모바일용 LED 드라이버 비교)부스트 컨버터와 차지 펌프의 베일을 벗기다

[운영진]

모바일용 LED 드라이버 비교)부스트 컨버터와 차지 펌프의 베일을 벗기다

최근의 휴대용 전자장치에 이용되는 백색 LED를 구동하기 위해서는 부스트 컨버터나 차지펌프가 필요하다. 일반적으로 두 종류의 드라이버가 많이 사용되며, 각기 고유한 장점과 단점을 갖는다. 본 고에서는 각 드라이버의 장점을 살펴볼 것이다. 또한 주요업체의 제품을 비교해 보았다.








휴대용 전자기기는 일반적으로 백색 LED를 백라이트로 하는 컬러 LCD 디스플레이를 갖고 있다. 백색 LED를 최적으로 구동하기 위해서는 LED의 높은 순방향 전압을 극복할 뿐 아니라 배터리 전압에 따른 휘도 변동과 LED간의 편차에 의한 휘도 변동을 최소화하기 위해 정전류를 구동하는 특별한 레귤레이터를 필요로 한다. 이를 위해 주로 두 가지 종류의 레귤레이터가 사용되는데, 하나는 인덕터 기반 부스트 컨버터(직렬)이고 다른 하나는 커패시터 기반 차지 펌프 컨버터(병렬)이다. 각 레귤레이터 타입은 고유한 장점과 단점을 가지고 있어, 최적의 선택은 시스템의 특징에 따라 우선순위를 결정하는 것이다.

맥심코리아의 이종흔 차장은 “더 밝고 선명한 화질 구현을 위해서는 더 많은 LED 드라이버로 더 많은 LED를 구동해야 한다. 과거에는 LED를 4개 이하로 사용했으나 지금은 5~7개 정도를 사용하고 최대 8~9개도 구동이 가능하다”고 말하고 “LED 구동이 직렬방식인 부스트 타입보다는 차지펌프 방식이 병렬 구조로 인덕터가 필요없이 캔 만으로 구현이 가능하고 크기를 줄일 수 있어 모바일 기기에 유리하다”고 설명했다.

이 글에서는 두 종류를 대표하는 각 사의 최신 부스트 컨버터와 차지 펌프를 비교한다. 각 레귤레이터의 장점을 평가하여, 결론은 시스템 설계자가 적절한 솔루션을 선택하도록 도움을 줄 것이다. 그러나 모든 비교대상은 동시에 설계되거나 동일한 설비, 동일한 공정으로 제작되지 않았으며 스위칭 주파수 또한 다르기 때문에 설계자의 용도에 따라 적합한 소자를 선택하려면 데이터북을 참고하길 권한다.

비교 1: 회로 복잡성

그림 1은 두 레귤레이터 솔루션에 대한 회로도를 보여준다. 이 회로는 몇 개의 외부 부품만을 탑재하고 있어 간단하지만, 부스트 컨버터는 인덕터와 쇼트키 다이오드가 필요하다(일부 부스트 컨버터는 쇼트키 다이오드가 내장되어 있지만 항상 효율 감소를 수반한다). 회로복잡성에서는 차지펌프가 다소 우세하다.

비교 2: 효율

두 솔루션의 효율을 계산해보자. 효율은 표준화된 리튬 이온 배터리 C/5 방전 프로파일 동안 배터리 전원에 의해 분배되는 LED에서의 전력으로 계산되었다. 전문가의 도움을 얻어 복잡한 수식을 통해 부스트 컨버터와 차지 펌프 두 제품의 평균 효율은 83%(8mA)임을 알았다. 그러나 그보다 낮은 2mA, 비활성화(inactivity) 상태에서 밝기를 제어하였을 때의 효율은 다르게 나타났다. 59% 효율의 부스트 컨버터에 비해 차지 펌프는 평균 76%의 뛰어난 효율을 보였다. 통상적으로 차지펌프가 부스트 타입보다 효율이 떨어진다고 인식하고 있었으나 놀랍게도 차지 펌프가 다소 우수했다.
대부분의 차지 펌프는 거의 이런 효율을 구현하지 않기 때문에 이런 결과는 다소 놀라운 것이다. 하지만 이런 결과에도 불구하고 부스트 컨버터에 우수한 점수를 준 것은 차지펌프에 1x/1.5x 패스 스루와 같은 특별한 기능이 내장되어 있어야 한다는 전제 조건 때문이다.

