[Contributed Article]

C2000™ 마이크로컨트롤러 (MCU)로
다중 LED 스트링을 제어하는 방식

Daniel Chang, Brett Larimore / C2000 MCU 시스템 및 애플리케이션 엔지니어
Patrick Carner / C2000 MCU 마케팅 매니저
텍사스 인스트루먼츠 (Texas Instruments)

개요
점점 더 많은 애플리케이션들이 LED 기술을 구현함에 따라, 개발자들은 LED 수를 늘리면서 시스템 비용은 스트링이고 전력효율은 높여야 하는 문제에 직면해 있다. 다중 스트링의 LED를 필요로 하는 시스템의 경우, TI는 전력 스테이지 토폴로지 설계 및 디지털 컨트롤 방식이 서로 다른 두 가지 솔루션 사례를 제시하고 있다. 본 고에서는 다중 스트링의 LED를 효율적으로 구동하여 시스템 비용을 스트링이고 운영비를 낮추면서 컬러 정확도를 증가시켜 전체적으로 신뢰성을 높일 수 있는 서로 다른 LED 드라이버 토폴로지 및 디지털 컨트롤 방식에 대해 검토한다.

LED 기술이 진화를 거듭하면서 높아진 전력효율과 비용절감으로 인해 LED를 사용하는 방법의 수도 증가하기 되었다. 또한 시스템들은 더욱 많은 종류의 LED들을 사용하고 있으며 최적의 성능과 효율, 컬러 정확도를 달성하기 위해 그들 각각을 따로 구동해야 한다. 오토모티브의 경우, 헤드라이트, 하이빔, 안개등, 코너링 라이트 등 다양한 곳에 LED가 사용되고 있으며, 각자 필요한 LED의 종류도 다르고, LED의 숫자도 다르다.

개발자는 서로 다른 전력 스테이지 토폴로지와 컨트롤 방식을 이용하여 다중 스트링의 LED를 구동할 수 있다. 각각의 토폴로지와 컨트롤 방식은 애플리케이션에 따라 저마다 고유의 장점을 가지고 있다. 두 개의 공통 LED 라이팅 설계 구현을 선보인 TI는 실시간 컨트롤 C2000 Piccolo™ 아키텍처에 기초하여 두 개의 LED 라이팅 개발자 키트, 즉, DC/DC LED 라이팅 개발자 키트와 멀티 DC/DC 컬러 LED 개발자 키트를 내놓았다. TI의 업계 선도적인 개발 소프트웨어 및 툴을 함께 사용할 경우, 엔지니어는 이 키트들을 이용해 다양한 라이팅 애플리케이션의 개발시기를 앞당길 수 있다.

전력 스테이지 토폴로지와 컨트롤 방식
오늘날 LED 라이팅 산업에서 사용되는 공통 전력 스테이지 설계 토폴로지와 디지털 컨트롤 방식에는 몇 가지가 있다. 각각의 설계 구현과 컨트롤 방식은 저마다의 장점과 이유를 가지고 있다. TI는 이들 전력 스테이지 설계 토폴로지 중 두 가지와 이에 수반되는 컨트롤 방식 두 가지를 C2000 LED 라이팅 개발자 키트를 이용해 소개하고자 한다.

그림 1은 DC/DC LED 라이팅 개발자 키트에서 사용된 단수 공유 전력 스테이지의 전력 토폴로지이다. 이 토폴로지는 피콜로 MCU를 이용해 단 하나의 유연 SEPIC DC/DC 전력 스테이지를 제어하고, 8 개의 별도 LED 디밍 스테이지로 같은 종류와 같은 길이의 LED 스트링을 제어한다. SEPIC은 다이내믹 토폴로지로 고전압(최대 48V)을 움직일 수 있고, 적절히 드라이브 전압을 스텝업하거나 스텝다운할 수 있다. 이러한 컨트롤 토폴로지를 통해 개발자는 정확하고 독립적으로 같은 종류/길이 LED 스트링의 광도와 색온도를 제어할 수 있다.

그 다음으로 그림 2는 멀티 DC/DC 컬러 LED 라이팅 개발자 키트에서 사용된 것처럼 다양한 길이와 다양한 종류의 LED 스트링에 대해 복수 전력 스테이지 토폴로지를 보여주고 있다. 이 토폴로지는 단 하나의 피콜로 MCU를 이용해 두 개의 SEPIC DC/DC 전력 스테이지를 제어하고, 컬러 LED 구동을 위한 6 개 부스트 DC/DC 전력 스테이지를 제어한다. 이러한 다용도 토폴로지를 이용해 개발자는 길이와 종류를 달리하여 LED를 최대 8 스트링까지 지원할 수 있다. 예를 들어, 싱글 피콜로 디지털 LED 컨트롤러는 두 개의 화이트 LED 스트링과 2 세트의 RGB 스트링으로 이루어진 시스템을 포함해 최대 8 스트링의 LED를 구동할 수 있다. (예: 각각의 RGB 세트는 적색, 녹색, 청색 LED 스트링으로 구성되어 있다).

