LED 무대조명용 정전류 구동회로의 설계
A design of constant current driving circuit for LED stage light
정 광 현** 김 평 무**** 박 종 연******
Jung, Kwang-Hyun Kim, Pyung-Moo Park, Chong-Yeun
Abstract
According to recent technological developments in high-power LEDs, the stage lighting is one of most important areas to apply power LED system. Moving light for color rendering of stage uses the RGBW(red, green, blue, white) color mixing method. LED moving light system needs to have a wide range of dimming control as enough to operate at very low power. Also LED dimming system should not be induced color-shift and flicker in camera.
This paper is experimentally verified the LED Moving Light driving circuit of 200Watt level designed to satisfy the above characteristics which applied the DC current-controlled and PWM mixed dimming method.
키워드 : LED 무대 조명, 무빙 라이트, LED 구동회로, LED 조도제어
Keywords : LED stage light, Moving light, LED driving circuit, LED dimming
1. 서론
최근 LED는 에너지 절감, 친환경성, 제어의 용이성 등의 이유로 인하여 보급이 빠르게 확산되고 있다[1][2].
LED를 이용한 무대조명은 많은 응용분야 중의 하나이 며, 제어의 용이성이 가장 크게 부각되는 분야이다.
무대조명용 조명기기 중 색을 연출하기 위한 LED Moving light 조명기기는 R(red), G(green), B(blue), W(white) LED 각각의 색을 혼합하여 사 용하며, 색의 혼합은 각 색 LED의 조도를 조절하 여 각 색의 비율을 변경함으로써 이루어지게 된다.
무대조명은 여러 가지의 색을 표현하는 것과 영
* 강원대학교 전기전자공학과 박사 과정
** 강원대학교 전기전자공학과 학부 과정
*** 강원대학교 전기전자공학과 교수, 공학 박사, 교신저자
상 및 사진 촬영에 초점이 맞추어져 있으므로, 색 혼합을 위한 LED 구동회로의 설계 시 조도조절에 초점을 맞추어 설계가 되어야 한다. LED 구동회로 로써의 특징은 다음과 같다.
첫째로 무대의 색의 표현력을 높이기 위해 조도 조절의 범위가 넓어 매우 낮은 레벨에서도 동작하 여야 하며, 조도조절 레벨의 분해능 또한 높아야 한다.
둘째로 조도조절 시 각 색에 대한 조도제어가 선형적으로 이루어져 색 혼합 시 정확한 색을 표 현할 수 있어야 하며, 조절 시 빛의 떨림현상 (flicker)이 발생하지 않아야 한다.
셋째로 동영상 또는 사진촬영 장비로 촬영하였 을 시 화면상에 빛이 균일하게 나타날 수 있도록 하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 특징들을 만족 할 수 있도록 LED 조도조절 방법을 결정한 후 이 를 200Watt 급 RGBW Moving Light에 적용토록
구동회로를 설계하였다. 또한 실험을 통하여 조도 조절 시 색의 변화, 저 전력에서의 동작, CMOS 방식의 카메라를 이용한 촬영 시 Flicker 여부를 확인하였다.
2. LED Moving Light System
본 논문에서 사용한 LED Moving Light의 블록다이 어그램은 그림 1과 같다.
각 RGBW LED에 대한 제어는 각 열마다 전류제어 회로를 따로 두어 구성하였으며, LED 열에 흐르는 전류 를 센싱 받아 LED에 정전류를 유지하도록 하였다. 전 류제어 회로의 입력전압은 앞단의 PFC 및 DC/DC 컨버 터를 통하여 40V가 입력된다.
각 RGBW LED는 20개씩이며, LED 10개를 직렬로 연결하여 전류제어 회로는 각 색 당 2개가 되도록 구성 하였다. LED는 LUXON Rebel LXML계열을 사용하였 다.
