The conventional dimming control methods of LED (Light-emitting dioades) include Analog, PWM (Pulse Width Modulation), and FM (Frequency Modulation) Control. Analog dimming is controlled by adjusting forward current of Power LED. Although Analog dimming is possible to control linearly the brightness levels on a whole range (0％~100％), it comes into existence a variation of wavelength by changing the Power LED's forward current. PWM dimming has achieved by varying in duty of full current flowing to the Power LED. Generally, PWM dimming doesn't make variation of wavelength but have difficulty with adjusting the linear brightness level between 0％ and 10％. FM dimming method is on the same wavelength as PWM dimming, however, it has problem of flickering at low level of dimming. This paper propose a efficient dimming control method of Power LED in order to overcome the disadvantages of the above mentioned methods. We apply to Analog method in low level of dimming control and use PWM method in dimming range from 10％ to 100％. For the experiment, we design and implement a circuit and test the proposed method. Consequently, we can control the linear brightness of Power LED across the whole range and get the constant wave at different dimming level. The experimental results show the benefits of the proposed method.
최근 LED는 반도체 공정 기술의 발전과 고발광을 낼 수 있는 재료의 도입 그리고 에피택시(epitaxy)와 같은 기술의 발달로 차세대 고효율 광원으로서 다양한 산업분야와 실생활에서 사용이 확대되고 있다.
LED는 정격 전력 및 전류에 따라 세 가지로 분류가 되는데 일반 LED, 고출력 LED, High 고출력 LED로 구분되어진다. 일반 LED를 시작으로 High 고출력 LED까지 정격 전력과 전류를 높이는 형태로 기술이 발전하고 있으며, 최근에는 LCD 모니터의 BLU(Back Light Unit) 광원을 포함하여 고출력 LED 개념이 도입되면서 백색광원 및 그에 따른 조명용으로의 사용이 기대되고 그 사용 범위는 기하급수적으로 늘어날 것으로 보인다. 고출력 LED 조명의 응용에는 특수 조명과 일반 조명 두 가지로 나뉠 수 있다. 특수 조명 분야는 Architectural lighting, Display lighting, Sign lighting, Emergency lighting 등으로 나눌 수 있고, 일반 조명은 Indoor lighting으로 나타 낼 수 있다.
본 논문은 특수 조명 중에서 Display와 Architectural lighting용으로 활용되는 고출력 LED의 디밍 제어 방법을 제시하여 기존의 디밍 제어 방법[1-3]인 펄스폭변조(PWM, Pulse Width Modulation) 제어와 주파수변조(FM, Frequency Modulation) 그리고 아날로그 제어 방법의 문제점을 파악하고, 디밍 조절을 통한 다양한 색상의 연출이 가능하도록 전류 피드백 컨버터와 디밍 제어 회로를 설계하고 구현한다.
LED의 밝기는 순방향 전류에 비려하며, 전류를 제어하는 방법으로는 전류를 펄스 형태로 공급하여 펄스의 듀티를 조절하는 펄스폭변조 방법과 여러 주파수의 형태를 혼합하여 전류를 제어하는 주파수변조 방법, 그리고 DC 전류의 값을 변화시키는 아날로그 제어 방법이 있다.
펄스폭변조 디밍 제어는 고출력 LED에 흐르는 구형파 형태의 전류 듀티를 가변하여 디밍을 제어하는 방식을 의미한다. 고출력 LED 디밍 제어 시 인간의 눈이 감지하는 깜박임(Flickering)이 발생하지 않게 하기 위해서 300㎐ 이상을 사용한다[4,5].
펄스폭변조 디밍 제어 시 나타나는 색의 파장 변화를 녹색의 고출력 LED 10개를 직렬로 연결하여 측정한 결과는 그림 3과 같다.
