많은 자동차용 LED 드라이버 회로는 입력-대-출력 전압을 스텝업도 하고 스텝다운도 할 수 있는 정전류 DC/DC 컨버터 토폴로지를 필요로 한다. 널리 이용되는 비절연형 LED 드라이버 토폴로지로는 지극히 높은 전력과 효율을 달성하는 4스위치 벅-부스트, 결합형 또는 비결합형 SEPIC, 단일 인덕터 ‘벅-부스트 모드’, 양-대-음(벅 기반) 단일 인덕터 벅-부스트가 있다. 그런데 불행히도 이 중 어떤 LED 드라이버도 진정으로 입력 리플과 출력 리플 둘 다 낮은 것이 없다.



새로운 부스트-벅(boost-then-buck-mode) 부동 출력 LED 드라이버는 입력 인덕터와 출력 인덕터(또는 결합 권선)를 이용함으로써 입력 리플도 낮고 출력 리플도 낮다. 다양한 측면에서 이 토폴로지는 단일 인덕터 벅-부스트 모드, 단일 스위치 노드 SEPIC, 양의 Cuk 컨버터(역시 입력 리플과 출력 리플 모두 낮으나, 음의 참조 피드백 회로를 필요로 함)와 비슷한 점들이 있다.

단일 인덕터 벅-부스트 모드하고는 부스트-벅 인덕터들을 합친(또는 결합 인덕터의) 전체적인 크기가 비슷하다. SEPIC하고는 입력 리플은 비슷하나 출력 리플은 훨씬 작다. SEPIC하고 비교해서 인덕터 크기는 같으나 2개 스위치 노드가 아니라 단일 스위치 노드이고(그러므로 핫 루프가 더 작음) 복잡하게 2개 권선 사이에 결합 커패시터를 필요로 하지 않는다. 입력 리플이 낮고 출력 리플이 낮은 (반전) Cuk컨버터와는, 입력 및 출력 리플은 비슷하나 역시 권선 사이에 결합 커패시터를 필요로 하지 않고 무엇보다 중요한 점으로서 음 참조 회로 피드백 아키텍처를 필요로 하지 않는다. LT3952 같은 새로운 부스트 LED 드라이버를 이용함으로써 양의 부스트-벅 컨버터를 구현할 수 있다.


부스트-벅 토폴로지와 부동 LED 출력이 새로운 단일 스위치 60 V 모노리딕 LT3952 LED 드라이버는 4A 피크 스위치 전류로서, 그림 1에서 보는 것과 같이 자동차용 부스트-벅 LED 드라이버로 이용할 수 있다. 이 350 kHz 1A LED 드라이버는 9~36 V 입력으로 6~18 V LED를 구동할 수 있으며 최대 부하로 최대 90퍼센트에 이르는 효율을 달성한다. LT3952 부스트-벅 컨버터는 강력한 내부 MOS 스위치를 활용해 효율을 높일 수 있다.



그림3에서는 각기 다른 LED 스트링 전압에 따른 효율을 보여준다. 다른 LED 드라이버와 마찬가지로 LT3952의 범용성 뛰어난 단일 하측 전력 스위치 아키텍처를 이용해서 부스트-벅과 단일 인덕터 벅-부스트 모드 등의 부동 출력 스텝업 및 스텝다운 컨버터를 구동할 수 있다. LED출력은 가시광(visible light)만이어 LED 스트링의 접지에 대한 전압 레퍼런스는 중요하지 않다. 그러므로 부스트-벅과 벅-부스트 모드 같은 고유의 부동 LED 드라이버 토폴로지가 가능하다.



LT3952는 부동 상단 게이트 TG 핀 PWM MOSFET 드라이버를 이용해 부동 LED 스트링을 PWM 디밍할 수 있어 부동 LED 부하를 수월하게 지원할 수 있다. 그림 1의 부스트-벅 컨버터는 300:1 이상의 비율로 PWM 디밍을 할 수 있다(120 Hz 주파수). 이 상측 TG 드라이버는 부스트, SEPIC, 벅-부스트 모드, 벅 모드, 부스트-벅 LED 드라이버로 PWM 디밍을 용이하게 제공할 수 있다. 나아가 단락회로 보호 차단 기능까지도 수행함으로써 당황스러운 LED+-대-GND 조건을 방지할 수 있다. LT3952는 부스트-벅 토폴로지로 단락 회로 및 개방 LED 조건에 대해서 보호하고 보고한다.

부스트-벅 LED 드라이버 토폴로지는 LED 전류를 레귤레이트할때 입력-대-출력 전압을 스텝업도하고 스텝다운도 할 수 있다. 부스트 벅의 듀티 사이클, 효율, 스위치 전류, OUT 노드 전압은 단일 인덕터 벅-부스트 모드나 SEPIC과 같다. 다음은 부스트-벅 LED 드라이버의 특징을 요약한 것이다:
• VOUT = VIN + VLED
• DC(Duty Cycle) = VLED/(VIN+VLED)
• ISW(PEAK) = IIN + ILED + IL(P-P)/2
• IL(P-P) = IL1(P-P) + IL2(P-P)
• 그림 1의 컨버터는 12 VIN 대 18 VLED 1 A로 약 88퍼센트의 효율을 달성한다.


