EMI를 낮출 수 있도록 확산 스펙트럼 주파수 변조 기능을 통합한 LED 드라이버는 엄격한 EMI 테스트를 통과해야 하는 자동차 LED 애플리케이션의 설계를 간소화할 수 있다. 확산 스펙트럼을 위해서 단일 커패시터 만을 필요로 하고, 외부 클록 기반 확산 스펙트럼 솔루션과 달리 PWM 디밍 시에 깜박임 없는 LED 동작을 가능하게 한다.

자동차 LED 드라이버는 크기가 작고, 효율이 우수하고, 깜박임을 일으키지 않으면서 PWM 디밍이 가능해야 한다. 또한 AM 라디오 대역과 그 주변에서 큰 전도성 EMI를 일으키지 않아야 한다. 그런데 고전력 스위치 모드 전원장치(Switch Mode Power Supplies, SMPS)는 특성상 EMI가 낮지 않다. 스위칭 주파수가 고정이므로 전원장치의 기본 동작 주파수와 그 고조파를 비롯한 다수의 주파수에서 상당한 EMI 시그니처를 발생시킨다. 그러므로 어떤 신호 성분이 AM 대역으로 유입될 수 있다.
EMI 피크를 최소화하는 한 가지 방법은 스위치 모드 전원장치(SMPS)의 동작 주파수를 넓은 대역폭에 걸쳐 확산시키는 것이다. 이것을 확산 스펙트럼(spread spectrum) 스위칭이라고 한다. 확산 스펙트럼 스위칭이 의도하는 효과는 SMPS의 기본 동작 주파수 및 고조파에서 발생할 수 있는 EMI 피크를 낮춰 이 EMI 에너지를 일정 범위의 주파수에 확산시키는 것이다.
LED 드라이버 SMPS는 여기에 더하여 또 다른 추가적인 사항을 요구한다. 그것은 LED 깜박임이 발생하지 않도록 하기 위해 주파수의 확산을 PWM 디밍(밝기 제어) 주파수와 동기화시켜야 한다는 것이다.
바로 이러한 요건을 충족하는 제품인 LT3795는 고유의 확산 스펙트럼 램프 신호를 발생시켜 특허출원 중인 기법을 이용해서 저주파 PWM 디밍 입력 신호와 동기화한다. 그럼으로써 아무리 높은 PWM 디밍 비율이라 할지라도 확산 스펙트럼 주파수가 PWM 신호와 결합해서 LED의 가시적인 깜박임 발생 가능성을 제거한다.

고전력 LED 드라이버

LT3795는 LT3756/LT3796 제품군과 마찬가지로 고성능 PWM 디밍 기법을 이용한 고전력 LED 드라이버이며, 추가적으로 내부 확산 스펙트럼 램프 신호에 의해 EMI를 낮출 수 있는 기능을 제공한다. 이 제품은 4.5 V~110 V 입력에 0 V~110 V 출력의 단일 스위치 컨트롤러 IC로서 부스트 모드, SEPIC 모드, 벅-부스트 모드 또는 벅 모드 LED 드라이버로 구성할 수 있다. 100 kHz~1 MHz의 스위칭 주파수 범위, 개방 LED 보호, 단락 회로 보호를 특징으로 하며, 전류 제한이 가능한 정전압 레귤레이터 또는 정전류 SLA 배터리 및 슈퍼커패시터 충전기로도 사용할 수 있다.
그림 1은 확산 스펙트럼 주파수 변조 및 단락 회로 보호 기능을 이용해서 92%의 고효율을 달성하는 80 V, 400 mA, 300 kHz~450 kHz 자동차용 LED 전조등 드라이버의 예를 보여준다.

확산 스펙트럼 기능을 통합함으로써 설계 간소화

다른 고전력 LED 드라이버와 달리, LT3795는 고유의 확산 스펙트럼 램프 신호를 발생시켜 설정되는 스위칭 주파수보다 30% 낮은 스위칭 주파수 변조 신호를 생성한다. 그럼으로써 전도성 EMI 피크가 낮아지므로 비싸고 대형인 EMI 입력 필터 커패시터 및 인덕터의 필요성을 줄여준다.
LED 드라이버의 스위칭 주파수를 생성하기 위해서 별도의 외부 확산 스펙트럼 클록을 사용하면 확산 스펙트럼의 주파수 패턴이 PWM 주기와 동기화되지 않음으로써 PWM 디밍 시에 가시적인 깜박임을 발생시킬 수 있다. 따라서 많은 하이엔드 LED 드라이버 애플리케이션에서는 확산 스펙트럼을 구현하는 작업이 결코 쉽지만은 않다. 확산 스펙트럼을 사용할 수 없는 경우, 설계자는 대형 크기의 EMI 필터나 스위칭 에지를 늦추기 위한(대신에 효율 저하) 게이트 저항, 스위치 및 캐치 다이오드 상에 스너버 회로를 추가해야 한다.
그림 2는 확산 스펙트럼을 활성화했을 경우와 비활성화 한 경우 AM 대역 부근에서 LT3795 LED 드라이버의 전도성 EMI를 측정한 결과를 비교한 것이다. 정상(확산 스펙트럼 미적용) 동작은 스위칭 주파수와 고조파에서 높은 에너지 피크를 발생시킨다. 이러한 피크가 있으면 설계된 회로는 자동차와 같이 EMI에 민감한 애플리케이션에서 엄격한 EMI 요구사항을 충족할 수 없다. 참고로, 그림 2에서는 CISPR 25 Class 5 자동차 전도성 EMI 제한치를 표시하고 있다. 그림 3은 더 넓은 주파수 대역에서 확산 스펙트럼의 효과를 보여준다.
300 kHz~580 kHz 사이에는 제한이 없기 때문에, 이 곳은 기본 주파수를 설정하는 데 가장 좋은 위치이다. 이 애플리케이션에서는 기본 주파수를 450 kHz로 설정하고 300 kHz까지 확장하고 있다. 확산 스펙트럼은 RAMP 핀을 접지하는 것만으로 비활성화될 수 있다.
RAMP 핀에 6.8 nF 커패시터를 연결하면 확산 스펙트럼 주파수 변조 속도를 1 kHz 삼각파로 설정할 수 있다. 즉, LT3795의 동작 주파수가 매 밀리초에 300 kHz에서 450kHz로 그리고 역으로 스윕 한다. 그림 4에 보는 바와 같이 1 kHz의 삼각파가 추가되고도 확산 스펙트럼 신호가 LED 리플 전류에 미치는 영향은 거의 무시할만하다.
1 kHz의 변조 주파수를 선택한 이유는 LT3795의 대역폭 범위 내에 들어갈 만큼 충분히 낮으면서 AM 대역의 전도성 EMI 피크를 크게 감쇠시킬 만큼 충분히 높은 주파수이기 때문이다. 변조 주파수를 이보다 더 낮추면 가장 중요하다고 생각되는 AM 대역에서 피크 감쇠가 저하된다. 확산 스펙트럼 변조 주파수의 선택은 높은 주파수에서 EMI 피크 감쇠에 별 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 100 Hz 이상이면 사람의 눈으로 인식할 수 없기 때문이다.