펄스폭변조 디밍 제어 실행 시 펄스폭변조 신호의 듀티에 따른 녹색의 고출력 LED 파장 변화를 보면 신호의 듀티에 따라 파장의 첨두치 변화가 거의 없고 똑같은 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 펄스폭변조에 의한 고출력 LED 전류는 최대치 전류와 ‘0’ 값의 전류를 반복하게 되는데 이때 고출력 LED는 최대치의 전류 파장만을 출력함으로써 듀티가 변화하여도 일정한 파장을 낼 수 있기 때문이다. 이러한 장점으로 대부분의 LED를 전력 제어 할 때 펄스폭변조 방법을 활용하고 있다.
펄스폭변조를 이용한 디밍 제어는 펄스의 듀티를 조절함으로써 이루어지는데, 듀티 0에서 1까지의 제어는 조도 0％에서 100％를 의미한다. 하지만 펄스폭변조 제어를 실행 할 경우 10％ 미만의 제어는 문제점을 보여준다. 그림 4의 (a)는 듀티 0.5일 때 고출력 LED 전류 전압파형으로 PWM 제어에 의해 적절히 동작하고 있다는 것을 나타내지만, (b)는 듀티 0.1 미만일 때 전류 전압파형으로 듀티가 짧기 때문에 전압 전류가 설정한 값까지 도달하지 못한 채 OFF되어 적절한 펄스폭변조 제어가 이뤄지지 않음을 알 수 있다.
이러한 펄스폭변조 제어 방법이 선형적인 제어에 부적합한 이유는 10％ 미만의 저 레벨 제어를 위해 펄스의 ON 시간을 작게 할 경우 수십 ㎲의 ON 시간을 갖는 큰 주파수의 펄스 전류가 만들어 진다. LED의 정 전류 구동을 위한 대부분의 회로가 벅 혹은 부스트 컨버터 구성이기 때문에 큰 값의 L과 C가 연결되어 있고 이로 인해 큰 주파수의 펄스 전류가 정류되어 버리는 결과로 LED에 원하는 최대치의 전류를 전달하지 못하고 다시 OFF되는 현상이 발생해 깜박임이 발생할 수 있고, 0~10％의 디밍 제어 영역에서 선형적인 제어가 불가능하게 된다.
주파수변조 제어 방법은 EMI 노이즈 개선을 위해 고안된 방법으로 펄스폭변조 디밍 제어와 같은 단일 주파수에 의한 방법이 아니라 여러 주파수의 펄스 파형이 혼합된 형태로 특정 주파수의 EMI 노이즈를 완화하기 위해 사용된다[6]. 단일 주파수를 사용하는 펄스폭변조 디밍 제어 방법은 주파수 스펙트럼에서 기본 주파수의 홀수 배 주파수에서 높은 진폭의 스펙트럼을 보여준다. 그러나 주파수변조에 의한 디밍 제어 방법은 주파수변조에 의해 다양한 주파수가 혼합된 파형의 주파수 스펙트럼 상에서 각각의 주파수 영역에서 진폭이 고르게 분포하게 되는 장점을 갖는다. 그림 5와 6은 고출력 LED의 주파수변조 디밍 제어방법의 원리를 보여준다.
주파수변조 방법을 구현하기 위해 랜덤 코드 발생기를 설계하여 랜덤 시퀀스에 의한 주파수변조로 스펙트럼이 각각의 주파수 영역에서 균등하게 분포하도록 한다[7].
난수 발생 함수에서 발생시킨 랜덤 값은 미리 정해진 디밍 level register의 값과 비교하여 랜덤 값이 크면 Low, 작으면 High를 출력한다. 3비트 레지스터를 사용하여 2^3=8 개의 값을 생성할 수 있는 랜덤 코드 발생기를 가정할 때, 그림 7의 (a)의 첫 번째 신호에서는 난수발생 함수에서 7의 값을 발생하고 디밍 level register값이 3에 위치해 있기 때문에 출력은 그림 7의 (b)와 같이 Low를 출력한다. 출력된 전압 파형을 정해진 시간상에서 고려할 때 총 Low 시간과 High 시간의 비율에 따라 디밍 제어가 되는 것이다.
