Study of a LED Driver for Extension of Color Gamut

색 영역의 확장을 위한 LED 구동회로에 대한 연구

Abstract

This paper proposes a hybrid LED driving circuit and its control method for extension of the color gamut of LED. The proposed hybrid LED driving circuit provides the constant current by switching regulation in the high current and by linear regulation in the low current through LED. Furthermore, the magnitudes of the high current and low current were controlled by CC(Continuous Current) control method and PWM(Pulse Width Modulation) control method, respectively. We experimentally confirmed that the current through RGB LED is linearly controlled to 2% maximum current ratio by varying PWM in the proposed driving circuit and control method. As a result of the measurement of the output light color in CIE1976 chromaticity coordinates, we confirmed that the color, which not be expressed by the existing method, uniformly expressed. We confirmed that the color, which can not be expressed by the existing method, was uniformly output and verified that the color gamut was expanded by the low current controlled by the proposed driving circuit and control method.

본 논문에서는 LED의 색 영역을 확장하기 위해서 Hybrid LED 구동회로와 제어 기법을 제안하였다. 제안된 Hybrid LED 구동회로는 고 전류에서는 스위칭 레귤레이션 동작을 하고 저 전류에서는 리니어 레귤레이션 동작을 함으로써 LED에 일정한 정 전류를 공급하였다. 또한 고 전류와 저 전류의 크기를 각각 CC 제어기법과 PWM 제어기법으로 제어하였다. 제안된 구동회로와 제어 기법으로 RGB LED 각각의 전류를 가변하였고, 전류가 최대 전류대비 2%까지 선형적으로 제어됨 실험을 통해 확인하였다. 게다가 출력된 광색을 CIE1931 색도좌표로 측정하였다. 그 결과 기존의 표현할 수 없었던 색이 균일하게 출력됨을 확인하였으며, 제안된 구동회로와 제어 기법이 저 전류제어가 가능함으로 색 영역 확장이 가능함을 증명하였다.

Ⅰ. 서 론

HD(High Definition) 방송 이후 고화질 방송을 경험한 소비자들은 사실감과 현장감을 제공하는 실감형 방송에 대한 요구가 높아졌고, 정부도 차세대 방송분야 성장 동력으로 UHD(Ultra High Definition) 방송을 선정하여 2018년까지 사용화 목표로 현재 한국방송공사 KBS(Korean Broadcasting System)에서 UHD 시험방송을 진행 중에 있다. UHD는 자연스러운 영상을 재현하기 위해 초당 프레임 최대 120 프레임으로 증가시키고 있다. 또한 보다 정밀한 표현을 위하여 색 표현 범위가 넓고, 화소 당 비트의 수를 늘렸으며 시야각을 넓혀 실감적인 화면을 제공해야한다[1,2].

LED의 광 출력 특성은 순수 진성반도체에 불순물의 도핑농도에 따라 결정된다[3]. 그러나 제조 공정에서 도핑농도를 균일하게 만들 수 없으므로 LED의 광 출력 편차가 발생한다. LED 제조사들은 동일한 전기적 특성을 갖도록 반도체를 만드는 것이 아니라, 전기적 광학적 검사 기준에 따라 LED를 분류하여 사용자에게 공급하고 있다. 이런 제조 공정상의 오차로 LED는 일정 전류 이하에서 불균일한 광량을 출력하므로 그림 1의 그래프와 같이 일정 전류 이하에서 출력되는 광량 데이터를 제공하지 않는다[4]. 이 때 LED에 흐르는 전류는 연속적인 전류의 크기를 의미한다.

그림 1.White LED의 전류-상대조도 곡선 Fig. 1. Relative luminous flux versus forward current curve of white LED

RGB LED를 일정 전류 이하로 구동하여 출력되는 광색을 제어하면, 조명시스템 사이에 색 오차가 발생하기 때문에 이 영역에서의 광색과 광도를 제어하지 않는다.

그림 2는 CIE1931 색 공간에서 HD 방송과 UHD 방송의 표현 가능한 색 영역과 LED를 사용하여 표현 가능한 색 영역을 나타낸다[5,6]. 그러나 저 전류 이하로 LED는 제어되지 않기 때문에 아래와 같이 일정 영역의 색을 표현 할 수 없고, 특히 저 전류 영역에서는 모든 색을 표현할 수 없다.