Controller는 외부에서 통신으로 제어 입력을 받아 각 색의 제어회로에 디밍 신호를 주며 현재의 상태를 확인 할 수 있도록 표시하게 된다. Motor에 대한 제어 또한 통신으로 각 모터의 각도를 받아 모터를 제어한다.
그림 1 LED 무빙라이트 시스템의 블록다이어그램
2.1 디밍 방법의 선정
LED의 디밍 방법은 순방향 전류 제어 방식과 PWM 방식 크게 두 가지로 구분할 수 있다.
먼저 전류 제어 디밍 방식은 LED의 순방향 전류를 직접 제어하여 밝기를 조절함으로써 컨버터 설계에 따 라 디밍 레벨의 분해능이 높아질 수 있으며, 낮은 디밍 레벨에서 또한 Flicker 없이 구동이 가능하다. 그러나 순 방향 전류의 변화에 따라 LED의 파장이 변화하는 Color-shift 현상이 발생하여 원하는 색을 연출하기 어 려워진다는 단점이 있다.
PWM 디밍 방식은 LED의 ON/OFF를 반복하여 이 주기 안에서 ON/OFF 비율인 Duty를 제어함으로써 빛 의 밝기를 조절하는 방식이다. 100Hz 이상의 주파수로 PWM 제어를 하면 사람의 눈에는 연속적인 빛의 형태
로 나타나게 되며, 나타나는 밝기는 다음과 같다 [3][4][5].
(1)
여기서 T는 PWM 주기, Yn은 최대 밝기, τon은 PWM 펄스의 듀티, T는 결과로 나타나는 밝기이다.
PWM 디밍에서는 LED의 전류 크기는 ON구간에서 전류가 일정하므로 Color-shift 현상이 전류제어 디밍 방식보다 적다[6][7]. 그러나 전류제어 컨버터의 ON 시 과도응답특성에 의해 낮은 레벨에서의 디밍이 어렵고, 동영상 촬영 시 그림 2에서와 같이 PWM의 OFF 된 LED가 화면에 나타나는 문제점이 있다.
디밍의 단계가 낮아지면 낮아질수록 PWM 디밍에서 는 OFF기간이 길어지게 되어 화면에 Flicker 현상이 발 생하게 된다. 따라서 PWM 주파수가 낮으며, 디밍 단계 가 낮을수록 Spatial(공간적) Flicker 현상이 심해지게 된다. 그러나 더 높은 PWM 디밍 주파수의 사용은 결국 디밍 시의 분해능이 적어지고 낮은 레벨에서의 제어가 어려워진다.
즉, 400Hz의 PWM 디밍 주파수에서 256단계의 디밍 레벨을 갖는 경우 1단계의 ON 시간은 9.7usec가 되며, 전류제어를 위한 컨버터에서 이 시간 안에 10번의 레귤 레이션을 하여야 한다고 가정할 때 스위칭주파수는 1MHz 이상이 된다. 따라서 PWM 디밍의 주파수가 높 아지고 디밍 레벨이 높을수록 컨버터의 스위칭 주파수 가 매우 높아지게 되므로 무대조명에서의 요구사항인 높은 디밍 레벨 분해능 및 넓은 디밍 범위를 구현하기 어렵다.
(a) LED 직접 촬영 (b) 빛을 간접 촬영 그림 2 150Hz PWM 디밍 시 촬영된 LED
본 논문에서는 Color-shift 현상을 최소화키고 높은 디밍 분해능 및 넓은 디밍 범위를 갖기 위해서 PWM과 전류제어의 혼합 디밍 방법을[8] 사용하였다. PWM 및 전류제어의 혼합방법은 그림 3에 나타낸 것과 같이 디 밍 레벨이 높은 경우 PWM 디밍을 이용하다가 낮은 디 밍 레벨이 되면 전류를 조절하는 방식으로써 두 디밍 방법의 단점을 보완하면서 장점을 살릴 수 있으며 본 논문의 목적인 무대조명에 적합하다.