주파수변조 디밍 제어 시 나타나는 색의 파장 변화를 관찰하기 위해 녹색 고출력 LED 10개를 직렬로 연결하여 측정한 결과는 그림 3의 펄스폭변조 디밍 제어의 전류에 따른 녹색 LED 파장 변화와 같다. 주파수변조를 적용하기 위한 회로 구성에 있어 랜덤 코드 발생기를 제외한 기본 구성 회로는 펄스폭변조 디밍 제어를 위한 회로와 같으므로 고출력 LED의 파장변화 특성은 전류가 최대값과 0의 값을 반복하게 되며 최대값에 대한 파장만을 출력하기 때문에 파장의 첨두치 값이 동일하다.
주파수변조에 의한 디밍 제어 방법은 시간상의 Low와 High의 총비율에 의해 의존한다. 저 레벨의 디밍 제어를 실행 할 경우 디밍 제어값이 감소하여 출력되는 스위치 파형의 Low 값이 더 많아지게 되고, 시간에 따른 랜덤 값을 발생시킬지라도 Low 값이 지속되는 시간이 길어지면 사람의 눈이 감지 할 정도가 될 수 있다.
그림 8은 저 레벨 디밍 제어 시 Low 값의 시간 지속으로 인한 깜박임의 발생을 보여준다. 이와 같이 펄스폭변조 디밍 제어와 마찬가지로 선형적인 디밍 제어에 어려움이 있다.
아날로그 디밍 제어는 고출력 LED에 흐르는 전류 값의 레벨을 가변하여 조도를 조절하는 방식이다[8,9].
고출력 LED를 정전류로 구동시키기 위한 기본회로는 벅, 부스트 또는 벅/부스트 컨버터 타입에 전류 피드백 회로가 추가된다. 그림 9는 아날로그 디밍 제어의 기본 블록도로 고출력 LED에 흐르는 전류를 센싱 받은 후 증폭기를 거쳐 컨트롤러에 피드백 전압을 인가해 주며 이득 조정기를 인위적으로 조정하여 피드백 전압을 조절한다. 피드백 전압에 따라 스위치의 ON/OFF 듀티로 출력으로 전달되는 전류를 제어하는 원리이다. 출력 전류에 영향을 주는 피드백 DC 전압의 조절은 그림 10과 같이 고출력 LED에 흐르는 전류를 조정한다.
아날로그 디밍 제어 시 나타나는 색의 파장 변화를 녹색 고출력 LED 10개를 직렬로 연결하여 측정한 결과는 그림 11과 같다. 아날로그 디밍 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류의 변화에 따라 파장의 첨두치 변화가 있는 것을 알 수 있다. 이것은 고출력 LED가 원하는 색을 적절히 표현하지 못하는 결과를 가져오므로 빛의 중요한 디스플레이 또는 경관 조명용 LED를 제어함에 있어 적합하지 못하며, 특히 RGB와 화이트 LED를 혼합하여 사용되는 경우에는 색의 표현에 어려움이 따른다. 아날로그 디밍 제어를 실행 할 경우 고출력 LED의 조도 10~100％에 해당하는 제어는 물론 10％ 이하에 해당하는 저 레벨의 제어를 할 수 있다. 아날로그 디밍 제어방법은 피드백으로 인가되는 DC 전압을 인위적으로 조절하여 고출력 LED에 흐르는 DC 전류 값을 제어하기 때문에 0~100％의 디밍 제어가 가능하다.
3.1. 마이크로 컨트롤러를 이용한 디밍 제어 회로 설계
펄스폭변조와 아날로그 디밍 제어의 장점을 고려하고 문제점을 해결하여 두 제어를 동시에 수행할 수 있도록 디밍 제어 회로 설계를 제안한다.
그림 12에서 제안한 회로는 아날로그 디밍 제어 회로와 펄스폭변조 디밍 제어 회로를 혼합한 형태로 10％ 레벨, 즉 듀티 0.1을 기준으로 이상일 때는 펄스폭변조 디밍 제어를 실행하며, 이하일 때는 아날로그와 펄스폭변조 방식을 함께 사용한다.
