1. 서 론

LED(Light emitting diode)는 낮은 소비전력, 긴 수명, 친환경, 고 휘도, 작은 크기 등 여러 가지 장점으로 인하여 조명기기, 헤드램프, LCD TV 백라이트 등 다양한 제품에서 광원으로 널리 사용되고 있다^(1-2). 제품에 필요로 하는 충분한 양의 빛을 내기 위하여 LED들은 직ㆍ병렬로 연결되어 사용된다. 다수의 LED들이 직렬로 연결된 것을 LED 스트링이라 하며 이러한 LED스트링들이 병렬로 연결되어 LED 광원이 된다^(1-3).

LED 광원을 동작시키기 위해서는 그림 1의 LED구동회로가 필요하며 LED구동회로는 dc-dc 컨버터, 전류 조절기, LED단락 검출회로로 구성된다. dc-dc 컨버터는 LED 스트링이 구동되는데 필요한 구동전압과 전류를 제공하며 LED구동전압(VLED)은 LED스트링을 구성하는 직렬 연결된 LED들의 수와 스펙에 의해서 결정된다. 전류 조절기는 개별 LED 스트링들이 동일하게 일정한 LED 전류가 흐르도록 해준다. LED단락 검출회로는 LED스트링의 LED들 중 일부가 단락이 되었을 때 이를 검출하여 LED스트링에 과전류가 흐르는 것을 방지함으로써 LED 구동회로와 LED 스트링을 보호 한다^(1-3).

LED스트링들은 동일한 LED들로 구성되지만 LED들 간 허용오차내의 특성편차와 동작온도 차이 등으로 인하여 다른 임피던스를 가지게 된다. 이러한 임피던스 차이는 동일한 LED구동전압(VLED)에서도 LED스트링들에 다른 LED전류가 흐르도록 한다. 이러한 전류 편차를 개선하기 위하여 전류 조절기가 사용이 되며 가장 많이 쓰이는 전류 조절기는 그림 2와 같은 선형 전류 조절기이다. 선형 전류 조절기는 양극성 접합 트랜지스터, 증폭기, 저항으로 구성된다. 증폭기의 +단자에는 기준전압 (VREF)을 그리고 -단자에 LED 스트링내의 저항 (RE)의 전압을 공급한다. 증폭기는 +와 - 단자의 전압 차에 비례하는 전류를 양극성 접합 트랜지스터의 베이스에 공급한다. 따라서 LED전류가 커지면 -단자의 전압이 커지게 되어 증폭기에서 공급하는 양극성 접합 트랜지스터 베이스 전류가 작아지게 되고 반대로 LED전류가 작아지게면 –단자의 전압이 작게 되고 증폭기에서 공급하는 양극성 접합 트랜지스터의 베이스 전류가 커지게 된다. LED전류는 양극성 접합 트랜지스터의 베이스 전류에 전류이득을 곱한 값이므로 이러한 부 귀환 동작에 의하여 각 LED스트링의 LED전류는 동일하게 되며 증폭기의 기준전압 (VREF)에 의해서 결정된다.

Fig. 1. Block diagram of the LED driving circuit and LED strings

Fig. 2. Short detection circuit and current regulator for LED string

LED스트링과 연결된 양극성 접합 트랜지스터의 베이스 전류가 작아지게 되면 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터-에미터 전압은 커지게 되며 양극성 접합 트랜지스터의 베이스 전류가 커지게 되면 그 반대가 된다. 이로 인하여 전류 조절기에 의해서 각 LED스트링들은 동일한 전류가 흐르게 되지만 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)는 LED스트링의 임피던스 편차에 의한 LED스트링 전압차이를 보상하기 위하여 다른 값을 가지게 된다. LED스트링에서 일부 LED들이 단락이 되면 해당 LED스트링의 임피던스는 작아지게 되며 전류 조절기는 LED스트링에 과 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 부 귀환 동작을 통해 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)을 상승시킨다. 그러나 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)의 상승은 양극성 접합 트랜지스터에 열을 발생시키게 된다. 이것은 양극성 접합 트랜지스터의 손상을 야기하며 결국 LED스트링과 LED구동회로의 파손을 야기한다.