두 개의 토폴로지는 LED 스트링을 구동할 때 서로 다른 방식을 필요로 한다. 다중 스트링을 구동하는데 단 하나의 전력 스테이지만 이용할 수 있다면, LED의 “on” 전압 바이어스는 전력 스테이지를 통해 바뀌면서 원하는 LED 색조와 효율을 달성한다(그림 3a 참조). 개별 스트링의 디밍(그림 3b 참조)은 PWM (pulse width modulation)을 이용한 가변적 듀티사이클에서 LED 전류의 on과 off를 번갈아 바꾸면서 달성된다. 그 다음으로, 각각의 스트링마다 독립적인 전력 스테이지를 가지고 있는 경우, 그 LED는 평균 전류 모드 컨트롤을 이용해 구동된다. 이러한 방식일 때 전류는 한 스트링으로 되어 있는 LED 각각을 연속해서 흐른다. 전압을 직접 바꾸는 대신에 각 전력 스테이지마다 전류가 바뀐다. (그림 4 참조) 디밍은 LED를 흐르는 평균 전류를 낮추고 올리는 방식으로 달성한다. 컬러 믹싱은 LED 적색 스트링, 녹색 스트링, 청색 스트링에 대해 각각 전류 레벨을 개별적으로 조절하여 제어한다. 이 LED들의 전체 출력으로 원하는 컬러 레벨이 만들어진다. 정확한 컬러 컨트롤을 유지하면서, 서로 연결되어 있는 세 개의 RGB 스트링을 동시에 디밍하여 휘도를 달리할 수 있다.

다중 스트링의 LED 구동
하나의 공유 전력 스테이지를 사용할 것인지 복수의 개별 전력 스테이지를 사용할 것인지 결정을 할 때 고려해야 할 설계요소들이 많다.  LED 출력은 LED 스트링에 적용되는 전압과 전류에 의해 결정되고, 특정 스트링의 LED에 필요한 최적의 드라이브 레벨에는 몇 가지 요소들이 영향을 미친다:

LED 종류: 각각의 LED 종류들(예: 350mA 또는 1A LED)은 저마다의 휘도/전압 곡선을 가지고 있기 때문에 개발자가 이를 반드시 고려하여야 정확하게 휘도를 관리할 수 있다. 제조사가 다른 LED라면 전류 등급이 같아도 곡선은 다를 수 있다.
스트링 길이: LED 수가 서로 다른 두 개의 스트링은 설령 LED 종류가 같고 같은 상자에서 나온 것이라도 드라이브 요건이 달라진다.
LED 컬러: 적색, 녹색, 청색 LED 세 쌍을 사용하여 컬러를 혼합하는 애플리케이션의 경우, 각각의 컬러 LED마다 최적의 작동전압을 가지고 있다.
LED 변화: 제조공정 때문에 LED 간에 차이가 생길 수 있다.  정밀하게 생산되는 LED는 고가에 매입될 수 있다(예: 상자에 넣음). 또, 이러한 차이를 보정하기 위해 한 스트링의 작동전압을 동적으로 조정할 수 있다.

일반적으로, 도시 조명나 산업 라이팅 애플리케이션과 같은 단 한 가지 종류의 LED만 사용하는 애플리케이션은 LED의 수와 종류가 일정하다는 점에서, 단일 전력 스테이지 토폴로지로도 충분할 수 있다. 또한 단일 전력 스테이지 토폴로지는 LED 스트링을 많이 사용하고 있을 때 아날로그 부품을 통합할 수 있는 훌륭한 방법이기도 하다. 예를 들어 TI의 피콜로 LED 키트에서 사용된 것과 같은 싱글 컨트롤러의 경우, 같은 종류의 LED 8스트링을 효율적으로 관리할 수 있다.

반면, 대다수의 애플리케이션에서는 복수의 독립적인 DC/DC 공급들이 각자 따로 LED 스트링을 구동하는 토폴로지가 더 나을 수도 있다. 예를 들어, 한 시스템에 속해 있는 LED 스트링들이 서로 길이나 종류가 다른 경우, 단일 전력 스테이지에서 작동을 하게 하려면 드라이브 전압을 각각의 스트링 규격에 맞추어 조정해야 한다. 특정 스트링에서 이 전압을 떨어뜨리면 다른 스트링들의 전력효율이 하락하거나 최적의 컬러 제어를 하지 못할 수 있다.

