자동차 디스플레이의 대세 LED 백라이팅

2016년 05월호 지면기사  /  글│토니 암스트롱(Tony Armstrong) 이사, Linear Technology Corporation


HDTV, 휴대용 태블릿 PC, 자동차 인포테인먼트 디스플레이, 그 외 다양한 핸드헬드 통신기기에서 TFT LCD 백라이팅에 LED의 사용이 폭발적으로 늘어나고 있다. 하지만 LED가 이러한 성장세를 계속해서 이어가기 위해서는 향상된 신뢰성 달성, 전력소모를 낮추고 폼팩터를 더욱 콤팩트하게하면서 콘트라스트와 색 정확도에 있어 향상을 이뤄야할 것이다. 자동차, 항공기, 선박용 디스플레이에 사용될 때는 주위가 매우 밝은 상황, 달빛이 없는 매우 어두운 야간에 앞서 설명한 모든 향상들을 이뤄야한다.

 

자동차에서 TFT-LCD 애플리케이션은 인포테인먼트 시스템, 게이지클러스터, 그 외의 다양한 계기판 디스플레이를 포함한다. LED를 사용해서 이들 디스플레이를 백라이트하기 위해서는 주위가 밝을 때나 어두울 때를 상관하지 않고 디스플레이 가독성을 극대화하도록 하기 위해 LED 드라이버 IC는 고유의 과제들을 극복해야 한다. 이를 위해 LED 드라이버는 매우 넓은 디밍 비율과 고효율 변환을 제공하면서 한편으로는 자동차의 까다롭고 혹독한 전기 및 물리적 환경을 견딜 수 있어야 한다. 또한 공간을 절약하는 콤팩트한 풋프린트여야 하며 동시에 비용적인 경제성도 뛰어나야 한다.

 

차량용 LED의 성장동력

자동차 조명 애플리케이션에서 LED의 사용이 폭발적으로 늘어나고 있는 것은 LED가 경쟁관계인 백열 전구보다 이로운 점이 많기 때문이다. LED의 장점은 빛을 발생시킬 때 효율이 백열 전구보다 10배 이상 뛰어나고 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp) 같은 형광 램프보다 두 배 가량 더 우수하다는 점을 들 수 있다. 그러므로 특정한 광출력을 제공하기 위해서 필요한 전기 전력을 줄일 수 있다.

이러한 관계를 나타내는 단위가 와트 당 루멘이다. LED가 계속해서 진화함에 따라 LED의 효능(efficacy), 다시 말해 전기전력 소스로부터 얼마만큼 루멘의 광출력을 발생시킬 수 있느냐는 능력은 계속해서 높아질 것이다. 또 다른 이점은 오늘날과 같이 환경의식적인 시대에 LED 조명은 CCFL 전구에 흔히 사용되는 유독성 수은가스를 취급, 노출, 처분할 필요가 없다는 것이다. 또 백열 전구는 통상적으로 약 1,000시간 사용 후에 교체해야 하고, 형광 전구는 수명이 1만 시간이다. 그런데 LED 조명은 수명이 10만 시간 이상에 달함으로써 비교 할 수 없을 만큼 길다.

이렇게 작동수명이 길기 때문에 대부분의 애플리케이션에서 LED를 최종 애플리케이션에 영구적으로 매립할 수 있다. 이점은 자동차 대시보드에 매립하는 클러스터, 계기판, 인포테인먼트 패널을 백라이팅할 때 중요한 점이다. 그러면 자동차의 작동수명 동안 교체할 필요가 없기 때문이다. 또한 LED는 수십배 더 작고 콤팩트하게 만들 수 있어 LCD 패널을 훨씬 더 얇게 만들 수 있다.

따라서 자동차 내부에서 최소한의 공간을 차지한다. 적색, 녹색, 청색 LED 구성을 사용함으로써 무한한 수의 색도 제공할 수 있다. 뿐만 아니라 LED는 사람의 시각으로 감지할 수 있는 것보다 훨씬 더 빠르게 디밍을 하고 턴 온/턴 오프할 수 있어 LCD 디스플레이의 백라이팅을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 동시에 콘트라스트를 극적으로 향상시키고 더 높은 해상도의 영상을 제공할 수 있다.

