사용하여 광 출력에 대해 측정해 보았다. 그림 3의 결과는 이 미만의 기울기에 약간의 변화가 있긴 하지만, 각 컬러가 4/256에서부터 256/256까지 일정한 기울기를 갖는다는 것을 보여준다. 물론 적녹청 LED는 컬러에서 완벽하다고는 할 수 없으며, 한 가지 LED만 구동할 때에도 다른 대역의 컬러 일부가 밖으로 새어 나오기도 한다. 그러나 전반적으로 이것은 매우 정확한 시스템이다.

▲ 그림 3. 그림 5에서와 같이 LT3952 부스트-벅 LED 드라이버와 함께 사용할 경우 매트릭스 LED 디머에 의해 제어되는 적녹청 및 백색 밝기 제어 대비 0–256(256으로부터) PWM 디밍 듀티 사이클

매우 높은 대역폭(40kHz 이상)의 벅 컨버터 LED 드라이버를 사용하면 정확도를 1/256 PWM 디밍까지 향상시킬 수 있지만, 이 방법은 레귤레이트 된 30V 이상의 출력 전압을 생성하기 위해 다른 스텝-업 컨버터를 추가하거나 30V 이상의 입력 전압 소스를 갖춰야 하는 비용이 수반된다. 극히 낮은 빛에서 높은 수준의 정확도를 필요로 하지 않는다면, 별도의 컨버터를 추가하면서 그림 5의 부스트-벅의 범용성, 단순성 및 초소형 크기를 포기할 이유가 없다.

여기에서 설명하는 매트릭스 디밍 RGBW LED 컬러 믹서 시스템은 그림 4에서 보듯 넓은 색재현율을 달성한다. 앰버와 같은 추가적인 색상은 색재현율을 확장할 수 있다. 앰버 LED 컴포넌트가 포함된 RGBWA LED는 앰버와 같은 색을 추가함으로써 RGBW LED가 제공할 수 없는 진노랑과 오렌지색을 생성할 수 있다. 이들 LED는 역시 매트릭스 디머로 구동할 수 있으며, 매트릭스 디머의 8개 채널은 2개 RGBW LED와 잘 매칭된다.

▲ 그림 4. RGB LED는 넓은 색재현율을 갖는다. 백색을 추가하는 것은 특정 컬러의 알고리즘 혼합을 단순화 하는 한 가지 방법이다. 일부 믹싱 방식에서 백색은 채도를 변경하는 데 사용되는 반면 적색, 녹색, 청색 은색상을 설정한다.

LT3965의 256 레벨 디밍 방식은 일반적인 RGB 페인트 프로그램과 일반 컬러 믹싱 알고리즘으로 쉽게 변환된다. 일례로, 표준 PC 페인트 프로그램을 열면 256값 RGB 시스템을 사용하여 컬러가 혼합되어 있는 것을 볼 수 있다(그림 6). 예를 들면 그림 2의 LED 전류 파형은 기본 PC-기반 페인트 프로그램에 의해 제어되는 RGBW 매트릭스 LED 시스템으로부터 보라색 빛을 생성한다. 이 글에서 설명하는 설계는 높은 정확도의 전류 구동과 PWM 제어를 생성하므로, 컴포넌트 LED의 듀티 사이클을 조정하여 RGBW LED를 예측 가능한 방식으로 컬러 보정할 수 있다. 이에 따라 LED 밝기의 내재된 변화를 쉽게 처리할 수 있다.

매트릭스 LED 컬러 믹서와 부스트-벅의 결합

매트릭스 디머는 표준 12V ±10%, 9V–16V(자동차 배터리) 또는 6V–8.4V(리튬 이온 배터리)과 같은 다양한 입력으로부터 8개 LED의 스트링을 구동하기 위해 적절한 LED 드라이버를 필요로 한다. 한 가지 솔루션은 입력-LED 전압을 스텝 업/다운하면서, 낮은 리플 입/출력 전류를 제공하는 LT3952 부스트-벅 LED 드라이버이다. 부동 출력 토폴로지로 작은 커패시터를 사용하거나 아예 커패시터를 사용하지 않아도 이 드라이버는 개별 LED를 온/오프 PWM 디밍하면서 컬러와 밝기를 제어하므로LED 전압의 변화에 빠르게 응답할 수 있다(그림 2).

