Led Driver Ic

LED 의 주요 특성 

Power Dissipation(PD) : LED 가 소비할 수 있는 최대 전력 

 

Continuous forward current(IF) : LED 에 인가할 수 있는 최대 전류 ( 주위 온도에 따라 Rerating 필요 ) Peak forward current(IFP) : Pulse mode 로 LED 점등시 LED 에 인가할 수 있는 최대 전류 

  

PD = Forward current(IF) x Forward voltage(VF)

Pulse width, duty ratio 에 의존적

Operating Temperature(Topr) : LED 를 정상적으로 동작 시킬 수 있는 주위 온도 범위 Storage Temperature(Tstg) : LED 특성 변화없이 보관 가 능한 저장온도 범위 Soldering Temperature(Tsol) : Soldering 조건

광 측정 단위 

광속 ( 루멘 : lm) : 광량 



광도 ( 칸델라 : cd) : 빛의 강도 



1 lx 란 1 ㎡의 면적 위에 1 루멘의 광속때의 조도

휘도 ( 니트 : cd/ ㎡ ) : 어떤 방향으로부터 본 물체의 밝기  



광원으로 부터 어떤 방향으로 있는가를 나타냄

조도 ( 룩스 : lx) : 빛이 비춰지는 단위 면적의 밝기 



광원으로부터 나오는 가시광의 총량

1 ㎡ 당 1cd 의 [cd/ ㎡ ] 휘도를 1nt 라고 함 조도가 단위 면적당 얼마만큼의 빛이 도달하고 있는가를 표시하 는데 비해 휘도는 그 결과 어느 방향으로부터 보았을 때 얼마만 큼 밝게 보이는가를 나타냄

램프 효율 (lm/W) : 램프의 전 광속을 소비전력으로 나눈 값

측정 관련 1 

스펙트럼 반치폭 (Spectrum half bandwidth)    

최대 발광강도의 ½ 의 강도를 가진 두 파장 사이의 간격 반치폭이 작을수록 사람의 색 감각과의 차이가 적다 사람의 눈은 555nm 의 빛에 대한 감도가 좋고 그보다 장 파나 , 단파로 될 수록 감도는 떨어진다 . 온도변화에 대한 스펙트럼 변위 

1℃ 온도의 상승에 따라 LED 방사 스펙트럼은 0.1~0.2nm 장파장쪽으로 변위하나 , 인간의 시감도상 색 의 변화는 거의 느낄 수 없음

측정 관련 2 

Radiation angle or half angle   

방사각 0 도에서의 광도가 ½ 이 되는 좌우 방사각 LED PKG or LED 형상에 따라 변화 광도와 반치각의 반비례 관계

측정 관련 3 

Luminous intensity (Iv[mcd])   



LED 를 어떤 정해진 방향으로 어떤 면에서 방사되는 빛의 단위 면적당 광속 칸델라 [cd], 루멘 / 스텔라디안 [lm/Sr] 단위 사용 광도는 각 발광파장에 맞추어 조정된 필터를 가진 단위 면 적의 Photo cell 로 LED 에서 방사된 빛의 강도를 계측 함 1[cd] : [cd] 단위는 Candle 에서 유래된 것으로 통상 촛불 한 개의 밝기를 의미

DW8520 특징   

    

- Buck converter topology LED drivers - Internal zener regulator - Constant frequency or constant off-time operation - Linear and PWM dimming capability - Open loop peak current controller - High efficiency up to 90% - Power down to 1mA maximum - Thermally enhanced 8-lead SOIC package

Buck converter 

Switch on 를 통하여 inductor 에 에너지를 공급하고 , off 를 통하여 공급된 에너지를 로드에서 사용하도록 만 든 회로 .

동작 기술 

Buck converter 의 동작은 크게 2 가지로 나눌 수 있음 . 



Continuous mode 



Continuous mode, Discontinuous mode Inductor 에 쌓이는 전류량이 0 으로 떨어지지 않은 상태 를 유지할 때의 모드

Discontinuous mode 

Inductor 에 쌓이는 전류량이 0 가 될 때의 모드

Continuous mode 1

• • • •

VL = Vi – VO (VD 는 역방향 바이어스로 전류가 흐르지 않음 ) 인덕터에 저장되는 에너지 : E = ½L * I2L VL = L(dIL/dt) ( Switch on : VL = VI – VO, Switch off : VL = -VO) On 일 때 전류 변화량 :

• Off 일 때 전류 변화량 : • On/Off 에서 생성된 전류량은 0 이 되어야 하기 때문에

Continuous mode 2 

앞의 전류 식을 풀어보면

• 위의 식과 그림에서 붉은색 라인의 VL 을 보면 알 수 있듯이 , Switch on 상태에서 인덕터에 충전되는 전류량에 의해서 VL 전압의 크기는 상 성하고 Switch off 상태에서는 전류의 방향이 바뀌어 전압의 위상이 180 도 바뀌게 되어 그림과 같은 형태를 가지게 됨

Continuous mode 3  







앞의 식

에서

이므로

를 만족하고 이 때 , D 는 duty cycle 이고 0 에서 1 까지 변하는 값이 된다 . D 에 대해서 풀어 보면 출력 전압은 결국 입력 전압과의 선형적 비례관계에 있고 , D 의 값이 0 에 서 1 까지 변하는 수이기 때문에 Vo 는 Vi 값을 넘을 수는 없게 된다 . Ex)  입력 전압이 12V 이고 출력 전압을 3V 로 떨어뜨리고 싶다면 , D 의 값을 25% 로 하면 될 것이다 . 즉 Switch on 되는 시간을 25% Switch off 되는 시간을 75% 로 하면 출력은 3V 가 될 것이다 .