 

자동차 애플리케이션 도입 과제

자동차 조명 시스템 디자이너가 당면하고 있는 가장 큰 과제는 이러한 새로운 세대의 LED가 제공하는 모든 기능성과 이점을 어떻게 최대화하는가이다. LED는 정확하고 효율적인 전류소스와 디밍 수단을 필요로 해 LED 드라이버 IC는 여러 다양한 동작조건에서도 LED의 까다로운 요구를 충족하도록 설계해야 한다. 또 전원 솔루션이 극히 효율적이고, 견고하고, 신뢰할 수 있어야 할 뿐만 아니라 크기가 콤팩트하면서 비용도 절감해야 한다.

아마도 LED를 구동하기 가장 까다로운 애플리케이션이 자동차 인포테인먼트나 계기판의 TFT LCD를 백라이팅할 때일 것이다. 자동차의 혹독한 전기적 환경을 견뎌야할 뿐만 아니라 주위 밝기에 따라 LED의 밝기를 보정해야 하고 극심한 공간 제약부분에 집어 넣어야 하기 때문이다. 이러한 모든 요구를 충족하면서 비용 구조 또한 매력적이어야 한다.

새로운 많은 자동차 디자인들은 단일패널을 사용해서 운전자 제어에 관련된 모든 디스플레이 게이지를 백라이트하고 있다. 계기판 패널의 LED 백라이팅을 인포테인먼트 시스템과 공유하게 해서 읽기 쉬운 “올인원” 제어 패널을 제공하는 것이다. 또 승용차, 열차, 항공기를 비롯한 많은 교통수단들에서 승객 엔터테인먼트용으로 영화를 감상하거나 비디오 게임을 할 수 있는 LCD 디스플레이를 도입하고 있다. 전통적으로 이러한 디스플레이는 CCFL 백라이팅을 사용해 왔다.

하지만 갈수록 부피가 큰 벌브 디자인을 얇은 두께가 가능한 백색 LED 어레이로 대체하고 있다. 그럼으로써 훨씬 더 정밀하고 조절가능한 백라이팅을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 서비스 수명도 늘릴 수 있다.

 

자동차 LED 조명디자인의 요구

LED로 최대의 성능과 긴 작동수명을 달성하기 위해서는 효과적인 구동회로가 필요하다. 이러한 드라이버 IC는 혹독한 자동차 전원 버스를 사용해 동작할 수 있어야 할 뿐만 아니라 비용과 공간을 절약해야 한다.
또 긴 동작수명을 실현하기 위해 LED 전류와 온도 한계를 넘지 않아야 한다.

자동차 분야의 중요한 과제 중의 하나는 자동차 전원 버스 상에서 발생되는 전기적으로 혹독한 환경을 극복하는 것이다. 이러한 중요한 문제들로서 “부하덤프”와 “콜드 크랭크”라고 하는 트랜션트 조건들을 들 수 있다. 부하 덤프는 얼터네이터가 여전히 배터리를 충전하고 있는 중에 배터리 케이블이 끊어질 때 발생된다. 이것은 자동차가 작동하는 중에 배터리 케이블이 느슨해지거나 또는 자동차가 주행하는 중에 배터리 케이블이 끊어질 때 발생된다. 배터리 케이블이 이렇게 갑작스럽게 끊어질 때 얼터네이터가 끊어진 배터리를 최대로 충전하려 함으로써 최대 40 V에 이르는 트랜션트 전압 스파이크가 발생될 수 있다.

그러면 통상적으로 얼터네이터의 서지 억제기가 버스 전압을 대략 36 V로 클램프하고 대부분의 전류 서지를 흡수한다. 하지만 얼터네이터 하위의 DC/DC 컨버터가 36~40 V의 트랜션트 전압 스파이크에 노출될 수 있다. 이러한 트랜션트 시에 컨버터가 이를 견뎌내면서 출력전압을 레귤레이트할 수 있어야 한다. 이를 위해서 서지 억제기 같은 다양한 방법의 보호회로들을 사용할 수 있다. 그런데 이런 보호회로들은 외부적으로 구현함으로써 비용과 무게를 늘리고 공간을 차지한다.

콜드크랭크는 자동차 엔진이 장시간 저온이나 영하의 온도에 노출되었을 때 발생된다. 그러면 엔진오일 점성이 높아져 스타터 모터가 더 높은 토크를 제공해야 한다.

이렇게 하자면 배터리로부터 더 높은 전류를 소모해야 한다. 시동을 걸 때 이러한 높은 전류부하가 배터리/일차 버스 전압을 4.0 V 아래로 끌어내렸다가 시동을 걸고 나면 다시 공칭 12 V로 돌아간다.