본 논문에서는 LED단락으로 인한 문제를 해결하기 위하여 새로운 LED단락검출회로를 제안하였다. 제안된 LED단락검출회로는 비교기와 모스펫으로 구성되며 LED스트링내의 LED가 단락되었을 때 이를 감지하고 해당 LED스트링에 전류가 흐르지 않도록 한다. 논문의 구성은 다음과 같다. 2절에서는 제안된 LED단락검출회로의 구조와 동작원리를 설명하였으며 3절에서는 실험 결과를 바탕으로 제안된 LED단락 검출회로의 동작과 효과를 증명하고 실험결과에 대하여 설명하였다. 4절에서는 본 논문에서 제시하는 연구내용과 의의에 대해서 요약하였다.

2. 제안된 LED단락검출회로

2.1 회로구조

그림 3의 제안된 LED단락검출회로는 선형 전류 조절기와 결합하여 동작하게 된다. 선형 전류 조절기는 NPN양극성 접합 트랜지스터(Q), 저항(RE), 증폭기(OA)로 구성되며 제안된 회로는 비교기(CM), 모스펫(SW)으로 구성된다. 비교기(CM)의 +단자는 양극성 접합 트랜지스터(Q)의 컬렉터단자와 연결되며 -단자는 기준전압(VREF1)과 연결된다. 비교기의 출력은 모스펫(SW)의 게이트와 연결되며 모스펫(SW)의 드레인은 전류 조절기의 증폭기(OA) 출력과 연결된다.

Fig. 3. Proposed LED short detection circuit

2.2 회로 동작원리

LED스트링의 LED단락이 발생하지 않았을 경우에는 그림 4 (a)와 같이 동작을 하게 된다. LED스트링에 LED구동전압(VLED)가 인가되면 각 LED스트링은LED 전류(ILED)가 흐르게 되며 NPN양극성 접합 트랜지스터(Q)의 에미터 전압(VE)는 REILED가 된다. 증폭기(OA)는 +단자의 기준전압(VREF2)과 -단자에는 에미터전압(VB)이 그리고 출력단자는 양극성 접합 트랜지스터(Q)의 베이스에 각각 연결된다. 따라서 양극성 접합 트랜지스터의 베이스전류(IB)는 다음의 식에 의하여 결정된다.

(1)

$I_{B}\propto V_{B}=\alpha\left(V_{REF2}-V_{E}\right)$

여기에서 α는 증폭기에서 입력 전압차에 대한 출력전압의 비를 의미하는 전압이득이다.

LED전류(ILED)는 양극성 접합 트랜지스터의 베이스전류(IB)와 컬렉터전류(IC)의 관계에 의해서 다음과 같이 결정된다.

(2)

$I_{\le D}=\beta I_{B}$

여기에서 β는 양극성 접합 트랜지스터 전류이득을 의미한다.

식 (1)을 식 (2)에 대입하여 각 LED스트링의 전류(ILED)는 다음과 같이 결정된다.

(3)

$I_{\le D}\propto\alpha\beta\left(V_{REF2}-V_{E}\right)$

식 (3)에 의해서 LED전류(ILED)는 NPN양극성 접합 트랜지스터(Q)의 에미터 전압(VE)에 의해서 결정이 된다. 트랜스컨덕턴스 α와 β 값이 매우 크므로 각 LED스트링은 선형 전류 조절기의 연속적인 부 귀환 동작에 의하여 에미터 전압(VE)가 기준전압(VREF2)가 될 때까지 ILED가 조정된다. 그러나 각 LED스트링의 LED전류가 전류 조절기의 부 귀환 동작에 의해서 동일하게 되기 위해서는 LED스트링간의 임피던스(ZL)의 편차를 해소해야 하므로 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)이 차이를 가지게 된다. 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)는 베이스전류(IB)에 의해 결정이 되며 반비례의 관계를 가진다. 컬렉터 전압(VC)는 식 (4)와 같이 주어진다.

(4)

$V_{C}=V_{\le D}-I_{\le D}Z_{L}$

LED가 단락되지 않았을 경우의 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)는 비교기의 기준전압(VREF1)보다 작으며 따라서 비교기의 출력은 0V의 전압을 가지게 된다. 비교기의 출력전압은 모스펫의 게이트 전압(VG)가 되며 모스펫의 게이트-소스전압(VGS)는 모스펫(SW)의 임계전압(VTH)보다 작아 모스펫은 열리게 된다. 따라서 전류 조절기는 정상적인 동작을 수행하게 된다.