2.2 디밍 주파수 및 변환 레벨의 선택 앞서 언급한 것과 같이 PWM 디밍 주파수가 낮은 경 우 동영상 카메라에 촬영되는 빛이 고르지 못한 문제점
그림 3 혼합 디밍 방식 개념도
그림 5 PWM 디밍 시 전류에러
입력 전압 40V
정격 출력 전류 700mA
제어 LED 개수 10개
LED 당 VF_typ GBW : 3.4V, R : 3.6V 디밍 방식 PWM and 전류제어 표 1 LED 전류제어회로의 설계 사양 이 발생한다. 카메라의 Shooting speed 및 Refresh 주
파수는 일반적으로 400Hz 이하 이며[9], 이를 확인하기 위하여 그림 4에 PWM 주파수를 달리하여 실제 측정한 결과를 나타내었다. 측정 시 간단한 동영상 촬영 장비 인 캠코더를 이용하여 PWM의 듀티를 50%로 고정 시 킨 후 10개의 White LED를 50Cm의 거리에서 측정하 였다.
(a) 1.6kHz (b) 800Hz
(c) 400Hz (d) 270Hz
(e) 200Hz (f) 160Hz 그림 4 캠코더로 측정된 PWM 주파수별 LED
그림 4에 나타난 것처럼 400Hz 이상이 되어야 LED를 근거리에서 직접 촬영하였을 시에도 빛이 고르게 나타 나게 되므로 본 논문에서는 PWM 디밍 시 주파수를 400Hz로 하였다.
본 논문에서 적용하고자 하는 디밍 방법은 혼합 디밍 방법이다. 혼합 디밍을 사용하고자 하는 근본적인 이유 는 PWM의 분해능과 낮은 디밍 레벨에서의 제어오차 및 이로 인한 Temporal(시간적) Flicker 발생이다.
낮은 디밍 레벨에서의 제어오차는 컨버터의 과도응답 특성 및 LED의 기생 성분에 의해 발생된다. 오차는 그 림 5에 나타낸 것처럼 PWM 시 이상적인 전류의 구형 파와 실제 전류의 구형파의 차이에 대한 비로써 다음의 식 (2)와 같이 나타낼 수 있으며, 본 논문에서는 실제 전류제어 회로를 설계한 후 파형을 측정하여 에러율이 15%가 되는 레벨을 변환레벨로 정하였다.
(2)
3. LED 구동회로의 설계
본 논문에서의 LED 전류 제어 회로는 벅 컨버터를 이용하여 구성하였으며, 그림 1에서 나타낸 것과 같이 각 색 당 2개로 총 8개의 전류제어회로로 구성하였다.
DC/DC 컨버터는 LLC 컨버터로 입출력 간 절연이 되도 록 구성하였으며, LED 전류제어 회로의 입력전압은 40V가 되도록 하였다. 1개의 LED 전류제어회로에 대한 설계사양을 정리하여 보면 다음의 표 1과 같으며, 그림 6에 회로를 나타내었다.
전류제어회로 구성 시 그림 6에 나타낸 것처럼 내장 FET 타입의 벅 컨버터 IC 인 AP1501을 이용하여 구성 하였다.
혼합 디밍 방법을 적용하기 위해 디밍 신호가 PWM 및 전류 제어 두 가지 모두 가능하도록 구성하였다. 디 밍 신호는 PWM 및 전류제어를 위한 신호가 메인 컨트 롤러에서 구분되어 나오도록 하였으며, 이 신호는 두 신 호 모두 PWM 신호이다. 먼저 전류제어 디밍 신호는 전 류 유지를 위한 피드백 회로에 디밍 PWM신호를 DC로 변환한 전압을 더하여 벅 컨버터의 스위칭 듀티가 변경
그림 6 LED 전류제어 및 디밍 회로 구성도 되도록 OPamp를 이용한 가산기 및 필터로 구성하였다.
또한 PWM 디밍입력은 AP1501의 Shutdown 단자에 입 력하여 벅 컨버터가 ON/OFF 되어 LED 열에 PWM 디 밍이 되도록 하였다.