비교 3: 물리적 크기

이제 비교는 외부 부품을 포함한 두 솔루션에 대한 PCB 풋프린트를 살펴보자. 부스트 컨버터는 핀 개수가 더 적어 소형의 3mm × 3mm 패키지가 가능하지만, 인덕터가 더 넓은 면적과 큰 높이를 필요로 한다. 1mm 높이에 달하는 인덕터는 더 많은 보드 공간을 필요로 한다. 차지 펌프는 좀 더 큰 4mm × 4mm 패키지에 실장되지만, 4개의 소형 1μF 세라믹 커패시터만 있으면 된다. 극도로 공간의 제약을 받는 애플리케이션의 경우라면 차지 펌프는 초소형 2mm × 2mm 칩 스케일 패키지로도 제공될 수 있으므로, 전체 차지 펌프 솔루션이 우수함이 증명되었다.

비교 4: 시스템 유연성

부스트 컨버터의 한 가지 중요한 장점은 차지 펌프는 LED가 병렬 구성인데 반해 부스트 컨버터는 LED가 직렬로 연결된다는 점이다. 즉, 이러한 직렬 구성은 부스트 컨버터와 LED 사이에 단 2개의 트레이스만 필요하다. 이것은 특히 부스트 컨버터 또는 차지 펌프는 메인 시스템 PCB에 놔두고 별도의 디스플레이 모듈에 LED를 실장해야 하는 경우 유리하다. 이러한 경우, 부스트 컨버터는 더 적은 커넥터 단자를 사용한다.

이 밖에도, 디스플레이 모듈에서 각기 다른 개수의 LED를 사용하는 다양한 모델에 대해 동일한 부스트 컨버터 회로를 사용할 수 있다. 또는 부스트 컨버터 회로에 전혀 영향을 미치지 않으면서 특정 모델의 디스플레이 모듈을 언제라도 변경할 수 있으며, 반대로 디스플레이 모듈에 전혀 영향을 미치지 않으면서 부스트 컨버터를 변경할 수 있다. 이러한 LED 직렬 연결은 설계 일정의 위험을 현저히 줄여준다. 차지 펌프를 효율적으로 만들기 위해서는 1x 모드는 각 LED에 대한 개별적인 전류 레귤레이터가 필요하다. LED의 수를 변경할 경우, LED에 연결되는 트레이스의 수도 변경해야 한다. 또 때로는 사용하지 않는 전류 레귤레이터를 디스에이블하기 위해 회로도를 변경해야 하기도 한다.
차지 펌프를 다른 솔루션으로 변경하는 경우, 문제가 생길 수 있다. 사용하지 않는 전류 레귤레이터는 다른 방법(OUT에 연결하거나 또는 부동 상태를 만드는 등)을 통해 디스에이블할 수 있다. 더 안 좋은 방법은 새로운 차지 펌프를 공통 양극이 아닌 공통 음극을 갖는 LED 배열로 설계할 수 있는데, 이는 디스플레이 모듈을 추가로 변경해야 한다는 것을 의미한다. 이런 이유로 시스템 유연성에서는 부스트 컨버터가 다소 좋은 점수를 받았다.

비교 5: 리플 및 잡음

차지 펌프와 부스트 컨버터는 스위칭 레귤레이터이므로 입/출력에서 전압 및 전류 리플을 발생시키고 인덕터와 스위칭 노드에서 EMI를 방출한다. 때로 이러한 리플과 잡음이 휴대전화기의 RF 트랜시버와 같은 제품 내부에서 다른 민감한 회로와 결합하여 성능상의 문제를 야기할 수도 있다. 배터리 전원 라인은 시스템에서 많은 회로에 공유되므로 입력 리플이 매우 중요하다는 점은 분명하다. 그러나 동일한 주파수에서 스위칭하고, 동일한 출력 부하를 구동하고, 동일한 입력 커패시턴스를 사용하면 차지 펌프나 부스트 컨버터의 입력 리플은 매우 비슷했다.
부스트 컨버터는 인덕터의 자기장에 에너지를 저장하므로, 차지 펌프의 플라잉 커패시터보다 더 많은 EMI를 방출한다. 이러한 이유로, 차폐된 인덕터나 시스템 내부에 독립된 차폐를 권장한다. 게다가, 부스트 컨버터는 인덕터와 쇼트키 다이오드 간의 스위칭 노드 상에 매우 날카로은 에지를 가지는 큰 전압 스윙을 갖는다. 스위칭 노드에 소형 커패시터를 추가하면 종종 날카로운 에지를 부드럽게 하고 EMI를 줄일 수 있지만, 유감스럽게도 효율을 어느 정도 떨어뜨린다.
그런 이유로 차지펌프 우세.