Fig. 4. Operation principle of the proposed LED short detection circuit

LED스트링에 LED단락이 발생했을 경우는 그림 4 (b)와 같이 동작을 하게 된다. LED스트링 중 LED가 단락이 되면 임피던스(ZL)이 작아지게 된다. 전류 조절기의 부 귀환 동작에 의해 LED전류(ILED)는 증폭기의 기준전압(VRFE2)에 의해 결정된 정 전류의 값을 가지게 되므로 식 (4)에 의해서 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)은 LED스트링의 임피던스(ZL)가 작아지는 것에 반비례하여 커지게 된다. 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)는 비교기의 기준전압(VREF1)보다 커지게 되면 비교기의 출력은 0V가 아닌 직류전압을 가지게 된다. 비교기의 출력전압은 모스펫의 게이트 전압(VG)가 되며 모스펫의 게이트-소스전압(VGS)는 모스펫(SW)의 임계전압(VTH)보다 커지게 되므로 모스펫(SW)은 닫히게 된다. 따라서 증폭기의 출력전류(IB)는 양극성 접합 트랜지스터(Q)가 아닌 모스펫(SW)으로 흐르게 되며 식 (2)에 의해서 양극성 접합 트랜지스터(Q)는 개방된다. 양극성 접합 트랜지스터(Q)가 개방되면 LED단락이 발생된 LED스트링에는 전류(ILED)가 흐르지 않게 되고 양극성 접합 트랜지스터의 열 발생을 방지하게 되어 결국에는 LED스트링과 LED구동회로를 보호할 수 있다.

Fig. 5. Prototype of the proposed LED short detection circuit

3. 실험결과

제안된 LED단락 검출회로의 동작 및 효과를 검증하기 위하여 선형 전류조절기와 제안된 회로의 프로토타입 (Fig. 5)이 제작되었으며 3개의 LED 스트링에 연결하여 실험하였다. 각 LED스트링은 5개의 LED들이 직렬 연결되어 구성되며 3개의 LED스트링은 병렬 연결된다. 또한 LED스트링들을 위해 필요한 LED구동전압(VLED)는 18V가 사용되었다. 실험에 사용된 주요 소자들의 모델과 스펙은 표. 1과 같다.

표 1에서 VF는 LED의 포워드 전압, α는 증폭기의 개방 전압이득, VCC는 비교기의 출력전압, VTH,max는 양극성 접합 트랜지스터의 최대 임계전압, βmax는 양극성 접합 트랜지스터의 최대 전류이득을 각각 나타낸다.

그림 6은 전류 조절기와 제안된 회로가 모두 사용되지 않았을 때, 각 LED스트링의 측정된 전류파형 및 NPN 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)와 동작온도를 측정한 결과이다. 18V의 LED구동전압(VLED)이 세 개의 LED스트링들에 공급되었을 때 LED스트링간의 임피던스 차이로 인하여 각 LED스트링의 전류는 각각 53.0mA, 51.2mA, 48.3mA의 값을 가지게 되었으며 스트링간 최대 전류오차는 4.7mA였다.

Fig. 6. Measured current waveform of each LED strings without the current regulator and proposed short detection circuit

그림 7은 전류 조절기가 사용되고 제안된 회로가 사용되지 않았을 때, 각 LED스트링의 측정된 전류파형 및 NPN양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)와 동작온도를 측정한 결과이다. 그림 7 (a)에서 18V의 LED구동전압이 LED스트링들에 공급되었을 때 전류 조절기의 동작으로 인하여 각 LED 스트링의 전류들은 각각 39.1mA, 38.9mA, 38.7mA의 값으로 거의 같았다. 이것은 증폭기의 +단자의 기준전압(VREF2) 82mV, 저항(RE) 2Ω에서 계산된 LED전류(ILED)값인 41mA와 거의 동일하였다. 그림 7 (b)는 전류 조절기가 동작 시에 각 LED스트링의 측정된 NPN 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)을 나타낸다. 그림 6에서 가장 작은 임피던스로 인하여 가장 큰 LED전류가 흘렀던 LED스트링-1은 전류 조절기 동작으로 896.4mV로 가장 높은 NPN 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)을 가졌으며 반대인 LED스트링-3은 882.5mV로 가장 낮은 NPN 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)을 가졌다. LED스트링-1의 NPN 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)은 896.4mV이고 흐르는 LED전류(ILED)는 39.1mA이므로 양극성 접합 트랜지스터에서 소모되는 전력은 31.9mW이었다. 또한, 같은 방법에 의하여 계산된 LED스트링-2와 LED스트링-3의 소모전력은 각각 31.6mW와 31.1mW이었다. LED스트링-2번에서 하나의 LED에 병렬로 토글스위치를 연결하고 이를 닫아서 LED단락을 구현하였다. LED단락이 발생한 LED스트링-2에 연결된 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)은 892.1mV에서 4.31V로 높아졌다. 그 결과 양극성 접합 트랜지스터 소모 전력이 상승하여 31.6mW에서 164.5mW로 상승하였다. 이러한 LED단락으로 인한 양극성 접합 트랜지스터의 소모전력의 상승은 양극성 접합 트랜지스터의 지속적인 손상을 가져오게 되고 결국 LED스트링 및 구동회로에 파손을 야기하게 된다. 이를 방지하기 위하여 전류 조절기와 더불어 제안된 LED단락 검출회로를 함께 사용하여 실험을 수행하였으며 그 결과는 그림 8과 같다.

