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비디오 빌보드, 점보트론 등의 경우 전원 공급 장치, 비디오 인코더 및 디코더, 라인 드라이버, DSP (digital signal processors) 등의 소형 서브시스템들이 전체적으로 조화를 이루며 영상을 내놓게 되어 있다. 그 최종 결과로, 관객은 놀랄 만큼 좋은 해상도의 대형 풀 컬러 영상을 보게 된다. 스타디움이 재생 영상을 보는 관중들의 반응 소리로 흔들리는 동안에도 팬들은 이 시스템의 LED 드라이버가 수행하는 기능에 대해 전혀 눈치채지 못한다. 영상 스크린을 자세히 들여다 본다면, 수 백 개의 개별 비디오 패널들이 보인다. 더 자세히 들여다보면, 각각의 패널에 16개 행과 열의 픽셀이 들어있는 것이 보인다. 각각의 픽셀은 적색, 녹색, 청색의 세 개 LED로 이루어져 있다. 각 LED의 아노드는 전기적으로 LED 드라이버의 출력과 연결되어 있다. 결국 수 만 개 LED 드라이버가 수 십만 개 LED를 통해 포워드 전류를 제어하여 영상을 만들어내는 것이다.
전기 설계자의 당면과제는 LED 드라이버로 LED 전류를 가장 잘 제어할 수 있는 방법을 알아내는 것이다. 대부분의 하이엔드 LED 드라이버는 시스템에서 LED 전류를 제어하는 몇 가지 방식을 설계자에게 제공하고 있다. 이러한 드라이버에는 도트 보정(dot correction, DC), 펄스 폭 모듈레이션(pulse width modulation, PWM) 디밍, 전체 휘도 제어 (brightness control, BC) 같이 디밍 LED 휘도를 돕는 몇 가지 기능들이 들어 있다. 이러한 기능들은 디밍 LED 휘도라는 동일한 기본 기능을 제공하고 있긴 하지만, 사용하고자 하는 목적이 다르다. 이 기능들의 적절한 사용법을 이해하는 것이 최고의 화질을 제공하는데 열쇠가 된다.
아날로그 디밍과 PWM 디밍
LED 드라이버의 고급 기능들을 이해하기 전에, 먼저 LED 휘도를 낮추는 두 가지 방식, 아날로그 디밍과 펄스 폭 모듈레이션(PWM) 디밍에 대해 알고 있어야 한다. 아날로그 디밍은 LED의 포워드 전류를 변경하는 것을 말한다. LED를 절반의 전류로 구동하면 휘도가 2 배로 낮아진다. 정확하게 1대1 비율은 아니지만 LED 광도는 포워드 전류에서 1차원적이다.?
PWM 디밍은 전류를 켜고 끄는 방식으로 진폭이 아닌 전류의 펄스 폭을 변경하는 것을 말한다. LED 휘도는 LED가 켜진 시간의 비율이나 듀티 사이클로 제어된다. 인간의 눈의 주파수 반응은 약 60Hz 이하로 제한되어 있다. 따라서 60Hz보다 빠른 속도로 LED를 켜고 끄면 인간의 눈은 그 평균 LED 휘도만을 보게 된다. 대부분의 디스플레이는100Hz 이상의 PWM 디밍을 구현하고 있다. 고정 PWM 디밍 주파수의 경우, 듀티 사이클이 낮으면 LED 휘도도 낮아진다. 그림1은 20mA LED를 25 % 휘도로 디밍했을 때 아날로그 디밍과 PWM 디밍을 비교한 것이다.