결론

위의 비교는 차지 펌프가 3점, 부스트 컨버터가 2점으로 차지 펌프가 박빙의 승리를 보여준다. 그러나 설계 우선순위와 모든 특정 드라이버 IC의 고유한 특성에 따라 의견이 다를 수 있다. 최근까지 부스트 컨버터는 차지 펌프보다 훨씬 더 효율적이었으며 많이 이용되어 왔다. 그러나 차세대 1x/1.5x 차지 펌프가 그 격차를 없앰으로써 최근 대부분의 신제품 설계에는 차지 펌프 솔루션이 선호되고 있다.

(이종흔 차장/맥심 코리아)

차지펌프가 대세지만
효율이냐, 유연성이냐에 따라 선택기준 달라.

Q. 어떤 종류가 있는가?
A. 모바일용 LED 드아리버에는 LED가 직렬로 연결되는 부스트 타입과 LED가 병렬로 연결되는 차지 펌프 방식이 있다. 최근에 기능과 효율이 개선되고 소형 크기로 시장에 출시된 차지펌프가 부스트 드라이버보다 선호되고 있다.

Q. 차지펌프가 왜 선호되는가?
A. 단순한 드라이버 기능만 내장되어 있지 않다. 모바일폰의 카메라 플래시용 전원 및 LDO 가 집적되거나 차세대 1x/1.5x 패스스루와 같은 기능이 내장되어 효율이 부스트 드라이버 못지않게 개선되고 있다. 크기나 간단한 회로도 공간절약형 소형기기에서 선호되고 있다. 최근에는 효율을 높이기 위한 방법으로 네가티브 차지펌프를 구현하고 모드 변경이 낮은 전압에서 이루어지고 있기 때문에 효율이 많이 개선되었다. 또한 더 많은 LED(9개까지) 구동이 가능하기 때문에 더욱 선명한 화질을 얻을 수 있다.

Q. 부스트 드라이버는 장점이 없는가?
A. 그렇지 않다. 효율이나 시스템 유연성 문제에서 탁월한 장점을 가지고 있다. 공간제약이 필요없는 시스템에서 선호되고 있다. 고가형보다는 저가형에서 가격경쟁력을 위해 많이 사용된다.

Q. LED 드라이버가 내장할 수 있는 기능은?
A. 외부의 밝기에 따라 자동으로 명암이 조절되는 기능 및 소비전력을 절감하는 기술이 적용될 것으로 보인다. 플래시 전원을 지원하고 LDO가 많이 내장되어 LED를 많이 구동할 수 있는 제품을 기대한다.

Q. 안정성 문제를 많이 강조하셨는데…
A. 부스트형은 2선만으로 구동이 가능하고 디스플레이와 드라이버를 분리하여 설계할 수 있으며 업그레이드 지원이 가능하지만 차지펌프형은 병렬이기 때문에 모든 LED에 선이 필요하다. 업그레이드 시 매우 복잡하고 매우 정교한 평형전류를 제공하여야 LED 밝기가 균일해진다. 이런 기술을 어느 업체에서 잘 제공하는지가 선두업체의 관건이 될 것이다.

(신제품)

아날로직테크,
3개 LDO 및 7개 LED/플래시 드라이버를 탑재한 고집적 칩

단일셀 리튬이온/폴리머 시스템에 최적화 되어 있는 AAT2860은 2.7V~5.5V 입력 전압 범위에서 동작한다. 트라이모드 차지 펌프는 다중 백라이트 및 플래시 구성으로 된 최대 7개의 LED를 구동한다. 이 새로운 LMU는 초기에는 2개의 기본 구성으로 제공된다. AAT2860-1은 메인 디스플레이를 위한 7개 LED 드라이버 또는 메인 디스플레이용 4개/서브 디스플레이용 3개로 구성된다. AAT2860-2는 메인 디스플레이를 위한 6개의 LED 드라이버와 1개 플래시 드라이버 또는 메인 디스플레이용 4개/서브 디스플레이용 2개/1개 플래시 드라이버를 제공한다. 다른 구성은 요청에 따라 제공된다.