그림 2CIE1931 색 공간에서 색 표현영역 Fig. 2 Color gamut in CIE1931 color spaces

본 연구에서는 이 저 전류 영역에서도 제어가 가능한 조도제어기법을 제안하고 이를 구현하기 위한 구동회로를 설계하였으며, 기존의 색 제어 영역보다 넓은 색을 표현하였다.

 

Ⅱ. 제안된 Hybrid LED 구동회로

본 장에서는 제안된 Hybrid LED 구동회로의 동작원리에 대해 설명하고, 제안된 구동회로를 설계한다.

제안된 Hybrid LED 구동회로는 그림 3과 구성된다. 이 구동회로는 단일 MOSFET를 이용하여 두 가지 레귤레이션 동작을 구현하였다. LED에 흐르는 고 전류는 스위칭 레귤레이터 제어회로가 동작하여 스위칭 레귤레이션 동작으로 정 전류 제어되며, 저 전류는 리니어 레귤레이터 제어회로가 동작하여 리니어 레귤레이션 동작으로 정 전류 제어된다. 스위칭 레귤레이션을 위해 MOSFET를 포화 영역(Saturation Region)에서 구동시켜 스위치로서 사용하고, 리니어 레귤레이션을 위해 MOSFET를 저항 영역(Resister Region)에서 VCR(Voltage Control Resister)로서 동작한다.

그림 3.제안하는 Hybrid LED 구동회로 블록도 Fig. 3. Block diagram of a proposed method for hybrid LED actuation circuit

1. Hybrid LED 구동회로의 동작원리

Hybrid LED 구동회로는 LED에 흐르는 전류의 크기에 따라서 고 전류 제어 모드와 저 전류 제어 모드로 구분된다. 두 가지 동작 모드에 대해 제안된 Hybrid LED 구동회로를 등가적으로 표현하여 동작원리를 설명하면 다음과 같다.

1.1 저 전류 제어 모드

저 전류 제어 모드에서 Hybrid LED 구동회로는 그림 4의 구조로 동작 한다.

그림 4.저 전류 제어모드에서의 하이브리드 LED 구동회로 Fig. 4. Hybrid LED driving circuit for the low current through LEDs

구동회로에 PWM 1의 on/off 신호에 따라 LED에 흐르는 평균 전류가 제어되는 PWM 제어 기법을 적용한다. PWM 1의 on 시간 동안 LED에 흐르는 전류는 MOSFET의 드레인-소스 등가저항 RDS로 리니어 레귤레이션하여 일정하다. 따라서 이 MOSFET를 저항영역에서 VCR로써 구동시켜 게이트-소스 전압 VGS 크기로 RDS를 가변하여 LED에 흐르는 전류를 제어한다.

LED에 흐르는 평균 전류는 그림 5의 파형과 같이 제어된다. PWM 1 신호와 Vref 신호의 곱셈된 신호는 V(+)로 OP-AMP의 (+)에 입력된다. 이 신호는 PWM 1신호가 on일 때 Vref이고, off일 때 0이 된다. V(+)와 LED에 흐르는 전류를 전압으로 검출한 Vsense를 비교하여 두 전압이 동일하도록 OP-AMP의 출력이 제어된다.

그림 5.저 전류 제어 시 Hybrid LED 구동회로의 동작파형 Fig. 5. Waveform of hybrid LED driving circuit at low current control

1.2 고 전류 제어 모드

고 전류 제어 모드에서 Hybrid LED 구동회로는 그림 6의 구조로 동작 한다.

그림 6.고 전류 제어모드에서의 하이브리드 구동회로 Fig. 6. Hybrid LED driving circuit for high current through LEDs

LED에 연속전류의 크기를 제어하는 CC 제어 기법을 적용하였다. 이 모드에서 구동회로는 스위칭 레귤레이터로 동작하여 LED에 일정한 연속 전류를 공급하며, 스위칭 주파수를 가변하여 LED에 흐르는 연속 전류의 크기를 제어할 수 있다. 주파수를 높이면 인덕터 L의 임피던스가 커져 LED에 흐르는 전류가 줄어들고, 주파수가 낮추면 L의 임피던스가 작아져 LED에 흐르는 전류가 증가한다.