이러한 문제들을 극복할 수 있는 새로운 솔루션이 바로 리니어의 LT3599이다.
LT3599는 이러한 조건들을 견디면서 고정적인 출력 전압을 레귤레이트할 수 있다. 3~30V 입력 전압범위로 동작하고 40 V까지의 트랜션트 보호를 할 수 있어 자동차 환경에 사용하기 적합하다. 36 V 트랜션트 같은 경우에 VIN이 VOUT보다 높더라도 LT3599가 요구되는 출력전압을 레귤레이트할 수 있다.

대부분의 LCD 백라이팅 애플리케이션이 10~15 W의 LED 전력을 필요로 하기 때문에 LT3599는 애플리케이션의 이러한 요구를 충족하도록 설계됐다. 자동차 버스 전압(공칭 12 V)을 최고 44 V까지 부스트 할 수 있어 각 직렬로 10개의 100 mA LED로 이뤄진 최대 4개의 병렬 스트링을 구동할 수 있다.

 

 

 

그림 1은 LT3599를 사용해 각 스트링이 10개의 80 mA LED로 이뤄진 4개 병렬 스트링을 구동하는 회로를 보여준다. 그러므로 총 12 W를 제공한다.
LTC3599는 적응식 피드백 루프 디자인을 사용해 출력전압을 전압이 가장 높은 LED 스트링보다 약간 높도록 조절한다.

 

 

 

그럼으로써 밸러스트 회로에서 소실되는 전력을 최소화해 효율을 극대화한다. 그림 2에서는 LT3599의 효율이 최고 90퍼센트에 이른다는 것을 알 수 있다. 그럼으로써 따라오는 중요한 이점은 발열을 위한 히트싱크가 필요하지 않게 돼 매우 콤팩트하고 두께가 얇은 풋 프린트를 달성할 수 있다는 것이다. 또한 LED 어레이를 구동할 때 중요한 점 중 하나는 정확한 전류 매칭을 달성해 백라이팅 밝기를 전체 패널에 걸쳐 일관되게 유지해야 하는 것이다. LT3599는 -40~125°C 온도범위에 걸쳐 2% 이내의 LED 전류변동을 보장한다.

LT3599는 정주파수 정전류 부스트 컨버터 토폴로지를 사용한다. 내부의 44 V 2 A 스위치가 직렬로는 최대 10개의 LED를, 병렬로는 최대 100 mA로 이뤄진 4개의 LED 스트링을 구동할 수 있다. 스위칭 주파수를 200 kHz부터 2.5 MHz까지 프로그램하거나 동기화할 수 있어 AM 라디오 대역을 피할 수 있으며 외부소자의 크기를 최소화할 수 있다. 또한 1개에서부터 4개까지의 LED 스트링을 구동할 수 있도록 설계됐다.
더 적은 스트링을 사용하면 각 스트링으로 추가적인 LED 전류를 제공할 수 있다.

LT3599는 True Color PWM™ 디밍이나 제어핀을 통해 아날로그 디밍으로 LED를 디밍할 수 있다. True Color PWM은 최고 3,000:1에 이르는 디밍 비율을 제공한다. 3,000:1은 자동차 애플리케이션에 흔히 요구되는 것이다. LED를 최대 전류로 PWM 디밍함으로써 LED 빛의 모든 색변이(color shift)를 없앨 수 있고, 주파수가 매우 높아 사람의 시각에 감지되지 않는다.

아날로그 디밍은 CNTRL 핀 전압 레벨을 변화시키는 방법으로 최대 20:1에 이르는 디밍 비율을 간편하게 달성할 수 있다. 어떤 디밍 방식을 사용하느냐는 LCD 패널이 어느 정도로 다양하게 변화되는 주변 빛을 겪는지에 따라 결정할 수 있다. 또한 LT3599는 개방회로 및 단락회로 보호와 경고 핀 같은 보호 기능들을 통합하고 있다.

자동차 애플리케이션에 HB LED의 사용이 계속해서 빠르게 증가함으로써 LED 자체뿐만 아니고 이를 구동하기 위해 필요로 하는 LED 드라이버 IC 역시 수요가 크게 증가하고 있다. 리니어는 이 제품 외에도 LCD 백라이팅에서부터 방향지시등과 헤드라이트 애플리케이션에 이르기까지 다양한 자동차 애플리케이션에 사용하도록 포괄적인 유형의 고전류 LED 드라이버 제품을 제공하고 있다. 그럼으로써 자동차 조명 시스템 디자이너들이 오늘날 까다로운 LED 조명 디자인에 사용하도록 간편하고 효과적인 LED 드라이버 솔루션을 제공한다.  

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