깜박임을 발생시키지 않는 PWM 디밍

PWM 신호와 동기화되지 않은 확산 스펙트럼 신호 소스를 사용하여 EMI를 감소시키는 것은 가능하지만, 스위칭 주파수 및 PWM 신호의 맥놀이가 LED에 가시적인 깜박임을 발생시킬 수 있다. LT3795 내부에서 생성되는 확산 스펙트럼 램프 신호는 PWM 디밍을 사용하면 램프 신호 자체가 PWM 주기와 동기화된다. 이를 통해 1000:1의 높은 디밍 비율에서도 반복정밀도가 뛰어난 깜박임 없는 PWM 디밍을 가능하게 한다.
그림 5는 두 확산 스펙트럼 솔루션의 PWM 디밍 전류 파형을 비교한 것이다. 하나는 LT3795의 특허출원 중인 확산 스펙트럼 신호와 PWM 신호의 동기화 기술을 사용한 방법이고, 다른 하나는 특허 기술을 사용하지 않는 방법이다. 둘 다 “infinite persist” 모드로 포착한 것이고 일련의 사이클에 걸쳐서 1% PWM 디밍 파형을 중첩해서 보여주고 있다. 그림 5a는 LT3795의 확산 스펙트럼 동작이 PWM LED 전류에 미치는 영향을 보여준다. 이 파형은 사이클 간(cycle-to-cycle)에 일정하며, 따라서 깜박임 없는 동작을 달성한다는 것을 알 수 있다. 그림 5b는 이와 비교해서 LT3795가 아닌 다른 확산 스펙트럼 솔루션의 결과를 보여준다. 온타임(on-time) 파형의 사이클 간 변동으로 인해서 평균 LED 전류에 변화를 일으키다. 디밍 비율이 높을수록 이 차이가 LED의 깜박임으로 인식될 수 있다.
LT3795의 특허출원 중인 기술을 사용하지 않은 다른 확산 스펙트럼 드라이버 IC는 확산 스펙트럼에 의한 확실한 EMI 감소 결과를 제공하지만, 깜박임은 여전히 존재하기 때문에 유의해야 한다. 깜박임이 발생하는지를 이해하려면 LED 또는 LED 전류 파형을 면밀히 살펴봐야 한다. LT3795의 경우에는 전도성 EMI 스캔 결과와 LED 전류 스코프 화면이 모두 양호하다는 것을 알 수 있다.


부스트 회로에서 출력 단락 시 보호

그림 1에서 LT3795 부스트 LED 드라이버는 단락 회로에서 보호되도록 설계되었다. 하이 사이드(high side) PMOS 차단 스위치는 PWM 디밍에만 사용되는 것이 아니라, LED+ 단자가 접지에 단락되었을 때 단락 회로를 보호하는 데도 사용된다. 고유의 내부 회로는 출력 전류가 과도하게 높고 LED+ 단자 전압이 과도하게 낮을 때, 이를 감지하여 PMOS 차단 스위치를 끄고 단락 LED 결함을 알린다.
마찬가지로, LED 스트링을 제거하거나 개방 상태가 되면, 이 IC는 최대 출력 전압을 제한하고 개방 LED 결함을 알린다.

다중토폴로지 솔루션

LT3795는 여기서 보는 바와 같이 부스트 구성으로 LED를 구동할 수 있다. LED 스트링 전압과 입력 전압 범위의 관계에 의해 요구될 경우에는 벅 모드, 벅-부스트 모드, SEPIC 및 플라이백 토폴로지로 사용할 수 있다. 모든 토폴로지는 동일한 확산 스펙트럼 기능 및 단락 회로 보호 기능을 제공한다. LT3795는 확산 스펙트럼 주파수 변조 기능을 갖춘 고정 부스트 또는 SEPIC 전압 레귤레이터로 구성할 수도 있다.
 

AEM_Automotive Electronics Magazine