Fig. 7. The experiment results when using the current regulator and no proposed short detection circuit: (a) Measured current(ILED) waveform of each LED strings and (b) collector voltage (VC) waveform of NPN transistor

Fig. 8. The experiment results with the current regulator and proposed short detection circuit: (a) Measured current(ILED) waveform of each LED strings and (b) collector voltage (VC) waveform of NPN transistor

LED스트링이 정상동작을 하던 중 토글스위치를 이용하여 LED스트링-2번의 LED들 중 하나를 토글스위치로 단락시켰다. 그림 8 (a)와 같이 LED단락 전 LED 스트링의 전류들은 각각 39.1mA, 38.9mA, 38.7mA였으나 LED단락 후에는 LED단락이 발생한 LED스트링-2은 제안된 LED단락 검출회로에 의해서 전류가 흐르지 않게 되었다. 그림 8 (b)는 LED단락 전ㆍ후의 각 LED스트링에 연결된 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)전압파형을 나타낸다. LED가 단락된 LED스트링-2의 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)은 LED단락이 발생했을 때 892.1mV에서 4.31V로 높아졌으며 양극성 접합 트랜지스터(Q)가 개방되었을 때는 최종 9.0V로 상승하였다. LED스트링-2의 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압(VC)은 비교기의 기준전압(VREF1) 2.027V보다 커지게 되어 비교기는 5V의 직류전압을 출력하였다. 따라서 모스펫의 게이트 전압(VG)가 5V되며 모스펫의 게이트-소스전압(VGS)인 4.8V보다 크므로 모스펫(SW)은 닫히게 되었다. 이로 인하여 해당 LED스트링-2의 양극성 접합 트랜지스터(Q)은 개방되어 전류가 흐르지 않게 되었다. 이러한 실험 결과로 부터 제안된 LED단락 검출회로의 동작과 효과를 검증할 수 있었다.

4. 결 론

본 논문에서는 LED광원으로 사용되는 LED스트링에서 LED단락에 의해 발생되는 문제를 해결하고자 LED단락 검출회로를 제안하였다. 제안된 회로는 비교기와 모스펫으로 구성되는 매우 간단한 구조이며 선형 전류조절기와 결합하여 동작하게 된다. LED단락 발생 시 제안된 회로는 전류조절기의 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터 전압으로부터 이상을 감지한다. 이후 비교기의 신호로 모스펫을 단락시킴으로써 양극성 접합 트랜지스터를 개방하게 하여 LED스트링에 전류가 흐르지 않도록 한다. 제안된 회로의 동작과 효과를 검증하기 위하여 LED 전류 조절기 및 단락검출회로의 프로토타입이 제작되었으며 3개의 LED 스트링에 연결되어 테스트 되었다. LED 구동전압 18V에서 LED 스트링들은 전류 조절기의 동작에 의해서 38.7mA∼39.1mA의 동일한 전류가 흘렀다. 임의의 LED스트링에서 하나의 LED를 단락시켰을 때 제안된 회로를 사용하지 않을 경우는 해당 LED스트링의 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터-에미터 전압이 4.23V로 증가하였으며 164.5mW의 소모 전력이 발생하였다. 그러나 제안된 회로를 사용했을 때 제안된 회로는 전류 조절기의 양극성 접합 트랜지스터를 개방함으로써 LED전류를 흐르지 않게 하여 LED스트링 및 LED 구동회로를 보호하였다.