10％ 이상 디밍 제어 시 시스템은 마이크로 컨트롤러의 1번 핀을 이용한 비접지 스위치만을 이용하여 동작하며, 이 때 Analog 디밍 제어를 담당하는 마이크로 컨트롤러의 2번 핀은 동작하지 않는다. 그림 13의 (a)는 10％ 이상 조도 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류를 나타내며, (b)는 10％ 이하 조도 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류를 나타낸 것으로 마이크로 컨트롤러의 1번 핀을 듀티 0.1로 고정시킨 후 펄스폭변조 파형을 출력하여 비접지 스위치를 동작 시킨다. 그리고 마이크로 컨트롤러의 2번 핀을 이용하여 아날로그 디밍 제어를 수행하는 방식으로 듀티 0.1로 고출력 LED에 흐르는 전류의 최대치를 제어하는 원리이다. 마이크로 컨트롤러는 일회 반복할 때마다 디밍 level 값을 읽어 회로를 동작 시킨다. 제안한 방법은 아날로그 디밍 제어 방법과 펄스폭변조 디밍 제어 방법을 혼합환 형태로 두 제어 방법의 장점을 결합한 시스템이다.
그림 14는 제안한 방법으로 디밍 제어 회로를 적용하여 고출력 LED 전류를 제어했을 때 파장변화를 보여준다. 10~100％의 디밍 제어 시 파장의 첨두치 변화는 나타나지 않았으나 0~10％의 디밍 제어 시 2㎚의 파장 변화가 일어나는 것을 알 수 있다. 펄스폭변조 제어방법은 저 레벨 조도 제어가 불가능하였으나, 제안한 회로는 저 레벨 (10％ 이하)에서 펄스폭변조 방식과 아날로그 방식의 제어가 가능함으로써 더 넓은 범위의 전력제어를 할 수 있다. 특히 RGB 컨트롤을 사용하는 조명의 경우, 파장의 변화 없이 빛의 세기를 조절할 수 있으므로 더욱 다양한 색의 표현이 가능하다.
고출력 LED의 조도 특성을 파악하기 위해 기존의 3가지 디밍 제어 방법과 제안한 방법의 디밍 제어 방법을 회로에 적용하여 실험하였다.
그림 15는 기존의 아날로그, 펄스폭변조, 주파수변조 디밍 제어 방법과 제안한 방법으로 디밍 제어를 실험하기 위한 회로 블록도를 나타낸다. 벅 컨버터의 기본회로에 디밍 제어를 위한 회로들이 추가되었다[10]. 아날로그 디밍 제어는 ②번 블록을 사용하여 실험하였으며, 제안한 디밍 제어는 ①과 ②번 블록을 동시에 사용하여 실험하였다.
표 1은 실험에 사용된 회로와 측정 장비를 나타낸다. 실험에 사용된 고출력 LED는 LUXEON_DS6X 계열의 제품으로 RGB와 White색을 각각 10개의 직렬 조합으로 사용하였다.
실험에 사용된 측정 장비
그림 16 (a)의 펄스폭변조 주파수는 300㎐로 설정하고 700㎃의 첨두치 전류를 기본으로 펄스의 듀티에 따라 제어하였다. 그러나 저 레벨(6％)의 펄스폭변조 디밍 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류는 700㎃의 첨두치를 유지하지 못함을 보여준다. (b)의 주파수 변조 디밍 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류와 양단의 전압을 측정한 파형을 보여주고 있는데, 펄스폭변조 제어와 마찬가지로 700㎃의 첨두치 값을 가지고 제어하였으나, 저 레벨 디밍 제어 시 불규칙한 형태를 나타내고 있다. (c)는 아날로그 디밍 제어에서 고출력 LED에 흐르는 전류가 700㎃일 때를 100％로 정하고 파형을 측정한 결과이다. 정전류 제어에 의해 고출력 LED에 흐르는 양단의 전압이 리플이 없는 깨끗한 형태로 나타났다. (d)는 저 레벨 디밍 제어가 불안정하거나 불가능한 문제를 해결하기 위해 제안한 방법으로 제어 회로를 구성하여 10％이하 디밍 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류와 양단의 전압을 측정한 파형을 나타낸 것으로 저 레벨제어가 가능함을 보여준다.