그림 5에 보이는 LT3952 500mA 부스트-벅 LED 드라이버는 LT3965 8-스위치 매트릭스 LED 디머와 2개의 RGBW 500mA LED와 함께 구성되었다. 이 새로운 부스트-벅 토폴로지는 직렬 연결된 0-8개 LED의 전체 범위에서 0V~25V 전압으로 매끄럽게 동작한다. 이 직렬 LED 전압 전압은 특정 시점에 얼마나 많은 LED가 매트릭스 디머에 의해 켜지거나 꺼지냐에 따라 결정되며, 즉시 변한다. 이 컨버터/토폴로지의 60V OUT 전압(VIN과 VLED의 합) 및 컨버터 듀티 사이클은 500mA에서 6V~20V의 전체 입력 범위와 0V~25V의 출력 범위(LED 직렬 전압)로 정격 지정된다.

▲ 그림 5. LT3952 부스트-벅 LED 드라이버와 함께 LT3965 매트릭스 LED 디머는 2개의 500mA RGBW LED 상에서 개별 컬러를 제어해 시리얼 통신으로 제어되는 컬러 및 패턴을 생성할 수 있다.

매트릭스 디머는 병렬 전력 MOSFET으로 LED를 분로하여 LED 밝기를 제어한다. LED는 부동 출력 부스트-벅 LED 드라이버나 매트릭스 LED 디머 어느 쪽이든 접지에 연결할 필요가 없다. LT3965의 VIN 핀이 SKYHOOK에 연결되어 있어서 LED+ 전압보다 최소 7.1V 이상 높은 한, 모든 션트 MOSFET은 적절히 동작한다. SKYHOOK은 스위칭 컨버터로부터 차지 펌프로 생성하거나, 예상되는 최고 LED+ 전압(이 경우 20V VIN 최대 전압+25V LED 최대 전압)보다 최소 7.1V 큰 레귤레이트 된 소스에서 전력을 공급받을 수 있다. 3mm×2mm DFN의 초소형 LT8330 부스트 컨버터는 SKYHOOK을 생성하기에 좋은 선택이다.

선택 사항으로 외부 클록킹 디바이스를 사용하여 350kHz에서 시스템을 동기화할 수 있다. 이것은 자동차 환경에 적합하며 비교적 효율적이고 초소형 부품을 사용할 수 있게 한다. 이 시스템은 AM 대역보다 높은 2MHz에서도 잘 동작할 수 있지만, AM 대역보다 낮은 350kHz에서는 모든 LED가 매트릭스 디머에 의해 단락되고 LED 스트링 전압이 330mΩ • 500mA • 8=1.3V로 떨어질 때 이 부스트-벅 컨버터가 펄스-스키핑 없이 레귤레이트 할 수 있다. 이 주파수는 또한 가시적 LED 깜박임 없이 높은 디밍 비율을 지원한다.

LED 온 또는 오프 시동 시퀀스

매트릭스 LED 디머 시스템은 모든 LED를 온(on) 또는 오프(off)로 시작하도록 설정할 수 있다. 모든 LED를 오프로 시동하여 페이드 온(fade on)하거나, 아니면 예를 들어 10% 밝기의 녹색-청색과 같이 프로그래밍된 컬러와 밝기로 시작할 수 있다. 만약 디머에게 동작을 지시하는 시리얼 통신이 시작되기 전에 모든 LED를 전체 500mA 전류로 시작하면, 시리얼 통신이 시작되기 전에 전체 밝기의 ‘백색’ 조명을 볼 수 있다.

어느 시동 방법을 사용하든 LT3965는 I2C 시리얼 통신이 시작되기 전에 전원이 인가되어야 하며, 그렇지 않을 경우 POR(power-on reset)이 실행되면 초기 통신을 잃을 수 있다. EN/UVLO 핀이 1.2V 임계값을 넘어서면 POR이 발생한다. 이 전압은 LED+보다 최소 7.1V 높은 SKYHOOK에 기반하기 때문에 소형 부스트 레귤레이터의 55V와 같은 높은 SKYHOOK 전압이 인가되면 언제라도 이러한 현상이 발생할 수 있다. 

