단일 벅-부스트 컨트롤러를 사용해 전체 LED 전조등 클러스터 구동

CISPR 25 클래스 5 EMI 요건 충족

2018년 05월호 지면기사  /  글│ 키이스 스졸루샤(Keith Szolusha), 아나로그디바이스 LED 드라이버 애플리케이션 매니저

자동차 LED 전조등 클러스터는 상향등과 하향등, 주간주행등, 방향지시등, 차폭등을 하나의 전조등 클러스터로 결합할 수 있다. 이 클러스터의 구성부품은 전압 및 전류 요구사항, 토폴로지, 전력대 또는 각각의 디밍 기능을 포함해 구동 요건이 크게 다를 수 있다. 이러한 넓은 범위의 요구사항을 충족하기 위해서는 각각의 요건을 충족하기 위한 다수의 드라이버 솔루션을 사용해야 한다.

하지만 다수의 드라이버를 사용하면 BOM 비용을 늘리고 생산 공정을 복잡하게 만들 뿐만 아니라, EMI 요건을 충족하기 어렵다. 드라이버를 추가할 때마다 각자의 고주파 신호를 추가함으로써 EMI 요건을 충족하는 것을 복잡하게 하고 문제해결을 더 어렵게 한다.

자동차 제조사 및 모델마다 전조등 클러스터에는 창의적인 다양한 LED 전류 및 전압이 공급될 수 있으나, 일반적으로 총 30W가 최대이다. 이를 염두에 두고, 클러스터 내의 모든 스트링의 전력 및 기능 요건을 충족시키는 여러 가지 드라이버를 사용해야한다. 하지만 이러한 드라이버를 찾기가 쉽지 않다. 이러한 드라이버는 비교적 넓은 배터리 전압 범위를 취할 수 있어야 하고, 벅-부스트 토폴로지를 사용해서 넓은 범위의 스트링 전압으로 변환할 수 있어야 한다.

또한 크기가 작고 범용이어야 한다. 그래야 클러스터의 제한된 공간 내에 통합할 수 있다. EMI도 적게 발생시켜야 한다. 그럼으로써 R&D 작업을 최소화하고 비싼 금속 차폐 EMI 케이스를 사용하지 않아도 된다. 또한 효율적이어야 한다. Power by Linear의 LT8391A 2MHz 벅-부스트 컨트롤러는 바로 이러한 모든 요구를 충족하는 제품으로서, 단일 컨트롤러를 사용해 전체 전조등 클러스터를 구동할 수 있다.

2MHz 동기 컨트롤러를 사용함으로써 EMI 감소

LT8391A는 LED 전류 조절을 위한 업계 최초의 2MHz 벅-부스트 컨트롤러다. 매우 높은 2MHz 스위칭 속도로 동작하므로 하나의 소형 인덕터를 사용할 수 있으며 고전력 LED 애플리케이션으로 전반적인 솔루션 크기를 소형화 할 수 있다. IC 패키지 내로 전력 스위치를 통합한 모놀리식 컨버터와 달리, LT8391A 컨트롤러는 외부 전력 스위치를 10A에 이르는 훨씬 더 높은 피크 전류로 구동할 수 있다.

이러한 피크 전류이면 통상적인 통합적 컨버터의 소형 IC 패키지는 타버릴 것이다. 이와 비교해 이 컨트롤러는 외부에 3mm × 3mm 동기식 MOSFET을 사용해 훨씬 더 높은 전력을 제공할 수 있다. 이들 MOSFET 4개를 핫 루프 커패시터와 함께 탑재함으로써 매우 낮은 EMI를 달성할 수 있다. 또한 고유의 피크 스위치 전류 검출 증폭기 아키텍처를 사용해 검출 저항을 전력 인덕터 옆에 배치하고 중요한 입력 및 출력 핫 루프 안에 들어가지 않도록 한다. 이 점이 또한 EMI를 낮춘다. 또한 선택적인 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM) 기능이 컨트롤러의 EMI를 더욱 더 낮춘다.

그림 1의 2MHz LT8391A 16V 1.5A(24W) 벅-부스트 LED 드라이버는 EMI 필터 및 게이트 저항을 사용해 최대 93%의 효율을 자랑한다(그림 2). 선택적인 EMI 소자를 사용하지 않으면 1%~2% 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 또한 소형의 3mm × 3mm MOSFET과 단일 고전력 인덕터를 사용해 24W에 이르기까지 온도 상승이 높지 않다.