그림 7은 이 모드에서 구동회로의 동작 파형을 보여준다. 컨버터의 스위칭 주파수는 스위칭 컨트롤러 내부의 VCO (Voltage Control Oscillator) 입력 전압의 크기로 가변 할 수 있다. VCO의 입력전압 VO는 PWM 2의 듀티비에 비례한 DC 전압이다. PWM 2의 듀티비가 커지면 VO의 전압이 상승하고, 스위칭 주파수는 낮아진다.

그림 7.고 전류제어 시 hybrid LED 구동회로의 동작파형 Fig. 7. Waveform of hybrid LED driving circuit at high current control

2. Hybrid LED 구동회로의 설계

LED 구동회로의 목적은 LED에 정 전류를 공급하고 평균 전류를 가변하여 출력되는 조도를 제어하는 것이다. 제안된 구동회로는 고 전류 제어모드에서는 스위칭 레귤레이션 동작으로 LED에 정 전류를 유지하고, 저 전류 제어모드에서는 리니어 레귤레이션 동작으로 LED에 정 전류가 공급 되도록 동작한다.

Hybrid LED 구동회로의 설계는 저 전류 제어모드에서 수 kH 주파수의 PWM으로 전류 가변이 가능하도록 인덕턴스 값의 범위를 설정한다. 이 인덕턴스 범위 내에서 고 전류 제어모드에서 LED 전류의 리플 전류가 제한된 값 이하로 제어되도록 스위칭 레귤레이터 제어회로를 설계한다.

저 전류 제어모드에서 PWM 1이 on인 구간에 전류가 LED에 흐르면 Hybrid LED 구동회로의 등가회로는 그림 8과 같다. 이상적인 다이오드 D, 등가저항 RLED, LED 열의 포워드 전압 VF-string으로 등가화한 LED, 구동회로의 인덕턴스 LBUCK 그리고 MOSFET의 드레인-소스에 보이는 등가저항 RDS로 표현할 수 있다[7]. 이 등가회로에서 센싱 저항 Rsense는 작은 값이므로 무시한다.

그림 8PWM on 구간에서 Hybrid LED 구동회로의 등가회로 Fig. 8. Equivalent circuit of hybrid LED driving circuit in PWM on time

PWM 주파수를 3kHz로 사용하고, on 구간에서 LED에 흐르는 전류의 크기를 100 mA로제어할 때 LED에 흐르는 전류 파형은 그림 9와 같다. LBUCK, RLED, RDS에 의해서 t1 상승시간이 발생한다. 최소전류 10 mA를 흐르기 위한 on 시간이 33.3 μsec 이므로 정상상태까지 10 μsec이내에 동작하도록 인덕턴스를 결정해야한다.

그림 9저 전류 제어모드에서 LED 전류 파형 Fig. 9 Current waveform through LED in the low current control mode

따라서 다음 식 (1)으로 인덕턴스의 범위를 계산할 수 있다.

그림 10은 백색 LED의 V-I 특성을 측정한 그래프다. 이 그래프로부터 LED 등가 모델을 구할 수 있다. 저 전류 제어모드에서 LED에 흐르는 전류는 연속 전류는 100 mA 이므로, VF는 26.5 V이고 RLED는 24.6 Ω이 된다. 또한 LED에 흐르는 전류를 100 mA로 제어하기 위한 MOSFET 의 등가 저항 RDS은 110 Ω이다. 이 조건을 식 (1)에 대입하면 LBUCK은 480 μH보다 작으면 조건을 만족하여 고속 PWM으로 10 mA까지 제어할 수 있다.

그림 10.White LED string의 측정된 V-I 곡선 Fig. 10. Measured V-I curve of white LED string

고 전류 제어모드를 위한 회로 설계는 앞서 계산된 인덕턴스 값과 LED에 흐르는 전류의 리플의 크기를 고려하여 LED에 정 전류가 공급되도록 스위칭 주파수를 결정한다. 스위칭 주파수는 스위칭 레귤레이션을 위해 사용된 LED 스위칭 제어 IC를 사용하여 실험적으로 결정한다.

