1. LED의 작동 원리

구동 회로를 설계하기 전에 LED의 작동 방식을 이해하는 것이 중요합니다. LED의 밝기는 주로 순방향 전압(VF) 및 순방향 전류(IF). 전류-전압 특성 곡선은 그림 1에 나와 있습니다. 여기서, VF 순방향 전압 강하를 나타냅니다. IF 순방향 전류입니다.

인가된 순방향 전압이 임계값 수준(턴온 전압이라고도 함, 이 경우 약 1.7V)을 초과하면, IF 거의 비례한다고 볼 수 있습니다 VF그림에서 볼 수 있듯이 LED의 최대 순방향 전류는 최대 1A에 달할 수 있으며, 일반적인 순방향 전압 범위는 약 2V~4V입니다.

그림 1. VF와 IF의 관계

LED의 순방향 전압 강하는 비교적 넓은 범위(1V 이상)에서 변할 수 있습니다. 위에 표시된 VF-IF 곡선에서 작은 변화라도 VF 큰 변화를 일으킬 수 있습니다 IF이로 인해 밝기가 크게 변동합니다. 이러한 이유로 LED의 발광 특성은 일반적으로 전압보다는 전류의 함수로 설명됩니다.

그러나 일반적인 정류 회로에서는 출력 전압이 주 전원 전압의 변화에 ​​따라 변동합니다. 즉, 정전압 소스를 사용하면 일관된 LED 밝기를 보장할 수 없으며 LED 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 LED 드라이버는 일반적으로 정전류 소스로 작동하도록 설계됩니다.

2. LED 구동 기술

LED의 작동 원리를 살펴보면, 최적의 밝기를 유지하려면 LED를 정전류원으로 구동해야 한다는 것이 분명합니다. 드라이버의 역할은 이러한 정전류 특성을 보장하는 것뿐만 아니라 저전력 소비를 달성하는 것입니다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 일반적으로 사용되는 전류 제어 방법은 다음과 같습니다.

• 전류 제한 저항기의 값을 조정하여 전류를 조절합니다.
• 전류 제한 저항기에서 기준 전압을 변화시켜 전류를 제어합니다.
• PWM(펄스 폭 변조)을 사용하여 전류 조절을 달성합니다.

LED 드라이버에 사용되는 기술은 스위치 모드 전원 공급 장치에 사용되는 기술과 매우 유사합니다. 본질적으로 LED 드라이버는 전력 변환 회로의 한 유형이지만 출력은 정전류 일정한 전압보다는. 모든 조건에서 회로는 리플 전류가 지정된 범위 내로 유지되는 안정적인 평균 전류를 공급해야 합니다.

(1) 전류 제한 방법
그림 2는 전류 제한 방법을 사용하는 가장 간단한 회로를 보여줍니다.

그림 2. 전류 제한 방법의 가장 간단한 회로

도시 된 바와 같이 그림 3이는 전통적인 회로 구성입니다. 주전원 전압을 강압하고 정류한 후 필터링한 후, 직렬 저항을 사용하여 전류를 제한함으로써 LED의 안정적인 작동을 유지하고 기본적인 보호 기능을 제공합니다.

그러나 이 접근 방식의 치명적인 단점은 저항기에서 소모되는 전력이 R 시스템 효율을 직접적으로 감소시킵니다. 변압기 손실과 결합하면 전체 시스템 효율은 약 50%. 또한 공급 전압이 ±10% 이내로 변동할 경우 LED를 통과하는 전류는 다음과 같이 달라질 수 있습니다. 25 % 이상, 그리고 LED에 전달되는 전력은 100% 이상 변경될 수 있습니다. 30%.

저항 전류 제한의 주요 장점은 다음과 같습니다. 단순성, 낮은 비용, 전자파 간섭(EMI) 없음. 그럼에도 불구하고 그 단점은 상당합니다. LED 밝기는 변화에 따라 변합니다. VF, 효율성이 매우 낮고, 방열이 심각한 문제가 됩니다.