도트보정(Dot Correction)
LED 제조 처리 톨러런스는 제어가 어렵다. 고화질 디스플레이에 중요한 두 개의 주요 LED 특성이 빛의 세기와 스펙트럼 순도이다. 안타깝게도 이 특성들은 LED마다 서로 크게 다를 수 있다. 심지어 LED들이 같은 제조구역에서 나온 경우에도 마찬가지이다. 이론상으로는, 프로세서가 LED 드라이버에게 모든 적색 LED를 같은 전류로 켜도록 명령했을 때 같은 휘도로 켜져야 한다. 그러나 실제로는 같은 전류의 LED라도 휘도에서 큰 차이점을 보인다. 대표적인 주문형 LED 부품 번호는 같은 포워드 전류일 때 휘도에서 2:1의 변동량을 보일 수 있다.
이러한 변동량을 보정하지 않은 LED 패널은 픽셀 대 픽셀 휘도 매칭이 매우 불량하다. 도트 보정(DC)은 빛의 세기 변화량을 보정하는데 매우 뛰어난 솔루션이다. DC라는 용어는 LED 디스플레이에서 각각의 픽셀이나 도트의 세기를 보정하거나 통일한다는 말이다. 이것은 개별 LED를 흐르는 아날로그 전류를 조절하는 방식으로 이루어진다. 최초의 DC는 패널 생산 후 공장에서 이루어져 야 한다. 시험 설비로 LED 세기를 측정하고 DC 계수를 발생시켜 IC에 프로그램한 후 LED 휘도를 조절한다.
TLC5946 같은 대표적인 LED 드라이버는 단 한 개의 레지스터 Rset으로 각각의 출력에 대해 최대 LED 전류를 설정한다. 도트 보정은 아날로그 디밍을 이용해 최대 전류에 대한 비율로 이 전류를 조절한다. DC 보정 비트의 수가 크면 클수록, 최종 LED 휘도를 더욱 가깝게 일치시킬 수 있다. 6bit DC는 0mA부터 Rset 레지스터가 정한 최대 전류까지 64개 수준의 분리 전류를 공급한다. 이것은 1.59% 스텝의 포워드 전류를 제공한다. 7bit DC는 0.79%의 포워드 전류를 제공한다. 그림 2는 생산 패널의 도트 보정 전과 후의 휘도 수준을 보여주고 있다.
도트 보정 전에 모든 LED는 같은 포워드 전류를 가지고 있고 이것은 결국 휘도에서 2:1 변화량을 보이게 된다. 도트 보정을 구현한 후에는 LED 드라이버가 각각의 LED를 서로 다른 전류로 구동하여 결국 모든 LED의 휘도가 균일해진다. DC는 패널에서 가장 어두운 LED보다도 더 낮은 값으로 휘도를 낮추도록 설계되어 있다는 점에 유의해야 한다. 수 많은 패널들을 조합하여 커다란 하나의 디스플레이를 제작하는 생산 환경에서, 모든 LED의 휘도는 시스템에서 가장 낮은 LED에 설정되어 있거나 이보다 낮게 설정되어 있어야 한다. LED의 데이터시트에는 최소한의 휘도 범위가 반드시 제공해야한다.
또한 도트 보정은 전체 디스플레이의 휘도를 디밍하는 데에도 사용될 수 있다. 최대 밝기는 햇빛이 밝은 정오의 실외 환경에는 잘 맞을 수 있지만, 이와 동일한 휘도가 야간이나 실내 감상에서는 압도적일 수도 있다. 전체 패널 디밍은, 모든DC 값을 이전 값에 대한 한 비율로 낮춤으로써 달성할 수 있다. DC기능을 가진 IC를 사용하더라도 DC 기능은 이용하지 않는 시스템의 경우, 모든 DC 값을 최대값의 절반으로 프로그래밍하여 50% 휘도를 달성할 수 있다. 7bit 도트 보정된 LED 드라이버에서는, 모든 DC 값을 127에서 63으로 낮추면 50% 휘도가 달성된다. DC를 사용할 때 LED의 포워드 전류는 다음의 방정식으로 결정된다:
I_LEDx=Imax*DCx/2^n
여기에서:
- Imax 는 Rset이 설정한 최대 출력 전류
- DCx 는 출력 x에 대한 도트 보정 값
- n 은 도트 보정의 비트 수
위의 예를 사용했을 때, Imax 가 40mA이고 DC가 63이면, 모든 LED 전류는 40mA * 63 / 127 = 19.84mA 로 설정된다.