각 LED를 위한 전류 레벨은 I2C 호환 직렬 인터페이스를 통해 이네이블(enable), 디세이블(disable) 및 설정된다. 백라이트 LED는 0.5mA~31mA로부터 32개 디스크리트 레벨에서 프로그래밍이 가능하다. 균일한 디스플레이 휘도를 제공하기 위해 전류 매칭은 3% 보다 더 높다. 플래시 LED는 최대 300mA까지 16개 레벨에서 프로그래밍이 가능하다. 플래시 LED를 위한 전류 매칭은 5% 보다 높다. 열 손상으로부터 플래시 LED를 보호하기 위해 AAT2860은 또한 프로그래머블 안전 타이머를 포함하고 있으며, 이는 소프트웨어 고장 시 자동으로 플래시 펄스를 종료한다.
AAT2860은 또한 3개의 저잡음 저드롭아웃(LDO) 리니어 레귤레이터가 특징이다. 각 LDO는 150mV 드롭아웃과 함께 최대 300mA의 부하 전류를 제공할 수 있다. 그라운드 핀 전류는 80μA이다. 각 출력은 1.5~3.0V까지 I2C를 통해 프로그래밍이 가능하다.
http://www.analogictech.com/

MAXIM,
크기가 40% 작아진 백색 LED 차지 펌프

MAX8645X/MAX8645Y는 카메라 모듈에 전원을 공급하기 위해 프로그래밍 가능한 200mA LDO 2개가 내장되어 있다. 이 LDO는 저잡음(40μVrms, 일반) 성능을 제공하므로 이미지 인식 동안 깨끗하고 안정적인 전원을 보장한다. 이러한 능력은 현세대 및 차세대 휴대전화에 주로 사용되는 고해상도 카메라에서 영상 잡음을 최소화하는데 특히 중요하다. 2개의 제어 핀을 통해 9개의 다른 출력 전압 조합을 선택할 수 있어 명령 및 저장 요구사항을 단순화한다.
차지 펌프 레귤레이터를 이용하면 인덕터가 필요하지 않으므로 초슬림 설계가 가능하다. 또한, 독자적인 적응형 1x/1.5x/2x 차지 펌프와 전압강하가 아주 작은 전류 레귤레이터를 이용하여 고효율 85%(Li+ 배터리 수명에서 PLED/ PBATT)을 달성한다. MAX8645X/MAX8645Y는 1MHz 고정 주파수 스위칭을 제공하므로 소형 외부 부품의 사용이 가능하여 총 솔루션 크기를 더욱 줄일 수 있다. 이들 소자는 5비트 디밍 분해능과 0.2%(typ) 전류 정합으로 최대 30mA/ LED에서 6개의 WLED를 구동하며, 5비트 분해능으로 최대 200mA/LED에서 2개의 플래시 LED를 구동한다. 디밍 제어는 간단한 2비트 로직 인터페이스를 사용하여 구현하거나, 더욱 미세한 조정이 가능하도록 로직 핀을 함께 연결하여 직렬 펄스 인터페이스로 사용할 수 있다. 기타 기능으로는 소프트 스타트 기능이 있어 돌입 전류를 줄여주고, 고유 열 경감 기능이 있어 LED가 높은 동작 온도에서 구동 전류를 제어하는 기능이 있다.
http://www.maxim-ic.com/MAX8645X

내셔널 세미컨덕터,
LED WEBENCH 통해 5분안에
LED 드라이버 설계 끝!

