성능과 경제성을 만족시키는 LED 전조등을 가능하게 하는 것이 바로 새로운 HB LED 드라이버 IC다. 이러한 LED 드라이버는 입력 전압이나 LED 포워드 전압 변동에 상관없이 균일한 밝기를 유지하도록 일정한 전류를 제공하고, 높은 효율로 동작하며, 극히 넓은 디밍 비율을 제공해야 한다.

고휘도(HB) LED 시장이 2015년 202억 달러 규모에 달할 것으로 전망된다(출처: Strategies Unlimited). 이러한 가파른 성장세를 가능하게 하는 애플리케이션 중의 하나가 바로 자동차 디자인에 이용되는 LED다. 이러한 애플리케이션으로는 전조등, 주간 주행등, 브레이크 표시등에서부터 계기반 디스플레이 백라이트, 온갖 종류의 내부 미관 조명을 모두 포함한다.

놀라운 성장세는 LED가 신뢰성이 뛰어나고, 전력 소모를 낮추고, 폼팩터가 소형이기 때문일 뿐만 아니라 자동 조향 전조등이나 눈부심 방지 조도 제어 같은 혁신적인 디자인을 가능하게 하기 때문이다. 자동차 환경에서는 상대적으로 혹독한 자동차의 전기적/물리적 환경을 견뎌내면서 이러한 모든 이점을 극대화해야 한다. 그러면서 이들 솔루션이 극히 두께가 얇고 콤팩트해야할 뿐만 아니라 동시에 전반적인 경제성을 향상시켜야 한다는 것은 너무나 당연한 요구다.



LED는 수년 전부터 주간 주행등, 브레이크 표시등, 방향 지시등, 내부 조명에 채택돼 왔으나, 최근에 들어서야 아우디의 A8과 R8, 렉서스의 LS600h 같은 차종에 몇몇 전조등 애플리케이션이 등장하기 시작했다. 그런데 작년에는 훨씬 많은 자동차 업체에서 자사의 인기 모델에 LED 전조등을 도입했다.

2014년에 토요타는 그림 1에서 보는 바와 같이 자사의 베스트셀러 모델인 토요타 코롤라(Toyota Corolla)에 LED 전조등을 채택했다. 또한 토요타의 다른 모델, 그리고 혼다, 닛산, 포르쉐, 아우디 등의 업체들에서 조만간 출시 예정인 모델들에 LED 전조등이 채택되고 있다. 이에 따라 2014년 LED 전조등 시장은 30억 달러 규모를 넘어설 전망이다.

자동차 조명 시스템 설계자의 가장 중요한 과제는 최신 기술의 HB LED가 제공하는 모든 이점을 어떻게 극대화할 것이냐 하는 것이다. HB LED는 통상적으로 정확하며 효율적인 DC 전류 소스와 디밍(dimming) 기능을 필요로 한다. 따라서 LED 드라이버 IC가 여러 다양한 조건으로 이와 같은 요구들을 충족하도록 설계해야 한다.

전력 변환 솔루션이 고도로 효율적이어야 하고, 기능성과 신뢰성이 견고해야 할 뿐만 아니라, 크기가 콤팩트하고 비용적 경제성이 뛰어나야 한다. 아마도 HB LED를 구동하기에 가장 까다로운 애플리케이션 중의 하나는 바로 자동차 전조등 애플리케이션일 것이다. 이러한 애플리케이션에서는 혹독한 자동차의 전기적 환경을 견뎌야 하며, 높은 전력(통상적으로 50 W에서 75 W 사이)을 공급해야 하고, 열적/공간적으로 제약적인 동시에 비용을 줄여야 하기 때문이다.

