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LED Driver
NCP5608 LED 드라이버 주변의 조명 설계
Michael Bairanzade / 온세미컨덕터 시니어 기술 스텝(프랑스, 툴루즈)
- 출처 : 전자부품 (www.epnc.co.kr) -
온세미컨덕터 LMIC(라이트 관리 집적 회로, Light Management Integrated Circuit) 포트폴리오의 첫 번째 칩인 NCP5608은 요즘 휴대용 제품에서 LED를 완벽하게 제어하기 위해 설계되었다. 1mA부터 500mA까지 걸친 출력 능력을 가진 IC는 휴대 전화에서 사용하는 대형 디스플레이와 고출력 LED를 구동할 수 있다. 내장된 표준 I2C 이외에, MCU에서 칩을 프로그램하기 용이하게 만들므로, 기준 전류(reference current)의 아날로그 액세스를 통해 추가 채널은 시스템 레벨에서 더 많은 조명 기능을 만들어 낸다. 이 글에서는 MCU 레벨에서 주요한 소프트웨어를 사용하지 않고 추가 기능을 실현하는 간단한 방법에 대해 설명한다.
NCP5608에 대한 기본적인 설명
LMIC는 아래와 같이 각각 네 개의 LED를 가진 두 개의 독립적인 블록을 제공한다.
BKL#1 : 백 라이트, LED 당 30 mA를 제공.
PWRFL#2: 파워 플래시, LED 당 100 mA를 제공.
Ipeak 전류는 각 블록과 관련된 외부 저항에 의해 정확하게 프리셋되고, I2C 프로토콜은 ILED 전류를 독립적으로 제어하는데 사용한다. 외부 저항은 그림 3에서 설명한 대로 LED로 보내도록 프로그램된 전류를 얻기 위해 미러링되고(mirrored) 부스트되는(boosted) 기준 전류를 생성한다. 내장 구조는 주어진 블록의 LED를 일치시키도록 설계되었다. 이때, 일반적으로0.2%만 일치하면 추가로 조정할 필요가 없다.
PCB 트랙이 높은 DC 전류를 전송하도록 설계되었다고 가정하면, 네 가지 작동 모드(1X, 1.33X, 1.5X and 2X)의 충전 펌프 변환기는 전체 전류를 연속적으로 공급할 수 있다. 유사하게, 작동하는 동안 실리콘의 방출 열을 제거하는 것을 패키지 솔더 레벨(package solder level)에서 유심히 관찰해야 한다.
일반적으로, 두 개의 블록은 각각의 기능을 위해 사용하지만, 모든 LED 핀을 하나의 파워 풀 LED(power full LED)에 연결하여 500mA 플래시 펄스(flash pulse)를 만들 수 있다. 또한 주어진 용도에서 가장 적절한 기능을 얻도록 LED를 결합할 수 있는데, 플래시와 토치(Torch)를 매우 용이하게 공유할 수 있다.
두 블록은 독립적이므로 백라이트와 파워 플래시 LED는 다른 I-LED 전류, 다른 레이아웃, 다른 타이밍으로 작동할 수 있다. 두 경우 모두 I-LED 전류는 프리셋 값으로 조절된다. 이때, 내부 레지스터는 LED마다 다른 전류를 설정할 수 없게 만든다. 반면에, 추가 핀은 I2C 프로토콜에 포함되므로 사용 가능(Enable) 기능을 제어할 필요가 없다.
외부 아날로그 제어
NCP5608 패키지 레벨에서 추가 핀을 사용하지 못 하더라도, I-LED 전류를 설정하는데 사용하는 전류 미러 기술(current mirror technique)은 융통성이 있어서 특별한 기능을 가진다. 예를 들면, 몇 가지 외부 구성 요소를 사용하여 점차적인 디밍(gradual dimming), 펄스 플래시, 플래시/토치 제어, 다이나믹 LED 매핑 등을 실현할 수 있다.