12V 입력일 때는 어떤 소자도 실온보다 25℃ 이상 상승하지 않는다. 6V 입력이면 표준 4층 PCB를 사용하고 히트싱크나 에어 플로를 사용하지 않고서 가장 뜨거운 소자가 50℃ 미만이다. 또한 최저 4.3V의 입력 트랜션트에 이르기까지 최대 24W 부하로 계속해서 동작할 수 있다. 입력이 장시간 낮은 수준으로 떨어지면 아날로그 또는 PWM 디밍을 통해서 낮은 부하 전류로 동작할 수 있다. 8A~10A 검출 저항이 낮은 VIN으로 이러한 높은 전력을 가능하게 한다.

또한 LT8391A는 새로워진 PWM 디밍 기능과 개방 LED 결함 보호 기능을 포함한다. 이 동기 벅-부스트 컨트롤러는 9V~16V 자동차 배터리와 트럭 배터리(18V~32V) 같이 입력 전압 범위에 들어오거나 들어오지 않는 전압을 사용해서 LED 스트링으로 공급되는 전류를 조절할 수 있다. 또한 최저 4.0V의 콜드 크랭크 입력으로도 동작할 수 있으며, 최대 60V에 이르는 입력 트랜션트를 견딜 수 있다. LT8391A는 120Hz로 최대 2,000:1의 PWM 디밍 비율을 제공하며, 외부의 PWM 클록이 필요 없이 내부 PWM 디밍 생성기를 사용해 최대 128:1의 정확한 디밍을 할 수 있다.

자동차용 CISPR 25 EMI 요건

그림 1의 2MHz LT8391A LED 드라이버는 자동차 전조등용으로 설계됐다. 이 솔루션은 AEC-Q100 소자들을 사용하며 CISPR 25 클래스 5 복사 EMI 요건을 충족한다. 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM)를 사용해 EMI를 감소시키며, PWM 디밍을 사용해서 깜빡임 없이 작동한다(그림 8). 이 솔루션의 크기를 소형화할 수 있는 것은 소형 인덕터와 특히 소형의 입력 및 출력 EMI 필터 덕분이다. 2MHz 컨버터로는 대형의 LC 필터를 필요로 하지 않으며 소형의 페라이트 비드만을 사용해서 고주파 EMI를 감소시킬 수 있다.

고전력 컨버터를 사용할 때는 자동차 EMI 요건을 충족하기가 쉽지 않다. 고전력 스위치와 인덕터를 대형 PCB 상에 대형 커패시터 옆에 배치함으로써 원치 않는 핫 루프를 발생시킬 수 있다. 대형의 검출 저항을 포함할 때는 특히 더 그렇다. LT8391A의 고유 벅-부스트 아키텍처는 벅 및 부스트 스위치 쌍 핫 루프 모두에서 검출 저항을 사용하지 않아도 되므로 낮은 EMI를 달성할 수 있다.

그림 3그림 4는 그림 1의 24W LED 드라이버에 대해서 측정된 EMI를 보여준다. 이 컨트롤러의 2MHz 동작 주파수와 24W 전력에도 불구하고 이 벅-부스트는 CISPR 25 클래스 5 복사 및 전도 EMI 요건을 수월하게 충족한다. 클래스 5는 가장 엄격한 수준의 요건으로서 대부분 자동차 EMI 시험에 요구되는 것이다. 클래스 5 EMI를 통과하지 못한 컨버터는 자동차 회로 설계에 사용될 수 없으며, 아니면 대형의 금속 EMI 차폐 케이스를 사용해야 한다. 부피가 큰 차폐 케이스를 사용하려면 어셈블리가 복잡해질 뿐만 아니라 비용이 증가한다.





벅-부스트를 사용한 멀티빔 애플리케이션


LED 전조등 클러스터는 혁신적이면서 미적으로 창의적인 디자인일 수 있다. 상향등과 하향등을 멋들어지고 독특한 주간주행등(DRL)으로 둘러쌀 수 있다. 주간주행등은 상향등과 하향등이 꺼졌을 때만 필요하므로 단일의 LED 드라이버를 사용해서 상향등 및 하향등 LED와 주간주행등을 모두 구동할 수 있다. 그러려면 LED 드라이버가 입력 대 출력 범위가 유연해야 하며 입력 대 출력 전압을 스텝업(승압)도 하고 스텝다운(강압)도 할 수 있어야 한다. 이러한 요구를 충족하는 것이 벅-부스트 디자인이다.