정확한 컬러 믹싱
컬러 정확도의 값은 애플리케이션마다 달라진다. 자동차 실내 라이팅의 정확도는 운전자가 취향에 맞추어 컬러를 조정할 수 있다면 중요하지 않을 수도 있다. 그러나 라이팅에 특정 컬러를 반영해야 하는 경우라면 정확도가 매우 중요해진다. 또한 화이트 LED만 사용하고 있더라도 정확도는 중요할 수 있다. 예를 들어 제논 헤드라이트의 경우 지나치게 노란색이거나 지나치게 보라색일 수 있다. 이러한 부정확성은 바람직하지도 않고(예: 보라색 헤드라이트는 다른 운전자들의 주위를 흐트러뜨린다), 제품의 수명에도 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

단일 전력 스테이지 토폴로지를 사용할지, 복수 전력 스테이지 토폴로지를 사용할지에 관한 결정은 유지관리와 리스크에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 형광등을 교체하는 간단한 라이팅 애플리케이션은 모두 동일한 광 모듈을 사용한다.  단일 전력 스테이지를 사용하면 유지관리 비용을 낮추는데 도움이 될 수 있다. 그 전력 스테이지 회로는 메인 컨트롤러 안에 위치하게 될 것이고, 각각의 광 모듈은 주로 외피와 LED들로 구성되기 때문이다. 그러나 단일 전력 스테이지는 그것과 연결된 수 많은 광 모듈에게 단 하나의 장애 요소가 되기도 한다. 그렇다면 반대로 높은 신뢰도를 요구하는 시스템이라면 복수의 전력 스테이지 토폴로지에 의존할 수 있을 것이다. 장애는 오직 한 개의 라이팅 모듈만을 못 쓰게 만들기 때문이다. 그러나 이러한 중복은 광 모듈 교체 비용을 증가시킨다. 전력 스테이지 회로가 광 모듈의 일부이기 때문이다.

전력 스테이지 설계의 간소화
전력 스테이지 설계는 TI의 레퍼런스 디자인과 소프트웨어 툴을 사용하면 비교적 수월한 편이다. TI는 개발자가 특정 LED 종류와 한 스트링에 사용되는 LED의 수에 맞추어 전력 스테이지를 최적 수정할 수 있도록 레퍼런스 디자인을 제공하고 있다. 개발자는 사용 중인 LED의 휘도/전압 곡선을 공급하고 고정밀 ADC를 이용해 컨트롤러로 하여금 전류 및 전압 수준을 감지하게 함으로써 미세 조정된 전력 스테이지를 만들어내어 파라미터를 추가로 조정할 수 있다. 더욱이 매스웍스(Mathworks)의 툴, 파워심(Powersim)의 PSIM, VisSim의 임베디드 컨트롤 개발자는 모두 피콜로 아키텍처를 지원하고 전력 스테이지 설계를 용이하게 해준다.

디지털 LED 컨트롤의 장점
TI의 피콜로 MCU 아키텍처는 LED 애플리케이션에 이상적이다. 유연한 LED 드라이브 컨트롤이 가능하다는 점 외에도 피콜로 MCU는 수많은 라이팅 애플리케이션에서 점점 더 중요성이 더해가고 있는 고급 기능들을 구현할 수 있는 역량을 가지고 있다:

온도 감지: 통합 ADC를 통해 피콜로 MCU는 간단히 LED 작동 온도를 감시할 수 있다. 온도가 상승하면 LED 효율이 떨어진다. 또한 컬러 믹싱 애플리케이션의 경우, 온도가 LED 컬러에 영향을 미친다. 온도 감지 기능을 통해 디지털 컨트롤러는 LED 드라이버 알고리즘을 조정하거나 팬 같은 다른 시스템 구성요소를 활성화시킴으로써 변화하는 온도를 동적으로 보정할 수 있다.

그린 작동: 시스템은 보다 복잡한 컨트롤 알고리즘을 구현하여 전력효율을 최적화하려고 다양한 감지 기법들을 사용하고 있다. 예를 들어 어떤 시스템은 이용 가능한 주변의 빛을 기준으로 LED 드라이브 수준을 동적으로 조정할 수 있다. 전력소비가 낮아지면 열 소산도 낮아져 운영비가 절감되고 장기적인 신뢰도가 높아진다.

시스템 조율과 통신: 장식용 라이트를 점멸하는 것부터 차량의 코너링 헤드라이트나 하이엔드 무대라이팅을 활성화하는 것까지 수 많은 LED 기반 시스템에는 지능적인 라이팅 컨트롤은 필수적이다. 개발자는 CAN, DMX, 전력선 통신(power line communications, PLC) 등 다양한 일반 통신과 애플리케이션 특화 통신을 구현할 수 있다.  LED를 디지털 컨트롤하는 경우 통신 인터페이스로 라이팅 시스템을 원격 관리할 수 있고 다양한 고급 활용 모델을 접할 수 있다.