최소 디밍 레벨에서 PWM의 ON 구간에서 전류의 최 소 크기는 정격전류의 2%인 10mA로 정하였다. 낮은 디 밍 레벨에서 제어가 선형적으로 이루어지고 Flicker가 발생하지 않도록 안정적으로 동작하려면 최소크기에서 도 벅 컨버터가 전류 연속모드로 동작하여야 한다. 따라 서 정한 최소전류에서 전류 연속모드로 동작할 수 있도 록 벅 컨버터의 인덕턴스 값을 설계하여야 한다.
먼저 전류 연속모드에서 벅 컨버터의 출력 식은 Vo = DVin 이며, 여기서 전류연속모드로 동작할 조건 에 대한 식을 구해보면 다음의 식 (3)과 같다.
(3)
여기서 듀티의 범위를 구하려면 LED의 특성을 살펴 봐야 한다. 먼저 최대 듀티를 구하기 위해 [10]을 보면 목적하는 700mA에서 VF는 GBW LED가 3.4V Red LED가 3.6V이다. LED는 직렬 10개로 구성되어 있으므 로 Vo_max=36V 이며, Do_max는 0.9가 된다.
목적하는 최소 전류의 VF는 [10]에 명시되어 있지 않 으나 10mA에서 측정결과 GBW LED가 2.6V, Red LED 가 2V로 측정되었다. 따라서 Vo_min=20V이며 Do_min 은 0.5가 된다.
T는 AP1501의 고정 스위칭주파수인 150kHz로 놓은 후 경계조건에서의 인덕턴스 값을 구해보면 전류가 최 대일 때 L=17uH, 전류가 최소일 때 3.3mH가 된다. 위의 결과에 의거하여 전류제어회로의 인덕턴스 값은 3.3mH 로 하였으며, 출력 커패시터의 경우 값이 크게 되면 PWM 디밍 시 에러가 커지게 되므로 출력전압 리플을 줄이면서도 에러가 커지지 않도록 220nF으로 하였다.
앞서 언급하였듯이 디밍의 변환레벨은 전류제어 컨 버터를 설계한 후 에러율을 구하여 변환레벨을 결정하 였다. 그림 7에 측정된 LED의 PWM 전류파형을 나타 내었으며, 이 파형을 선형 근사화하여 에러에 대한 면 적을 계산하고, 식(2)의 에러율을 계산하였다. PWM 듀 티에 따른 에러율은 다음의 그림 8과 같으며, 에러율이 15%가 넘는 지점인 PWM 듀티 30%를 변환레벨로 정 하였다.
그림 7 PWM duty 50% 일 때 측정된 LED 전류, 근사 곡선, 이상적 곡선
그림 8 PWM 듀티에 따른 에러율
4. 분석 및 실험
컨버터의 설계 확인 및 디밍 시의 특성들을 측정하기 위하여 그림 9와 같은 측정환경을 구성하였다. 빛의 파 장 및 조도는 외부 빛의 영향을 차단하기 위하여 암실 에서 측정 하였으며, 측정 장비는 Lecroy社의 Waverunner 104Mxi Oscilloscope, Agilent社의 MSO7054A Oscilloscope, International light社의 RPS900-R spectroradio meter, TES社의 TES-2331A luxmeter를 사용하였다.
그림 9 측정을 위한 환경 구성
그림 11 최소 디밍에서 인덕터의 전류 파형
혼합 디밍 시 White LED 1 채널(10EA)의 전압 전류 파형을 그림 10에 나타내었다.
그림 10에 나타난 것처럼 디밍 레벨이 30% 이하가 되 면 디밍 방식을 PWM 디밍에서 전류제어 디밍으로 변 경되어 LED 열의 전류 크기가 줄어드는 것을 확인 할 수 있다.
또한 앞선 컨버터 설계에서 최소 디밍 레벨에서 전류 연속모드로 동작하도록 설계하였다. 그림 11은 최소 디 밍 레벨에서 인덕터의 전류파형으로 전류연속모드로 동 작하는 것을 확인 할 수 있다.