입출력 리플 낮음 = EMI 낮음

부스트 벅과 단일 인덕터 벅-부스트 모드는 여러 가지 비슷한 점들이 있다. 그림 1과 그림 2 사이에 다른 점은 입력 리플과 출력 리플이다. 그림 4는 벅-부스트 모드(그림 2)에 비해서 부스트-벅(그림 1)은 전도 EMI가 감소한다는 것을 보여준다. 입력 권선과 출력 권선을 분리시킴으로써 출력 리플 전류가 부스트-벅의 입력 커패시터로 결합하지 못하도록 한다. 그럼으로써 EMI를 낮추도록 한다. 그림 4의 EMI에서는 530 kHz부터 1.8 MHz까지 AM 대역 EMI가 낮고 그러므로 대형 EMI 입력 필터를 덜 필요로 한다는 것을 알 수 있다.



그림 5는 부스트-벅 토폴로지와 SEPIC 컨버터의 입력 및 출력 리플 경로들을 비교해서 보여준다. SEPIC 컨버터는 출력 리플이 같은 수준으로 낮지 않다. 입력이나 출력 라인 상의 높은 리플은 EMI를 방사하고 증가시킬 수 있으며, 자동차의 경우 같이 이러한 라인들이 수 미터 길이에 달할 때는 특히나 더 그럴 수 있다. 또한 LED 드라이버 출력 상에 추가적인 LC 필터링은 권장되지 않는다. 이유는 PWM 전이를 느리게 하고 원치 않는 링잉을 읽음으로써 최대의 PWM 디밍 성능을 달성하는 것을 방해할 수 있기 때문이다.



리플이 낮은 출력 인덕터는 벅과 마찬가지로 PWM 디밍 성능과 낮은 출력 EMI 둘 다를 가능하게 한다. 양-대-음 단일 인덕터 벅-부스트 컨버터 역시 출력 리플이 낮고 대역폭이 높으나, 입력 리플과 출력 리플이 대형 시스템 입력 커패시터로 결합하는 것으로 악명이 높아 바람직한 것보다 더 높은 수준의 EMI를 발생시킬 수 있다.

부스트-벅 토폴로지의 입력 커패시터와 출력 커패시터는 IL1(P-P)/√12에 해당되는 낮은 삼각파 리플 전류를 수월하게 필터링할 수 있다. 이 토폴로지로 커패시턴스나 인덕턴스를 조금 더 늘리면 EMI를 더욱 더 낮출 수 있다. 입력 커패시터나 출력 커패시터나 컨버터의 dI/dt가 높은 핫 루프에는 중요하지 않다. 이 토폴로지에서 중요한 핫 루프는 그림 5에서 보는 것과 같이 캐치 다이오드, OUT-대-GND 커패시터, 내부 하측 스위치로 제한됨으로써 레이아웃을 간소화한다.

부스트-벅의 2개 인덕터 또는 권선을 서로 연결하고 LED-노드를 입력으로 연결하면 부스트-벅 컨버터가 벅-부스트 모드 컨버터로 역전된다. 이러면 핫 루프 전류와 입력 및 출력 리플 전류가 각기 입력 및 출력 커패시터로 흐르게 됨으로써 더 높은 입력 및 출력 리플 측정치를 나타낼 수 있다.
비슷한 방식의 부스트-벅 양-대-음 토폴로지

그림 6은 입력 및 출력 리플이 낮은 또 다른 방식의 특허출원 부스트-벅 LED 드라이버 토폴로지를 보여준다. LT3744 양-대-음 부스트-벅은 역시 입력 리플과 출력 리플이 낮은 LED 드라이버로서, 다만 동기식 스텝다운 컨버터와 음의 레귤레이션 기능을 이용하고 있다. 이 새로운 부동 음 출력 토폴로지는 PWM 및 출력 플래그 레벨 쉬프트 기능이 있는 동기식 스텝다운 LT3744 LED 드라이버의 강점을 활용하고 있다.

높은 효율은 동기식 스위칭 IC의 중요한 강점으로서, 특히 그림 6에서 3 A 48W LED 부하 같은 고전력 LED 스트링을 구동할 때는 더욱 그렇다. 동기식 부스트 및 벅 LED 드라이버를 사용함으로써 동기식 스텝업 및 스텝다운 부스트-벅 LED 드라이버가 가능하다. 다행히도 Linear Technology에서는 고전력이면서 리플이 낮은 스텝업 및 스텝다운 LED 드라이버에 이용하도록 다양한 유형의 이러한 제품들을 내놓고 있다.
Linear Technology의 새로운 특허출원 부스트-벅 LED 드라이버 토폴로지는 LED 스트링으로 입력 리플과 출력 리플이 모두 낮은 스텝업 및 스텝다운 입력을 제공한다. LT3952와 LT3744 같은 새로운 LED 드라이버는 자동차와 산업용 애플리케이션의 간소한 고전력 LED 스트링에 이용하기에 적합하다. 이러한 애플리케이션에서는 PWM 디밍 성능을 희생하지 않으면서 높은 전력과 낮은 잡음을 중요하게 요구한다.
 

AEM_Automotive Electronics Magazine