프로그래밍: 프로그래머블 아키텍처를 통해 개발자는 시간 집약적이고 값비싼 시스템 하드웨어의 재설계 없이도 기존 아키텍처에 계속해서 새로운 기능들을 도입할 수 있다. 또한, 프로그래밍은 통신 인터페이스를 이용할 수 있는 경우 간단한 필드 업그레이드도 가능하다. 따라서 기술자가 실제로 방문하지 않아도 시스템을 업데이트 할 수 있다.

컬러 교정: LED의 출력은 온도와 시간에 따라 달라진다. 오랫동안 정확한 컬러 믹싱을 제공하려면, 온도 변화를 보정하도록 피콜로 기반 라이팅 시스템을 프로그램하거나 작동전압을 조정하여 노후 부품의 기능 퇴화를 보정하도록 프로그램하면 된다.

높은 신뢰도: 개발자는 고장 탐지, 알람 통보 등의 기능을 도입하여 신뢰도도 높이고 유지관리비용도 줄일 수 있다.

통합 기능: 피콜로 디지털 LED 컨트롤러는 여러 가지 애플리케이션에서 요구되는 다양한 온칩 주변장치들을 통합함으로써 시스템 크기와 복잡함을 줄였다. 예를 들어, 고해상도 ADC는 모터 및 전력 컨트롤 애플리케이션을 위해 정확한 전류 전압 감지를 지원하고 있다.

적응성: 피콜로 디지털 LED 컨트롤러는 변화하는 시장 환경과 급변하는 고객의 요건과 진화하는 표준을 반영하기 위해 충분한 성능 여유를 제공하고 있으며, 미래에도 경쟁력을 갖춘 설계를 내놓을 수 있고 설계 투자를 보호할 수 있다. 또한 TI는 새롭게 등장한 애플리케이션에 맞추어 마이크로컨트롤러의 범위를 확대함으로써 제조사들이 신속하고 비용효율적으로 새로운 기회를 포착할 수 있도록 하고 있다.

단일 및 복수 전력 스테이지 토폴로지는 다중 스트링의 LED를 효율적으로 구동하는데 효과적인 방법이다. DC/DC LED 라이팅 개발자 키트와 멀티 DC/DC 컬러 LED 개발자 키트를 이용해 TI는 개발자에게 전력 스테이지 토폴로지를 단일로 구현할 지, 복수로 구현할 지 선택권을 주고 있으며 동시에 LED 라이팅 컨트롤을 위한 다양한 방법론을 제시하고 있다. 어느 쪽 방식이든 대부분의 라이팅 시스템에 잘 맞지만, 특정 애플리케이션에 따라 각자 저마다의 장점은 가지고 있다. 피콜로 F2802x 시리즈 마이크로컨트롤러 각각은 최대 8 스트링까지 LED를 각자 제어할 수 있으며, 사용된 전력 스테이지 설계에 따라 한 스트링 당 LED 수가 얼마이든 상관 없이 사실상 전부 다 구동할 수 있다.

TI 디지털 LED 컨트롤러는 변화하는 애플리케이션 요건에 맞추어 최고의 유연성과 적응성을 제공하고 있다. 또한 TI는 수 년에 걸친 시스템 레벨의 전문지식이 뒷받침된 다양한 아날로그 부품과 광범위한 개발 툴, 다양한 애플리케이션 소프트웨어 등으로 개발자에게 완벽한 LED 라이팅 솔루션을 제공하고 있다. 피콜로 MUC를 이용하여 개발자는 제품 가격, 크기, 복잡성, 전력효율, 정확도, 신뢰도, 유지관리성, 성능 등이 균형을 이루도록 설계함으로써 최적의 시스템을 만들 수 있다.

표 1: LED 라이팅 개발자 키트: 주요 기능 및 장점

그림 1 – SEPIC DC/DC 전력 스테이지를 사용하여 전압 레일을 적절히 벅 또는 부스트하는 F28035 MCU는, 같은 길이와 같은 종류의 LED를 최대 8스트링까지 구동할 수 있다.

그림 2 – 피콜로 F28027 MCU는 길이와 종류가 다른 LED 스트링을 최대 8스트링까지 구동할 수 있다. 각 LED 스트링마다 별도의 전력 스테이지를 사용함으로써 F28027은 각 LED 스트링의 컬러 톤과 휘도를 각기 따로 제어할 수 있다. 복수 전력 스테이지 토폴로지를 사용하면, 컬러 믹싱과 다양한 라이팅 옵션을 필요로 하는 애플리케이션에 최고의 제어능력과 유연성이 제공된다.

그림 3 –단일 전력 스테이지 토폴로지에서 다중 스트링의 LED 스트링을 구동할 때, (a) LED “on”전압 바이어스가 그 전력 스테이지를 통해 바뀌면서 원하는 LED 색조와 효율이 달성된다.