또는 LT3952 스위치 노드의 차지 펌프를 적용한 전압이 SKYHOOK을 생성할 정도로 충분히 높으면 이와 같은 상황이 발생할 수 있다. 차지 펌프로 생성된 SKYHOOK의 경우, 차지 펌프로 SKYHOOK를 생성하기 전에 LED 전류가 존재할 수 있으므로, LT3965 스위치가 LED를 턴오프 하기 전에 LED가 켜진다. 이것은 LED를 전체 밝기에서 온으로 시작하기 원하는 설계자를 위한 간편한 솔루션이다.

LED를 오프(off)로 시작하려면 LT3952가 켜지기 전에 SKYHOOK이 고전압으로 존재해야 한다. 그림 6에서 보듯이 만약 시동 시 PWM 핀이 로우로 구동되면, LT3952는 마스터 마이크로컨트롤러와 같은 외부 소스에 의해 명령을 받을 때까지 시동하지 않는다. SKYHOOK이 존재하고 전류가 인가되기 전에 스위치를 LED 오프 위치로 셋업 하면, 마이크로컨트롤러는 LT3965에 I2C 셋업 명령을 전송할 수 있다. 그런 다음, 셋업 후 LT3952 PWM을 선언할 수 있으며, LED 오프 상태에서 전류가 단락 된 LT3965 스위치를 통과하기 시작한다. 다음으로, 페이드 시작이 발생하거나 LT3965 디머가 특정 컬러 또는 밝기로 곧장 이동할 수 있다.

▲ 그림 6. 표준 PC 기반 컬러 피커를 사용하여 컬러를 선택할 수 있다. 매트릭스 디머에 의해 사용되는 0–256 값을 일반 RGB 시스템에 의해 사용되는 0–255 값과 관련 지을 수 있다. 예를 들어 RGB(128,10,128)는 보라색 색상을 생성할 수 있다. 아래 사진에서 볼 수 있듯이 매트릭스 디머는 실제 RGBW LED에서 예측 가능한 컬러를 생성할 수 있으므로 조명 설계자의 작업을 간소화한다. 6(a) 컬러를 선택한다. 6(b) RGB 값은 LT3965 LED 매트릭스 디밍 비율에 대응한다. 6(c) PC를 사용해 디밍 값을 설정하고 결과를 확인한다.

리셋이 발생하면, LT3952의 PWM을 다시 로우로 구동해야 턴오프하고 LED를 오프 위치에서 다시 시작할 수 있다. 그림 5의 경우 LT8330과 같은 간단한 마이크로전력 부스트가 6V–20V 입력으로부터 55V를 공급할 수 있다. 마이크로컨트롤러는 ALERT 플래그를 선언함으로써 LT3965가 전원을 인가 받고 시리얼 통신을 수신할 준비가 되었다는 신호를 수신한다. 모든 스위치가 단락되기 전에, LED를 흐르는 영 전류(zero current)는 스위치의 영 전압(zero voltage)으로 나타나며, 이것은 단락 회로 결함으로 해석되고 보고된다. LT3965가 SKYHOOK에 의해 전원 인가된 후에만 플래그가 선언된다.

결론

LT3965와 같은 LT3965 매트릭스 LED 디머는 부스트-벅 LED 드라이버와 함께 사용하여 컬러 정확도가 높은 RGBW LED 컬러 믹서 시스템을 구성할 수 있다. LT3952와 함께, LT3965 매트릭스 디머는 6V~20V 입력으로부터 350kHz 스위칭 주파수로 500mA에서 2개의 RGBW LED를 구동하는 데 사용할 수 있다. 이 범용 시스템은 자동차 배터리, 12V 전원 또는 리튬이온 배터리로 구동할 수 있다. 

특허 출원 중인 부스트-벅 LED 드라이버 토폴로지의 빠른 과도 응답과 256:1의 I2C로 제어되는 매트릭스 시스템을 통한 예측 가능한 디밍 제어로부터 높은 컬러 정확도가 달성된다. 또한 모든 LED를 오프로 시동한 다음 페이드를 시작하게 하거나 특정 컬러로 곧장 이동하게 할 수 있다. 필수적이지는 않지만, 마이크로컨트롤러를 통한 광학적 피드백을 추가하면 컬러 정확도를 향상시킬 수 있다.

키이스 스졸루샤(Keith Szolusha) _ 리니어 테크놀로지