시스템이 이미 DC 기능을 사용하여 균일한 패널 휘도를 달성하고 있는 경우에도 DC를 디밍에 사용할 수 있다. DC 값을 원래 값의 절반으로 프로그래밍하면 50% 디밍이 달성된다. 7bit DC LED 드라이버를 사용하는 예에서, 108의 DC 값을 가진 LED가 그 전류를 균일한 패널 휘도를 위한 보정 값으로 설정해야 하는 경우, 새 DC 값을 54로 프로그래밍하여 50% 휘도로 디밍을 할 수 있다.
DC를 사용해 도트 보정된 패널을 디밍하는 방법의 단점은, 휘도 매칭에 이용할 수 있는 비트의 유효 숫자가 줄어든다는 점이다.
휘도 제어
최대한의 패널 디밍을 허용하면서 휘도 매칭을 엄격하게 유지하기 위해, 하이엔드 LED 드라이버에는 전체 패널 디밍과 분리된 별도의 DC가 들어 있고 휘도 제어(brightness control, BC)를 위한 별도의 레지스터 세트가 제공된다. DC처럼 BC도 아날로그 디밍을 통해 구현된다. 이 둘의 차이점은 DC가 각각의 LED를 독립적으로 디밍하는 데 반해, BC는 수 많은 LED를 동시에 디밍한다는 점이다. DC레지스터와 BC 레지스터의 숫자 및 구성은 IC에 좌우된다.
예를 들어, 8개 LED로 이루어진 세 개의 별도 뱅크를 구동하도록 설계된 24 채널 LED 드라이버, TLC5951에는 24개의 DC 레지스터가 들어 있다(LED 한 개당 하나씩).? 여기에는 LED 뱅크 한 개당 하나씩, 세 개의 BC 레지스터가 들어 있다.? 이것은 같은 컬러의 16개 LED를 구동하도록 설계된 16 출력 LED 드라이버 TLC5943과 대비된다. TLC5943에는 16개 내부 DC 레지스터가 들어 있다.? 여기에는 모든 16개 출력을 동시에 디밍하는 단 한 개의 BC 레지스터가 들어 있다.? DC 기능과 BC 기능을 분리하면, LED 휘도 매칭을 정밀하게 제어할 수 있으면서, 동시에 최대 패널 디밍도 가능해진다. DC와 BC를 모두 가지고 있는 IC에서 LED 전류는 두 개 레지스터 값의 조합으로 결정된다:
I_LEDx=Imax*(DCx/2^n)*(BC/2^m)
여기에서:
- Imax 는 Rset이 설정한 최대 출력 전류
- DCx 는 출력 x에 대한 도트 보정 값
- n은 도트 보정의 비트 수
- BC 는 전체적인 휘도 값
- m 은 휘도 보정의 비트 수
PWM 디밍
정밀한 휘도 제어는 고화질 비디오에 필요한 하나의 부품이다. 두 번째 부품은 정확한 컬러 매칭이다. 이전 세대의 디스플레이는 아날로그 디밍으로 LED 휘도를 설정해 컬러 혼합을 했었고, 이것은 컬러 품질에 부정적인 영향을 주었다. 그림 3 은 포워드 전류가 변할 때 LED의 컬러 변환을 보여주고 있다. 그림 3에서 “진짜” 녹색 LED는 이 특정 LED에서 자신이 컬러를 최대 휘도, 즉 20mA 로 규정하고 있다. 아날로그 디밍을 이용해 25% 휘도를 달성하려면, 5mA의 포워드 전류가 필요하다. 이것은 컬러 스펙트럼을 525nm 에서 531nm으로 변환시킨다. 그러면 진짜 컬러 표현을 요구하는 디스플레이에서는 용인하기 어려워질 수 있다.