자동차 LED 전조등

크기가 작고, 수명이 지극히 길고, 전력 소모가 낮고, 향상된 디밍을 가능하게 한다는 이점이 HB LED 전조등이 빠르게 도입될 수 있는 촉매제가 되고 있다. 수년 전에는 아우디, 다임러, 렉서스 같은 대부분 업체들에서 주로 자사 브랜드를 부각시키기 위한 전략으로서 이색적인 주행등이나 전조등 주변에 “아이브로우” 장식용으로 LED를 사용했다. 어큐라의 쥬얼 아이(Jewel Eye) 디자인, 포르쉐의 4사분면 디자인, 그 외 다수의 새롭게 등장하는 디자인을 비롯한 많은 LED 전조등 디자인 역시 이러한 경향의 연장이라고 할 수 있다.

자동차 전조등에 LED를 이용하는 것은 여러 면에서 장점이 있다. 우선, 반도체(solid state) 소자로서 수명이 10만 시간(11.5년) 이상에 이름으로써 자동차의 사용 수명보다 길어 교체할 필요가 없다는 것이다. 따라서 자동차 업체가 교체를 할 수 있게 접근할 수 있는 수단을 제공해야 할 필요 없이 전조등 디자인으로 영구적으로 매립할 수 있다.

LED 조명 시스템은 HID나 할로겐 같이 깊이나 면적을 필요로 하지 않아 스타일링을 극적으로 변화시킬 수 있다. 또한 HB LED는 입력 전기 전력으로 광 출력(루멘)을 제공할 때 할로겐 전구보다 더 효율적이다(그리고 조만간 HID의 수준을 뛰어넘을 것으로 예상된다). 그럼으로써 두 가지 점에서 긍정적인 효과를 가져 온다.

첫째, 자동차 버스로부터 더 적은 전기 전력을 소모한다. 이 점은 특히 전기차나 하이브리드 카에서 중요하다. 마찬가지로 중요한 하우징 내에서 소산시켜야 하는 열 발생을 줄임으로써 부피가 크고 비싼 히트싱크를 필요하지 않게 한다. 끝으로, HB LED 어레이를 이용하고 이를 전자적으로 스티어링 혹은 디밍함으로써 각각의 운전 조건에 따라 조명을 최적화할 수 있게 설계할 수 있다.



설계상의 과제

성능을 극대화하고 긴 동작 수명을 달성하기 위해서는 효과적인 LED 구동 회로를 필요로 한다. 이러한 드라이버 IC는 정확한 DC 전류 소스를 공급해야 하며 입력으로부터 넓은 변동에도 엄격하게 제어된 LED 전압 레귤레이션을 제공해야 한다. 자동차 배터리 버스에서는 콜드 크랭크/스톱-스타트 시에 4.7 V에서부터 부하 덤프 시에 60 V에 이르기까지 넓은 범위의 전압 변동이 있을 수 있다.

하지만 보통 정상적인 조건일 때는 배터리 버스 전압이 9 V에서 16 V 사이로 동작한다. 이러한 많은 새로운 LED 전조등 애플리케이션은 4~8개 HB LED를 직렬로 이용하고, 집단적인 전압 강하가 12 V~25 V이고, 배터리 버스 전압이 4.7 V에서 60 V까지 이를 수 있으므로, 입력 전압이 필요한 LED 스트링 전압보다 높거나, 낮거나, 같을 수 있어 LED를 구동하기 위해서 벅-부스트 토폴로지를 필요로 한다.

또한 LED 드라이버는 디밍 기능을 제공해야 하고 LED 개방 회로 또는 단락 회로가 발생하는 것에 대비해서 포괄적인 보호 기능을 제공해야 한다. 전기적으로 혹독한 자동차 전력 버스로 신뢰할 수 있게 동작해야 할 뿐만 아니라 비용적으로나 공간적으로 유용해야 한다.

새로운 동기식 벅-부스트 HB LED 드라이버

바로 이러한 요구들을 충족하는 새로운 솔루션이 리니어 테크놀로지의 LT3791 LED 드라이버이다. LT3791은 동기식 벅-부스트 DC/DC LED 드라이버이자 전압 컨트롤러로서 100 W 이상의 LED 전력을 공급할 수 있다. 4.7 V~60 V 입력 전압 범위는 자동차, 트럭, 항공기 HB LED 전조등을 비롯해 다양한 유형의 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. 마찬가지로 출력 전압을 0 V부터 60 V까지 설정할 수 있어 단일 스트링으로 다양한 구성의 LED를 구동할 수 있다.