내셔널 세미컨덕터는 200개 이상의 고휘도 LED 중 하나를 선택하여 단 몇 분 만에 설계할 수 있는 LED(Light-Emitting Diode) WEBENCH짋 온라인 설계 환경을 도입한다고 발표했다.
엔지니어는 내셔널의 LED WEBENCH 툴셋을 사용하여 최대 60개의 LED가 내장된 시스템을 직렬 또는 병렬로 구성할 수 있다. LED WEBENCH 툴은 한 번의 키 조작으로 LED를 내셔널의 에너지 효율이 높은 PowerWise짋 LED 드라이버와 결합하여 최적화된 전력 공급장치 회로를 만들 수 있다. 엔지니어는 크기 및 효율성에 대한 요구 사항을 쉽게 ‘수정’하고 시동, 정상 상태, 펄스폭 변조 디밍 및 라인 과도 전류를 포함한 동적 조건 하에서의 회로 동작을 시뮬레이션할 수 있다. 단 몇 분 만에 시스템을 미세 조정한 후 ‘BuildIt!’ 기능을 사용하여, LED 회로를 위한 완벽한 BOM(Bill of Material)은 물론 선택된 LED, PC 보드, 드라이버 IC 및 수동 소자가 포함되어 있는 맞춤형 프로토타입 키트를 신속하게 제공할 수 있다.
내셔널 세미컨덕터의 기술 영업 및 웹 툴 부문 부사장인 Phil Gibson은 “사용자가 진행한 연구에 따르면 LED WEBENCH를 사용하면 전력 공급장치의 선택, 설계 및 제작에 소요되는 시간 중 32시간을 절약할 수 있다”고 말하면서,. “4일 동안 작업에만 몰두할 수 있는 사람은 아무도 없기 때문에 결국 그 일은 몇 주일이 걸리게 되는데, 내셔널의 LED WEBENCH 툴을 사용하면 단 몇 분 만에 이 프로세스를 완료할 수 있다”고 덧붙였다.
http://power.national.com/KRN/

TI,
2.5인치 휴대용 디스플레이용
OLED 드라이버

TPS65136은 하나의 2.2μH 인덕터 만으로 두 가지 출력을 생성하는 다중 출력 컨버터 기술을 갖추고 있다. 고화질을 제공하는 이 디바이스는 부품 수를 줄여 보다 작은 솔루션을 제공한다. 벅 부스트 토폴로지를 통해 4.6V의 포지티브 전압과 최저 -7V의 조정 가능한 네거티브 출력 전압을 생성할 수 있다. 또한 TPS65136의 입력 전압은 포지티브 출력 전압 이상 혹은 이하일 수 있으며, 최대 4.8V까지 시작 전압으로 새로운 배터리를 지원할 수 있다.
독자적인 컨버터 기술은 우수한 라인과 부하를 조절할 수 있다. 이러한 특징은 전송시간 동안 휴대용 기기에서 발생할 수 있는 잠재적인 디스플레이 간섭요소를 막는데 필요한 기술이다. 컨버터는 고효율성을 유지할 수 있도록 전체 부하 전류 범위에서 부하전류가 감소하면 스위칭 주파수도 낮추어 준다. TPS65136은 세라믹 출력 커패시터의 진동에 의한 가청 잡음이 유발되는 것을 피하기 위해 전압 제어형 오실레이터를 사용하여 가청 범위 이상의 스위칭 주파수를 유지한다.
www.ti.com/lighting

LTC,
최대 10개 LED 구동 가능 및
32:1 디밍 비율 특징

LT3593은 단일 리튬이온 셀에서 80% 이상의 효율로 최대 10개의 백색 LED를 구동할 수 있도록 설계되었다. 이 제품은 2.7V~5.5V의 입력 전압 범위에서 동작하므로 싱글셀 리튬이온 및 멀티셀 알카라인/NiCd/NiMH 전원에 최적화 되어 있다. 정스위칭 주파수가 1MHz이므로, 초소형 로우프로파일 인덕터와 커패시터를 함께 사용할 수 있으며, 입출력 잡음을 감소시키고 잘 제어할 수 있다. 고효율, 저잡음 및 매우 작은 전체 솔루션 풋프린트 등의 특징을 통해 LT3593은 백라이트용 백색 LED가 최대 10개까지 필요한 핸드헬드 애플리케이션에 이상적이다.
LT3593은 정전류 전원으로써 기능을 수행하므로 각 LED의 휘도를 균일하게 유지하며, LED의 포워드 전압 드롭에서의 변화(온도, 제조 오차 및 노화에 영향을 미침)에 상관없이 각각의 백색 LED에 동일한 전류를 공급한다. LT3593은 싱글 와이어 디지털 직렬 인터페이스를 이용해 32:1의 선형 휘도 제어를 제공한다. 그 밖의 특징으로는 셧다운 시 출력 차단, 개방 LED 보호 및 ±5%의 레퍼런스 정확도가 있다.
http://www.linear.com