PWM(Pulse Width Modulation) 디밍 또는 그레이스케일 PWM 디밍은 디밍 LED와 연관된 컬러 변환 문제를 없애준다. 이런 유형의 디밍은 휘도가 감소된 상태에서도 정확한 LED 컬러를 유지한다. 이것은 고화질 비디오를 렌더링하는데 반드시 필요하다. PWM 디밍은 LED의 휘도 수준에 관계없이 LED에 일정한 전류를 유지함으로써 LED 컬러 변환 문제를 없애준다. 컬러 디스플레이에서 각각의 픽셀은 적색, 녹색, 청색의 세 개 LED로 만들어진다. 적색, 녹색, 청색 LED를 동시에 박동시키고 혼합하는 방식으로 픽셀은 최대 687억 컬러까지 만들어낼 수 있다. 다음의 예로 PWM 디밍을 설명한다.
이 예에서는 단순하게 PWM 디밍을 단 세 개의 비트로 가정하고 있다. 세 개의 비트는 23 = 8 셰이드와 같다. 따라서 0스텝부터 7스텝까지 어느 PWM 그레이스케일 스텝에서도 “on” 상태를 유지하도록 각각의 LED를 프로그램할 수 있다. 각각의 비디오 프레임은 모든 LED가 “off”인 채로 시작된다. 최초의 PWM 클록의 시작하는 에지에서, 그레이스케일 값이 0으로 프로그램된 것만 빼고, 모든 LED는 “on”이 된다. IC는 PWM 클록-사이클이 시작될 때마다 그레이스케일 카운터를 증가시킨다. 각각의 LED는, PWM 그레이스케일 카운터가 그 LED에 대해 프로그램된 PWM 값을 넘을 때까지 on 상태를 유지한다.
이러한 과정이 그림 4에 나와 있다. 이것은 간단한 3bit PWM 디밍 컨트롤러의 파형과 블록 다이어그램(그림 5)을 보여주고 있다. 적색, 녹색, 청색 LED의 그레이스케일 값을 각각 7, 4, 1로 프로그래밍 하면, 화면에 주황색 픽셀이 만들어진다. 그레이스케일 값이 4로 프로그램된 녹색 LED는 최초 PWM 클록 사이클의 시작되는 에지에서 온(on) 상태로 켜진 후 네 번의 PWM 클록 사이클 내내 온(on) 상태를 유지한다. 이 3bit PWM 디밍의 예는 각각의 픽셀에 대해 23 * 23 * 23 = 512 컬러를 만들어 낼 수 있다. 이 연산을 TLC5943 같은16bit LED 드라이버로 확대하면, 216 * 216 * 216 = 281 조의 컬러가 나온다.
도트 보정, 휘도 제어, PWM 디밍을 모두 함께 적절히 사용했을 때 대형 화면의 이미지에 결점이 생기지 않는다. 이러한 사려 깊은 설계로 인해, 픽셀 대 픽셀 휘도를 올바르게 매칭하고, 디스플레이의 휘도를 주변의 빛 환경에 맞추고, 컬러 혼합으로 완벽한 이미지를 만들어내는 등의 관리와 노력에 대해 관객은 전혀 눈치 채지 못하고 대형 화면 속 재생 영상에 열광하게 된다.
참고 문헌
저자 소개
TI 전력 기구의 전원관리 애플리케이션 감독인 마이클 데이(Michael Day)는 전력변환 분야에서 16 년간 설계 경험을 가지고 있으며, 현재 마이클 데이는 TI에서 DC/DC 전력 애플리케이션 그룹을 담당하고 있다. 텍사스주 러벅의 텍사스 공과대학에서 펄스 전력의 공학학사 학위와 공학석사 학위를 받은 마이클 데이는 IEEE의 회원으로 전력과 휴대형 전력, 조명을 주제로 60여 편의 논문을 발표한 바 있다.? 이메일 ti_michaelday@list.ti.com.
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샘플 및 장바구니