그림 17 (a)는 펄스폭변조 디밍 제어 시 RGB와 White 색의 빛을 내는 고출력 LED의 상대적 조도를 나타낸다. 700mA를 최대 전류로 정하여 조도를 측정하고, 고출력 LED에 흐르는 전류에 따른 상대적인 조도 값을 측정하여 세로축에 도시하였다.
펄스의 듀티에 따라 상대적인 조도 값이 달라지며 펄스의 0.1이상의 듀티에서는 선형적인 형태의 조도를 유지하지만, 0.1 이하에서는 그림 17 (c)의 아날로그 조도 제어와 비교하여 급격하게 조도가 감소하는 형태의 조도 특성을 나타낸다. 이것은 0.1 이하에서 듀티와 진폭이 동시에 감소하기 때문이다. 그림 17 (b)는 주파수 변조 디밍 제어 시 변조된 파형의 비율에 따라 상대적인 조도 값이 달라지며 가로축의 ‘High’ 비율 30％ 이상에서는 비교적 선형적인 형태의 조도를 유지하지만, 30％ 이하에서는 비선형적인 조도 특성을 나타낸다. 그림 17 (c)는 아날로그 디밍 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류에 따라 조도 특성이 어떻게 변화하는지를 나타낸 그래프로 측정 결과 RGB와 백색의 고출력 LED 모두 선형적인 디밍 특성을 나타낸다. 그림 17 (d)는 제안한 방법으로 회로를 구성하여 디밍 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류에 따른 상대적인 조도를 나타내는 그래프이다. 전 동작 범위 (0~100％) 내에서 선형적인 디밍 특성을 잘 나타내므로 고출력 LED 디밍 제어를 위해 제안한 방법이 타탕함을 알 수 있다.
고출력 LED는 다양한 색의 연출과 빛의 효과를 위해 다방면에서 활용되고 있으나, 디밍 제어 시 두 가지 문제점이 존재한다. 첫째는 고출력 LED 디밍 제어 시 생기는 파장변화로 인한 색상의 변질이며, 둘째는 저 레벨(10％ 이하) 디밍 제어 시 나타나는 비선형 디밍 특성으로 고출력 LED 구동회로 구성이 어렵다는 것이다.
본 논문에서는 고출력 LED 디밍 제어 방법으로 쓰이고 있는 기존의 아날로그, 주파수변조, 펄스폭변조 방법의 고출력 LED 정 전류 구동을 위한 빅 컨버터와 제어 회로를 설계하고 실험하여 각각의 디밍 제어 방법의 장단점을 파악하고 위의 두 가지 문제를 해결할 수 있는 마이크로 컨트롤러에 의한 고출력 LED 디밍 제어방법을 제안하였다. 아날로그 디밍 제어방법은 파장변화의 문제를 갖고 있으나 선형적인 디밍 제어가 가능하고, 주파수 변조와 펄스폭변조 디밍 제어 방법은 파장 변화의 문제는 없으나 선형적인 디밍 제어를 할 수 없었다. 따라서 제안하는 방법은 아날로그와 펄스폭변조 디밍 제어 방법의 장점을 혼합하여 저 레벨 이하에서는 아날로그 디밍 제어 방법을 적용하고 저 레벨 이상에서는 펄스폭변조 방법을 적용하는 고출력 LED 제어 회로를 구성하여 실험한 결과, 저 레벨 이상 디밍 제어 시 파장의 변화가 일정하였고, 저 레벨 이하 디밍 제어 시에도 선형적인 디밍 특성을 갖도록 하여, 전 범위에서 문제없이 디밍 제어가 가능토록 하였다.