그림 5의 멀티빔 LT8391A 벅-부스트 LED 드라이버는 3V~34V 범위의 LED 스트링 전압을 구동할 수 있다. 그러므로 하향등 스트링을 구동하면서 이 하향등 스트링으로 LED를 추가해서 상향등까지 제공할 수 있다. 그리고 이 동일한 드라이버를 전압은 더 높으면서 전류는 더 낮은 DRL을 구동하도록 전환할 수 있다. 그림 6a에서 보는 것처럼, 하향등 LED만 구동하는 것에서 하향등/상향등 콤보 스트링을 구동하는 것으로 전환할 때 출력 전압이나 LED 전류로 스파이크를 발생시키지 않는다.





LT8391A는 부스트, 4스위치 벅-부스트, 벅 동작 구간을 매끄럽게 전환할 수 있다. 컨버터가 LED 스파이크를 일으키지 않으면서 적은 수의 LED를 구동하는 것에서 많은 수의 LED를 구동하는 것으로 전환하는 것이 쉽지 않은 일인데, 이 멀티빔 회로는 이 일을 별 어려움 없이 해낸다. 상향등과 하향등을 구동하는 것에서 다시 하향등만 구동하는 것으로 전환하는 것 역시도 어떠한 해로운 LED 스파이크를 일으키지 않고 아주 깔끔하게 이루어진다(그림 6b).

DRL 스트링으로 전환하는 것도 마찬가지다. 그림 6c에서는, 하향등을 끄고 DRL을 매끄럽게 출력 커패시터로 연결하는 것을 보여준다. LED 전류까지 1A(상향등 및 하향등)에서 700mA(8개 LED로 이루어진 DRL)로 변하면서도 어떤 말썽도 일으키지 않는다. 여기에 또 다른 꾸밈 조명이나 방향지시 LED를 추가할 수도 있으며, DRL을 방향지시등으로 깜빡이도록 할 수도 있다. 그림 6d는 DRL을 내부적으로 설정된 PWM 생성기를 사용해서 PWM 디밍을 하고 날이 저물어서 어두워지기 시작하면 매끄럽게 하향등으로 전환하는 것을 보여준다.

또한 자동차 환경은 단락 회로와 개방 LED에 대한 견고한 솔루션을 필요로 한다. 그림 6의 멀티빔 솔루션을 사용해서 단락 회로 및 개방 회로 조건을 안전하게 처리할 수 있다. 그리고 컨버터의 결함 플래그를 통해서 결함을 지시하도록 할 수 있다.

좁은 공간에 집어넣을 수 있는 FE 및 QFN 패키지

LT8391A는 소형화된 4mm × 5mm 28리드 QFN과 자동차 디자인용 28리드 TSSOP FE 패키지로 제공된다. 두 패키지 모두 높은 전압을 사용한 내부 INTVCC LDO의 전력 소모에 대비해서 열 향상 GND 패드를 포함한다.

이 컨버터의 내부 LDO INTVCC 레귤레이터는 15nC의 게이트 전하를 사용해서 4개 동기 MOSFET을 2MHz로 구동할 수 있다. 그림 7은 LT8391A FE 2MHz 16V 1.5A 데모 회로(DC2575A, 그림 1 디자인)가 크기가 얼마나 작은지 보여준다. 이 고전력 범용 애플리케이션으로 하나의 5mm × 5mm 인덕터만을 필요로 한다.





요약


LT8391A 2MHz 60V 벅-부스트 LED 드라이버 컨트롤러는 자동차 전조등의 LED 스트링을 구동한다. EMI를 감소시키는 4스위치 아키텍처와 확산 스펙트럼 주파수 변조 기능을 사용해서 CISPR 25 클래스 5 EMI 요건을 수월하게 충족한다. 다른 제품들과 달리 높은 스위칭 주파수로 동작하여 AM 대역 위로 동작할 수 있으므로 EMI 필터링을 매우 적게 필요로 한다. 크기가 작고 범용성이 뛰어나므로 다양한 전압 및 전류 대로 동작하는 전조등 클러스터 내의 다양한 LED 스트링을 구동할 수 있다.

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