고휘도 LED(HBLED)가 효율이 향상되고 루멘/와트가 높아짐에 따라 자동차 외부 조명(주간용 전조등, 로우 빔, 하이 빔 등)이나 일반 조명 애플리케이션 등에 적합하게 되었다.
주요 LED 업체들이 최근에 80루멘/와트 이상의 HBLED를 출시함으로써 MR16 스포트라이트 같은 조명장치의 할로겐램프를 대체할 수 있게 되었다. 기존의 할로겐 광원에서 HBLED로 전환함으로써 전력을 현저히 절약하고 제품 수명을 연장할 수 있다.
시장조사 회사인 Strategies Unlimited에 따르면 고휘도 LED 시장이 앞으로 3~5년에 걸쳐 조명, 디스플레이 백라이팅, 자동차 애플리케이션 분야에서 성장하여 2011년에는 전체 시장규모가 90억 달러에 달할 것이라고 예측했다.

정전류가 필요한 LED
높은 루멘이 필요한 조명 애플리케이션에는 고전력 HBLED를 사용해야 한다. 이들 LED의 포워드 전류(forward current)는 350mA에서 1A 이상에 달한다. 포워드 전압 강하는 백색, 청색, 녹색 HBLED의 경우에는 2.8V에서 4.5V까지, 적색 및 황색 HBLED의 경우에는 2.3V에서 3.5V까지 변동된다. 일정한 색상 스펙트럼 및 휘도를 유지하기 위해서는 HBLED를 지정된 정격 전류로 구동해야 한다. HBLED를 전압 소스로 구동하고 전류를 직렬 저항을 이용해서 제한하면 부적합한 밝기 및 발광 스펙트럼의 불균일성을 초래할 수 있다.

선형 드라이버
가장 좋은 방법은 HBLED를 정전류 소스로 구동하는 것이다. 정전류 소스를 발생시키기 위한 가장 간단한 회로는 MOSFET을 HBLED와 직렬로 하고, HBLED 전류를 측정하고, 이를 기준전압과 비교한 다음, Op 앰프를 통해서 피드백하여 MOSFET의 게이트를 제어하는 것이다. 이러한 유형의 회로는 포워드 전압 및 전원 전압 변동에 상관없이 전류를 일정하게 유지하는 이상적인 전류 소스처럼 동작한다. 선형 HBLED 드라이버 IC인 MAX16806(그림 1)은 MOSFET과 고정밀 내부 기준전압을 내장되어 각각의 조명 장치 사이에서 균일한 휘도를 제공한다.


선형 드라이버의 전력 소비는 LED 전류를 내부 (또는 외부) 직렬 통과 소자 상의 전압 강하와 곱한 것에 해당된다. LED 전류 또는 입력 전압이 증가함에 따라서 전력 손실 또한 증가하므로 선형 드라이버의 사용을 제한한다. 조명장치의 전력 소비를 제한하기 위해서 MAX16806은 입력 전압을 측정하고, 전압이 사전에 프로그래밍된 레벨을 초과하면 LED 전류를 낮추어서 전력 소비를 낮추도록 한다. 이 기능은 비정상적으로 높은 배터리 전압 조건일 때 조명이 흐려질 수 있는 자동차 실내등이나 주간용 전조등(DRL) 같은 애플리케이션에서 스위치 모드 드라이버가 필요 없게 해준다.

스위치 모드 스텝다운/벅 드라이버


[그림 1] µC나 스위치 모드 컨버터가 불필요한 350mA 선형 LED 드라이버

스위치 모드 드라이버에 비해서 선형 드라이버를 이용할 때의 이점은, 선형 드라이버는 구현이 더 간단하고 고주파 스위칭을 이용하지 않으므로 EMI 문제가 발생하지 않는다는 것이다. 또한 외부 부품 수를 최소화하므로 전체적인 솔루션 비용이 낮다. MAX16806은 LED 스트링 상의 총 전압강하보다 단지 1V이상의 입력 전원으로 구동할 수 있다. 외부 감지 저항이 LED 전류를 측정하므로 MAX16806은 입력 전압 또는 LED 포워드 전압이 변동되더라도 전류를 일정하게 유지해준다.
입력 전압이 LED 스트링 상의 총 전압보다 높을 때는 MAX16820(그림 2)과 같은 스위치 모드 스텝다운/벅 컨버터 드라이버를 이용하는 것이 좋은 방법이다. 이는 조명장치의 전력 소비를 최소화하고 드라이버 효율을 극대화한다.