그림 3. 전통적인 저항 전류 제한 회로

전류 제한 방법에 대한 간단한 온라인 기사도 참고할 수 있습니다. https://www.ourpcb.com/current-limiting-resistor.html

정전류 LED 백라이트 구동에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하세요. https://www.orientdisplay.com/wp-content/uploads/2018/07/OrientDisplay-Backlight-Constant-Current-Driver.pdf

(2) 전압 조절 방법
도시 된 바와 같이 그림 4이 회로는 그림 3을 기반으로 하며, 내장 전압 레귤레이터(MC7809)를 추가했습니다. 이를 통해 출력 전압은 9V로 기본적으로 안정적으로 유지되어 전류 제한 저항을 사용할 수 있습니다. R 매우 작게 만들어야 LED 전체의 전압 불안정을 방지할 수 있습니다.

그러나 이 회로의 효율은 여전히 ​​낮습니다. MC7809와 저항 R1의 전압 강하가 여전히 크기 때문에 전체 효율은 약 40%안정적인 LED 동작과 더 높은 효율을 모두 달성하려면 저전력 전류 제한 부품과 회로를 사용하여 시스템 성능을 개선해야 합니다.

선형 전압 조절 방식은 다음과 같은 장점이 있습니다. 간단한 구조, 외부 구성 요소 적음, 중간 효율성, 비교적 낮은 비용.

그림 4 전압 조절 방법

(3) PWM 방식
PWM(펄스 폭 변조)은 구동 전류 펄스의 듀티 사이클을 조정하여 LED 밝기를 제어합니다. 이 디밍 기술은 간단한 디지털 펄스를 사용하여 LED 드라이버를 반복적으로 켜고 끕니다. 다양한 폭의 디지털 펄스를 공급함으로써 출력 전류를 변조하여 백색 LED의 밝기를 조절할 수 있습니다.

이 구동 회로의 특징은 에너지가 인덕터를 통해 부하로 전달된다는 것입니다. 일반적으로 PWM 제어 신호는 MOSFET 트랜지스터를 켜고 끄는 데 사용됩니다. PWM 신호의 듀티 사이클과 인덕터의 충전/방전 시간을 변경함으로써 입력 전압과 출력 전압의 비율을 조절할 수 있습니다.

이 유형의 일반적인 회로 토폴로지는 다음과 같습니다. 벅, 부스트 및 벅-부스트 컨버터. PWM 방식의 장점은 다음과 같습니다. 높은 효율성과 안정적인 성능, 그러나 단점은 다음과 같습니다. 가청 소음, 더 높은 비용, 더 복잡한 설계.

그림 5. PWM 방식을 이용한 LED 구동 회로

도시 된 바와 같이 그림 5PWM 신호는 트랜지스터 VQ1의 베이스를 통해 P채널 MOSFET의 게이트에 연결됩니다. P채널 MOSFET의 게이트는 간단한 NPN 트랜지스터 증폭 회로에 의해 구동되며, 이는 MOSFET의 전도 과정을 개선하고 구동 회로의 전력 소모를 줄입니다.

MOSFET이 회로에 의해 직접 구동되는 경우, MOSFET의 빠른 온/오프 스위칭은 드레인-소스 전압의 진동을 유발할 수 있습니다. 이는 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다. 무선 주파수 간섭(RFI) 그리고 어떤 경우에는 MOSFET을 지나치게 높은 전압에 노출시켜 파괴와 손상을 초래합니다.

이 문제를 해결하기 위해, 구동되는 MOSFET의 게이트와 구동 회로 출력 사이에 무유도 저항을 직렬로 삽입합니다. PWM 신호가 하이 레벨이면 트랜지스터 VQ1이 도통되어 MOSFET 게이트 전압을 소스 전압보다 낮게 낮춥니다. 결과적으로 MOSFET이 켜지고 LED가 켜집니다. 반대로, PWM 신호가 로우 레벨이면 VQ1이 차단되고 MOSFET이 꺼지며 LED가 꺼집니다.

3. LED 드라이버 IC 솔루션

LED 백라이트 드라이버 IC는 주로 LCD 디스플레이(텔레비전, 노트북, 휴대폰, 자동차 화면 등)에서 LED 모듈에 정전류 또는 정전압을 공급하는 데 사용됩니다. 균일한 밝기, 높은 효율, 그리고 긴 수명을 보장하는 것이 이 IC의 목적입니다. 일반적인 드라이버 토폴로지는 다음과 같습니다. 부스트(스텝업), 벅(스텝다운), 벅-부스트 및 다중 채널 정전류 드라이버. 다음은 LED 백라이트 드라이버 IC의 대표적인 몇 가지 범주입니다.