3. 설계된 Hybrid LED 구동회로

그림 11은 설계된 Hybrid LED 구동회로이다. 고 전류 제어모드에서 스위칭 레귤레이션 동작으로 LED에 정 전류를 공급하고, CC 제어를 구현하기 위해 SUPERTEX 社의 HV9910B 스위칭 제어 IC를 사용한다. 저 전류 제어모드에서는 OP-AMP ST 社의 LM358와 MOSFET의 저항성 영역을 활용해 리니어 레귤레이터가 구성한다. MOSFET는 TOSHIBA 社의 2SK2679를 사용한다. 스위칭 레귤레이션을 위한 HV9910의 스위칭 출력과 리니어 레귤레이션을 위한 OP-AMP LM358 출력을 제어모드에 따라 선택적으로 MOSFET의 게이트에 입력하기 위해 ONsemiconductor 社의 아날로그 MUX MC14052B를 사용한다.

그림 11.설계된 Hybrid LED 구동회로 Fig. 11. Designed hybrid LED driving circuit

 

Ⅲ. 실험 및 결과 토의

1. 실험 환경 및 방법

그림 12는 제안된 Hybrid LED 구동회로의 성능을 확인하기 위한 실험 구성도이며 실험에 사용된 장비는 표 1에 정리하였다. 제안된 시스템은 MARTIN 社 Light Jockey를 이용하여 DMX512 통신으로 제어하였다.

그림 12.Hybrid LED 구동회로 실험 환경 Fig. 12. Experimental environment for hybrid LED driving circuit

표 1.Table 1. List of the equipments for experiment of hybrid driver

2. 측정된 결과

2.1 고 전류 제어 모드에서 Hybrid LED 구동회로의 동작실험

고 전류 제어모드에서는 스위칭 레귤레이터로 동작하는 Hybrid LED 구동회로의 각부 파형을 측정하였다. 그림 13은 LED의 최대 전류 500 mA로 구동 시 MOSFET의 VGS 파형과 LED 전류 파형이다. 스위칭 주파수는 250 kHz로 동작하며 전류 리플은 100 mAp-p을 갖는다.

그림 13.고 조도영역에서의 CC 조도제어 시 LED 전류파형과 MOSFET의 게이트-소스 전압파형 Fig. 13. LED current waveform and Gate-Source voltage waveform on MOSFET on the CC control in the high current control mode

그림 14는 제안된 구동회로가 스위칭 레귤레이터로 동작할 때, MOSFET에 흐르는 전류와 드레인-소스 전압 파형이다. MOSFET는 Saturation 영역에서 동작하므로 스위치 on 상태에서는 MOSFET의 드레인-소스에 전압이 0 V로 인가되지 않으며, off 상태에서는 입력 전압 40 V 모두 인가됨을 확인하였다.

그림 14.고 전류 제어모드에서의 CC 제어 시 MOSFET 전류파형과 드레인-소스 전압파형 Fig. 14. Current waveform through MOSFET and Drain-Source voltage waveform on MOSFET on the CC control in the high current control mode

2.2 저 전류 제어 모드에서 Hybrid LED 구동회로의 동작실험

저 전류 제어모드에서는 리니어 레귤레이터회로로 동작하는 Hybrid LED 구동회로의 각부 파형을 측정하였다. 그림 15는 PWM 신호가 on일 때, MOSFET의 VGS의 크기에 따라 RDS 값이 제어되어 LED에 일정한 전류가 100 mA가 흐른다. 이 전류가 흐르기 위해서 MOSFET에 3.4 V의 VGS를 인가하였다.

그림 15.저 전류 제어모드에서 PWM 제어 시 LED 전류파형과 MOSFET의 게이트-소스 전압파형 Fig. 15. Current waveform through LED and Gate-Source voltage waveform in MOSFET on the PWM control in the low current control mode

그림 16은 제안된 구동회로가 리니어 레귤레이터로 동작할 때, MOSFET에 흐르는 전류와 드레인-소스 전압 파형이다. 이 모드에서 MOSFET는 VCR로 동작한다. MOSFET에 전류가 흐를 때, 그림 15와 같이 VGS의 전압에 따라서 드레인-소스에 약 150 Ω 임피던스를 갖으며, 100 mA의 전류가 흐른다.