(a) 100% (b) 80% (c) 50%
(d) 30% (e) 20% (f) 10%
그림 10 디밍레벨에 따른 LED 전압, 전류 및 인덕터 전류 파형
설계된 컨버터에 PWM, 전류제어, 혼합 디밍 방식을 적용한 후 각 색별 LED 1 채널(10EA)에 대해 디밍 레 벨 별 조도를 측정한 결과는 다음의 그림 12와 같다.
조도의 측정 결과는 각 색 별 최대 조도의 비율로써 나타내었다. PWM과 전류제어 디밍 방식을 비교하였을 때 PWM 디밍 방식이 더 선형적으로 변화하는 것으로 나타났으며, 특히 RED LED의 경우 전류제어 디밍 방 식 적용 시 비선형 특성이 크게 나타났다. 혼합 디밍 적 용 시에는 초기에 PWM 디밍의 조도변화 특성과 같이 변화하다가 변환레벨인 30% 이후에서 PWM과 전류제 어 디밍 방식의 혼합특성을 갖는 것으로 나타났다.
RGBW LED중 디밍 시 파장의 변화가 가장 큰 Green LED[11]로 각 디밍 방법을 적용하여 색의 파장을 측정 해본 결과는 다음의 그림 13과 같다.
(a) Red LED (b) Green LED
(c) Blue LED (d) White LED 그림 12 각 색 LED의 상대적 조도 vs. 디밍레벨
(a) PWM Dimming
(c) Mixed Dimming (the proposed method) (b) Current Dimming
그림 14 Green LED의 파장 변화 실험 과정
그림 13 Green LED의 디밍 방식에 따른 파장변화
그림 13에 나타난 것과 같이 PWM 제어의 경우 디밍 레벨에 따라 파장이 일정하게 변화하여 색을 유지하지 만, 전류제어 디밍의 경우 파장의 첨두치가 이동하여 Color-shift 현상이 나타나게 된다. 논문에서 사용한 혼 합 제어 방식의 경우 low level에서 Color-shift 현상이 약간 발생하지만 그 위 레벨에서는 일정한 파장의 형태 를 유지하는 것을 확인하였다.
5. 결론
본 논문에서는 200Watt급 RGBW LED Moving Light 의 DC 전류 제어와 PWM 방식을 혼합한 제어방법을 제안하였고, 이를 위한 회로를 설계하여 무대조명으로서 의 특성을 만족하는지 실험적으로 검증하였다.
무대조명의 색 표현력을 높이기 위해서는 조도 제어 범위가 넓어야 하고 매우 낮은 전력에서도 동작해야 하 며 제어레벨의 분해능이 높아야 한다. 또한 디밍 시 조 도가 선형적으로 변하고 각 색의 파장의 변화가 적어야 색을 조합하여 사용할 때 일정한 광색을 유지할 수 있 다. 따라서 본 논문에서는 위 특성을 동시에 만족하기 위한 전류제어와 PWM을 혼용 한 제어방식을 제안하였 으며, 제안한 방법의 특성을 실험으로 확인 하였다.
실험 결과 두 디밍 방법의 특성이 모두 관찰되었다.
파장 변화의 경우 전류제어 디밍보다 적으며, PWM 디 밍시에 나타났던 low level에서 Flicker 현상이 제거되었 다. 또한 위의 두 가지 방법보다 디밍 분해능을 높게 할 수 있었다.
따라서 본 논문에서 제안한 디밍 방식은 두 디밍 방 법의 단점을 보완하면서 장점을 살릴 수 있어 무대 조 명으로서의 특성을 만족한다.
본 연구는 지식경제부 및 정보통신산업진흥원의 "IT 융합 스마트조명 고급인력양성사업"의 연구결과로 수 행되었음, NIPA-2010-C6150-1001-0016
참 고 문 헌
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