Discontinuous mode 

Switch on 에서 충분히 에너지를 충전

•

• 인덕터에 흐르는 평균 전류

• 출력전압 : •충전된 에너지가 Off 시간동안 빠져나가면서 부하에 출력되어야 하지만 , 위의 그림에서와 같이 Off 시간 전체가 아닌 중간에 다 빠져 나가서 인덕터 의 전압이 0 가 되었을 때 모드를 말함

Continuous vs Discontinuous 

Continuous mode



Discontinuous mode

Ideal environment 

앞의 Buck converter 의 회로 동작은 이상적인 상황에 서의 동작으로 다음과 같은 가정을 하였음 

 

출력 capacitor 는 출력쪽 부하에 어떤 variation 없이 그대로 전달 할 수 있는 큰 용량을 가지고 있음 Diode 에 순방향 Bias 가 결렸을 때의 전압강하 무시 Diode 또는 Switch 에 의해서 생기는 손실 무시 ( Switch on/off 시 생기는 출력 ripple 무시 )

Output voltage ripple 

입력 전압에 대한 출력 전압에서의 ripple 은 여러가지 factor 에 의해서 생길 수 있음    

Switching 시 생기는 frequency 출력 capacitor 의 charging/discharging time Inductor 의 에너지 저장 시간 부하 제어 및 전류 제어에 따른 제어 회로 특성

Output voltage ripple 

Output capacitor 와 Switching frequency 

출력 전압 :



Switch on 에서의 TON :



Switch off 에서의 TOFF :

• 출력 전압의 ripple 을 줄이는 방법  Switching 주파수를 높임  출력 Capacitor 크기를 증가

Efficiency 1

Efficiency 2 

Conduction losses that depend on load:    



Resistance when transistor is conducting. Diode forward voltage drop Inductor winding resistance Capacitor equivalent series resistance

Switching losses:   

Voltage-Ampere overlap loss Frequencyswitch*CV2 loss Reverse latence loss

Efficiency 3 

효율에 가장 큰 변수는 Switching 에서 발생하는 주파수



VSWITCH 는 power switch 에서의 전압 강하



VSYNCHSW 는 동기 switch 또는 diode 에서의 전압 강하



VL 은 inductor 에서의 전압강하



RON 은 Switch(MOSFET) 의 ON-resistance



RDCR 은 Inductor 의 DC-resistance

Efficiency 4 

Switch 에서의 Power leakage



Switch Power

• 위의 식에 따라 switch 에서의 power 소모는 rising 및 falling 시간의 크기에 비례하게 된다 . Switch power 를 줄이기 위해서는 MOS 의 스위칭 속도를 높이는 것인데 , 이렇게 스위칭 속도를 높이게 되면 출력의 Ripple 이 심하게 됨 .

Zener regulator 

회로에 흐르는 전류량이 작을 경우 소스쪽 저항과 제너 다이오드를 사용하여 정 전압을 발생하는 회로를 구성할 수 있음 





R1 은 제너 다이오드에 큰 전류가 흐르지 않을 정도의 크기가 되어야 하고 또한 다이 오드에 일정한 전류가 흐를 수 있는 크기의 저항 제너 다이오드는 출력 전압의 크기와 같은 항복전압을 가지고 있어야 하며 흐르는 전 류의 크기를 계산하여 diode 가 파괴되지 않도록 파워 결정

동작  



로드와 다이오드 사이에 걸리는 전압은 병렬이므로 VD 와 VR2 의 접압크기는 같음 VS 전압은 다이오드에 역방향으로 걸리기 때문에 제너 다이오드의 항복 전압크기에 따라서 R2 에 걸리는 전압이 결정됨 Simple zener regulator 는 제너 다이오드를 보호할 수 있는 회로가 없기 때문에 제너 다이오드에 흐르는 전류가 제너다이오드를 파괴하지 않는 정도의 범위를 가지는 곳에서 사용할 수 있음 low current source 일 경우

 다음주 과제  



효율 개선 할 수 있는 방법에 대한 자료 정리 Zener regulator 이외의 효율을 개선을 위한 regulator 자료 조사 아래의 DW8520 특징들이 왜 중요한지 ? 그리고 어떤 의미를 가지는지에 대한 정리 . 

    

- Constant frequency or constant off-time operation - Linear and PWM dimming capability - Open loop peak current controller - High efficiency up to 90% - Power down to 1mA maximum - Thermally enhanced 8-lead SOIC package