(1) 텍사스 인스트루먼트(TI)

• TPS61169: 소형 LCD(예: 휴대전화)에 적합한 단일 채널 부스트 정전류 드라이버입니다.
• LP8556: I²C 제어, 다중 채널 출력(최대 6채널), 그리고 PWM/아날로그 디밍을 모두 지원합니다. 노트북 및 자동차 디스플레이에 널리 사용됩니다.

(2) ON Semiconductor(현 Onsemi)

• NCP3170 / NCP3170B: 소형에서 중형 크기의 화면에 적합한 고효율 벅 드라이버입니다.
• NCV7685: 자동차 백라이트와 대시보드에 자주 사용되는 16채널 정전류 드라이버로, 높은 신뢰성과 진단 기능을 갖추고 있습니다.

(3) ST마이크로일렉트로닉스(ST)

• STLED524: I²C 인터페이스를 갖춘 다중 채널 LED 백라이트 드라이버.
• L5973D: 중전력 LED 백라이트 시스템을 위한 부스트 DC-DC 컨버터입니다.

(4) 르네사스 일렉트로닉스

• ISL98611: 스마트폰 전원 및 백라이트 구동을 위해 설계된 부스트 및 양/음 충전 펌프 출력을 통합했습니다.
• ISL97900: 고정밀 전류 매칭 기능을 갖춘 다중 채널 LED 백라이트 드라이버입니다.

(5) 중국 제조업체

• 매크로블록(MBI 시리즈): 예를 들어, MBI5030은 대형 디스플레이와 백라이트 드라이버에 초점을 맞추고 있으며, TV와 광고 패널에 널리 사용됩니다.
• 솔로몬 시스텍: 모바일폰과 중소형 디스플레이용 LED 백라이트 드라이버 솔루션을 출시했습니다.

6. 제품 개요

• 소형 화면 (휴대폰, 태블릿): TI TPS/LP 시리즈, Renesas ISL 시리즈.
• 중대형 화면 (노트북, 모니터, TV): TI LP8556, ST STLED524, Macroblock MBI 시리즈와 같은 다중 채널 정전류 드라이버.
• 자동차 및 산업용 애플리케이션: 신뢰성과 다중 채널 제어가 필요하며 일반적으로 Onsemi NCV 시리즈를 사용합니다.

4. LED 백라이트 드라이버 IC 비교표

5. LED 백라이트 드라이버 IC의 주요 파라미터 비교

주요 비교 포인트

1.      채널 수

o   작은 화면 → 단일 채널(예: TPS61169)

o   중형 스크린 / 자동차 → 6채널(예: LP8556, STLED524)

o   대형 스크린 / 텔레비전 → 16개 채널 이상(예: NCV7685, MBI5030)

2.      운전 방법

o   부스트(스텝업) → 스마트폰과 태블릿에서 흔히 사용되며, 낮은 공급 전압을 더 높은 레벨로 올려 여러 개의 LED를 직렬로 구동하는 데 사용됩니다.

o   벅(강등) → 더 적은 수의 LED를 구동하는 고전압 전원에 더 적합합니다.

o   다중 채널 정전류 → 대형 화면 백라이트에 적합하며 밝기 균일성을 보장합니다.

3.      제어 인터페이스

o   PWM → 간단하고 모바일 기기에 널리 사용됩니다.

o   I²C → 더욱 유연해지고 전류, 전압, 디밍 곡선을 조정할 수 있습니다.

o   SPI → 고속, 다채널로 TV와 광고용 디스플레이에 적합합니다.

6. LED 백라이트 드라이버 IC에 권장되는 애플리케이션 시나리오

• 소형 화면(스마트폰/태블릿) → 단일 채널 부스트 드라이버, 예: 티에이티피에스61169, 르네사스 ISL98611
• 중형 화면(노트북/자동차용 디스플레이) → 6채널 멀티채널 정전류 드라이버, 예: 티아이 LP8556, ST STLED524, 르네사스 ISL97900
• 대형 화면(모니터/TV) → 16채널 이상의 정전류 드라이버, 예: 매크로블록 MBI5030
• 특수 시나리오(자동차/광고 디스플레이) → 고신뢰성 다중 채널 드라이버, 예: 온세미 NCV7685, 매크로블록 MBI 시리즈