그림 2는 50 W 전조등 애플리케이션의 예를 보여준다. 이 애플리케이션은 단일 인덕터를 이용해서 25 V LED 스트링을 2 A로 정확하게 조정해서 50 W의 LED 전력을 공급한다. 이 회로는 50:1 PWM 디밍 비율을 제공해 눈부심 방지 자동 디밍 요구를 충족하기에 적합하다. 입력 및 출력 (LED) 전류를 모니터링하고, 개방 또는 단락 LED 조건이 발생했을 때 이를 견디고 보고하는 결함 보호 기능을 제공한다.

내부 4 스위치 벅-부스트 컨트롤러는 출력 전압보다 높거나, 낮거나, 같은 입력 전압으로 동작할 수 있어 자동차 애플리케이션에 적합하다. 벅 모드(Vin > Vout), 통과 모드(Vin = Vout), 부스트 동작 모드(Vin < Vout) 사이를 매끄럽게 전환함으로써 넓은 범위의 전원 전압 변동에도 불구하고 잘 조정된 출력을 제공한다. 또한 LT3791의 고유 디자인은 3개 제어 루프를 이용해서 입력 전류, LED 전류, 출력 전압을 모니터링함으로써 최대의 성능과 신뢰성을 달성하도록 한다.

LT3791은 4개의 외부적 스위칭 MOSFET을 이용해 그림 3에서 보는 것과 같이 최대 98%에 이르는 효율로 5 W부터 100 W 이상에 이르는 연속적 LED 전력을 공급할 수 있다. 전통적 구동 방식의 자동차에서 높은 효율은 필요한 히트싱크를 최소화할 수 있게 해 콤팩트한 로우프로파일(두께가 얇은) 풋프린트를 가능하게 한다. 한편 전기차에서는 이와 같이 전력을 절약함으로써 한 번 충전할 때마다 운전할 수 있는 주행거리가 연장된다.

±6%의 LED 전류 정확도는 스트링 내의 각 LED로 균일한 밝기를 달성하고, ±2%의 출력 전압 정확도는 다수의 LED 보호 기능을 제공하고 컨버터가 정전압 소스로 동작할 수 있게 한다. LT3791은 애플리케이션의 필요에 따라서 아날로그 디밍이나 PWM 디밍을 이용할 수 있다. 또한 스위칭 주파수를 200 kHz에서 700 kHz 사이로 프로그램 할 수 있으며, 외부 클록으로도 동기화할 수 있다. 그 밖의 기능들로서 출력 차단, 입력 및 출력 전류 모니터링, 결함 보호 기능을 포함한다.

성능과 경제성을 만족시키는 LED 전조등을 가능하게 하는 것이 바로 새로운 HB LED 드라이버 IC다. 이러한 LED 드라이버는 입력 전압이나 LED 포워드 전압 변동에 상관없이 균일한 밝기를 유지하도록 일정한 전류를 제공하고 높은 효율로 동작하며, 극히 넓은 디밍 비율을 제공해야 한다.

또한 시스템 신뢰성을 향상시키도록 포괄적인 보호 기능을 제공해야 한다. 이들 LED 드라이버 회로는 솔루션 풋프린트가 소형이고 두께가 얇으며 발열이 적어야 한다. 리니어 테크놀로지는 LT3791과 같은 HB LED 드라이버 IC를 통해서 그러한 요구를 충족하도록 계속해서 LED 드라이버 제품의 혁신을 거듭해 왔다. 또한 전방 전조등에서부터 LCD 백라이팅에 이르기까지 자동차 애플리케이션에 이용하기 위한 포괄적인 유형의 고전류 LED 드라이버 IC 제품군을 제공하고 있다.