그림 16.저 전류 제어모드에서 PWM 제어 시 MOSFET 전류파형과 MOSFET의 드레인-소스 전압파형 Fig. 16. Current waveform through MOSFET and Drain-Source voltage waveform in MOSFET on the PWM control in the low current control mode

그림 17은 Hybrid LED 구동회로의 과도 응답시간을 확인하기 위해 LED에 흐르는 전류 파형을 측정한 결과이다. 기존 LED 구동회로의 응답시간 수백 μsec보다 빠른 약 10 μsec인 것을 확인하였고, 이를 통해 3 kHz 주파수를 갖는 PWM 제어가 가능함을 확인하였다.

그림 17저 전류 제어모드에서의 LED에 흐르는 과도전류 파형 Fig. 17 Waveform of the transient current through LED in the low current control mode

그림 18.저 전류 제어모드에서 LED 상대조도와 LED 전류 Fig. 18. Relative luminous flux and LED current at low current control mode

제안된 Hybrid LED 구동회로와 제어회로의 PWM 듀티비 가변함으로 제어된 LED 전류의 크기와 그에 따른 출력 상대조도를 측정한 결과이다. 저 전류를 제어하기 위해 사용된 PWM 1의 듀티비를 제어 하였으며, 제어된 전류는 최대 전류대비 2% 까지 선형적으로 제어됨을 확인하였다. 또한 LED에 흐르는 전류에 대해 출력되는 조도를 측정한 결과 최대 조도대비 1%의 조도까지 제어됨을 알 수 있다.

2.3 광색 측정 실험

광색 및 조도제어 실험에 사용된 LED의 색도좌표와 최대 조도는 표 2와 같다.

표 2.Table 2. Color coordinates and maximum illuminance of the LED

제안된 Hybrid LED 구동회로와 제어회로를 RGB LED의 각각의 전류를 제어함으로 광색을 표현하였으며, 측정된 결과는 표 3과 같다. 측정된 조도와 색도좌표 x와 y의 최대 오차는 각각 1.73 %, 3.73 %, 2.91 %로 매우 정확하다.

표 3.Table 3. Measured color coordinates and illuminance

또한 그림 19에서 저 전류 까지 제어하여 그림 2에 표현할 수 없었던 영역까지 광색을 표현 할 수 있음을 확인하였다.

그림 19.CIE1931 색 공간에서의 색도좌표 Fig. 19. Measured color coordinates on CIE 1931

 

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 저 전류 제어가 가능한 Hybrid LED 구동회로와 제어 기법을 제안하였다. Hybrid LED 구동회로는 단일 MOSFET로 리니어 레귤레이션과 스위칭 레귤레이션 동작을 하도록 설계하였다. 저 전류 제어모드에서 MOSFET를 VCR로 구동함으로서 RDS를 제어하여 LED에 100 mA의 정 전류를 공급하였고, 이 전류를 고속 PWM의 듀티비를 가변하여 100 mA 이하로 선형적으로 제어하였다. 고 전류 제어모드에서 MOSFET를 스위치로서 수 백 kHz의 높은 주파수로 스위칭하여 LED에 정 전류를 공급하였고, 250∼350 kHz 범위에서 주파수를 가변하여 연속적인 전류의 크기를 500 mA까지 제어하였다.

본 연구에서 제안된 Hybrid LED 구동회로와 제어회로로 80W RGB LED를 제어하여 실험한 결과, 최소 전류 10 mA까지 선형적으로 제어가 가능하며, 기존에 표현 할 수 없었던 광색 제어 영역을 표현 할 수 있음을 확인하였다. 또한 제어된 광색은 목표 색도좌표 x와 y의 백분율 상대오차는 각각 최대 1.73 %, 3.73 %이고 조도의 최대 오차는 2.91 %로 매우 정확하게 제어됨을 실험적 결과로 확인하였다.