[그림 2] 하이 사이드 전류 감지 기능이 있는 스텝다운 2MHz 고휘도 LED 드라이버

HBLED를 구동하기 위해 널리 이용되는 범용 벅 컨트롤러와 달리 MAX16820 LED 드라이버는 히스테리시스 제어를 채택했다. 이는 제어 루프 보상을 이용하지 않으므로 설계를 간소화되고 부품 수도 더 줄어든다. 통합된 고전압 전류 감지 증폭기 및 최대 2MHz 스위칭 주파수는 공간과 부품 수를 줄여주어 에너지 효율적인 LED 기반 MR16 뿐만 아니라 전방 및 후방 자동차조명(RCL, DRL, 안개등/로우 빔 등) 애플리케이션 등의 광원에 적합하다.

스위치 모드 벅 부스트 또는 부스트 드라이버
입력 전원 전압이 LED 스트링 상의 총 전압보다 높거나 또는 낮게 변동할 때는 벅 부스트 드라이버 토폴로지를 이용한다(그림 3). 만약 입력 전압이 항상 LED 스트링 상의 총 전압보다 낮다면 부스트 컨버터가 필요하다.
 

[그림 3] 아날로그 및 PWM 디밍 제어를 이용한 고전압, 고전력 LED 드라이버

벅 부스트 구성에서는 LED 전류를 측정하고 레귤레이트하기 위해서 부동 전류 감지 증폭기가 필요하다. 또한 LED가 오픈(open)되거나 단락되었을 때 과전압 보호 등을 위해서 추가적인 보호회로가 필요하다. 벅 부스트 회로는 입력 전압이 콜드 크랭크(cold crank) 5.5V에서 더블 배터리 조건의 24V까지 변동될 수 있는 자동차 전방 조명 애플리케이션에 있어서 고전력 LED를 구동하기 위해 이상적이다. 이 드라이버는 또한 40V 이상의 부하 덤프 스파이크를 견딜 수 있어야 한다. MAX16831은 최소의 외부 부품 및 최대의 유연성으로 위의 요구들을 충족하는 완벽한 통합 드라이버이다.
 
LED 전류를 낮추면 LED 밝기가 낮아지나 발광 스펙트럼은 변화된다. 이 기법은 일부 애플리케이션에는 권장되지 않는다. 각기 다른 휘도에서 발광 스펙트럼을 유지하려면 DC 전류를 LED 업체에서 지정한 값으로 유지하고 특정한 주파수 및 듀티 사이클에서 전류를 초핑(chopping)하는 것이 좋은 방법이다. 디밍 주파수는 가시적 깜빡임을 방지하기 위해서 100Hz 이상이어야 한다. 디밍 범위는 LED 드라이버의 최소 듀티 사이클 성능에 의해 제한된다.
대부분의 LED 드라이버는 마이크로컨트롤러나 외부 타이머로부터 디밍 신호를 필요로 한다. MAX16806 및 MAX16831은 온보드 200Hz 램프(ramp)를 제공하는 LED 드라이버이다. 이들 소자는 외부 PWM 신호나 DIM 핀 상의 아날로그 전압을 이용해서 LED PWM 디밍을 제공할 수 있다. 이 기능은 일부 애플리케이션에서 마이크로컨트롤러를 필요로 하지 않는다.
적합한 HBLED 드라이버를 선택하려면 최적의 절충을 위해 LED 조명 시스템에 대한 이해가 필요하다. 이를 위해서는 입력 전압, LED 전류, LED 포워드 전압 및 이의 변동 등과 같은 기본적인 전기적 사양에서부터 시작해야 한다. 뿐만 아니라 안전성, EMI, 열 및 기계적 사양, 이용 가능한 보드 공간 역시 고려해야 한다. 선형 드라이버는 저비용의 구현이 편리한 EMI가 낮은 애플리케이션에 이용된다. 스위치 모드 드라이버는 고전력, 고효율 또는 넓은 입력 동작 전압 범위를 위해서 이용되나 부품 비용을 증가시키고 EMI 문제가 발생할 수 있다.