그림 2에서 단순화된 도면은 칩에 구현된 전류 미러에 대해 설명한다. 집적 밴드 갭 기준(integrated band gap reference)은 IREF 핀에서 정확하고 매우 안정적으로 600mV의 전압을 공급하는데, 이 전압은 저항 R1, NMOS Q1, PMOS Q21에 걸쳐서 일정한 전류를 유지하는데 사용한다. 이때, 일정한 전류는 NMOS Q4와 함께 어레인지된 PMOS Q3에 의해 미러링되고 부스트된다. 최종적으로 NMOS Q5는 외부 LED를 바이어스하기 위해 미러 비율(자세한 내용은 NCP5608/D 데이터 시트 참조)을 곱한 동일한 전류를 유도한다. 이때, 전류 LED는 레지스터 R14의 기능과 내부 레지스터의 콘텐츠의 기능을 수행하고, I-LED = (Vref/R1)*2n이 됩니다. 여기서, 백라이트인 경우 n=0부터 5까지이고, 파워 플래시인 경우 n=0부터 5까지이다.
따라서, 칩이 작동하는 동안 기준 전류를 동적으로 변경할 수 있는데, 이것이 이 글에서 설명하는 예에서 구현하려는 기술이다.
다이나믹 I-LED 전류 모듈레이션
I-LED 전류는 IREF 전류의 직접적인 기능이기 때문에, LED의 동적인 제어(dynamic control)는 넓은 범위의 조도에 걸쳐서 영구적인 I2C 작동을 호출하지 않고 실현할 수 있다. NCP5608 데이터 시트에서 지적한 바와 같이, DC 전압은 IREF 핀에 작용하지 않지만, 아래에서 설명하는 것과 같이 외부 전류에 의해 기준 전류를 모듈레이션할 수 있다.
예를 들면, 백라이트의 밝기를 오디오 신호로 모듈레이션하려는 경우를 생각해 보자. 간단한 솔루션은 I-PEAK 전류를 적당한 값으로 설정하는 것인데(I2C 프로토콜을 사용하는 설정 조건), 이때 IREF를 동적으로 모듈레이션 함으로써 결과적으로 LED를 모듈레이션하기 위해 오디오 신호를 정류하고 전류 미러를 피딩(feed)한다. 기본적인 구조는 그림 3에서 설명한다.
입력 신호는 작동 증폭기(operational amplifier) U1으로 정류된 후 R2/C7 네트웍으로 평탄하게 만든다. 이때 DC 전압은 NPN 트랜지스터 Q1으로 만들어진 전류 미러에 기준 전류를 피드하는데 사용한다. Q1B섹터의 컬렉터 전류(collector current)는 IREF를 접지하는데 사용되고, 백라이트 LED는 오디오 신호에 의해 모듈레이션된다. 이때, 디스플레이와 키보드를 따로 구동하기 위해 LED를 분리하는 것과 같이, IREF 핀을 아날로그 입력으로 사용하여 시스템에 기능을 추가할 수 있다.
점차적인 디밍(GRADUAL DIMMING)의 용이한 구현
점차적인 디밍은 디스플레이를 부드럽게 켜고 끄기 위한 것으로, 여기서 에너지는 절감되지 않지만 부드러운 시작 조명은 휴대용 시스템을 좀더 편안하게 만든다. 이러한 기능은 소프트웨어 레벨에서 용이하게 구현할 수 있으므로, I2C 프로토콜은 이러한 모드를 작동하는 올바른 툴이 된다. 그러나, I2C 의 사용은 오로지 오락 기능을 위해 MCU에서 상대적으로 많은 소프트웨어를 사용하는 셈이다. 이때, 메인 마이크로컨트롤러는 시스템의 대부분을 모니터링하는데 사용되고, 점차적인 디밍을 구동하기 위해 MCU 타임을 사용하기에 비효율적일 수 있다.
미러 전류 기술은 불과 몇 가지의 외부 구성 요소만 사용하여 점차적인 디밍을 구현하는 용이한 방법을 제공한다. 그림 4에서 제공된 도면에 따라 MCU는 적당한 I2C 메시지를 사용하여 I-LED 전류를 프리셋한 후 GDIM 신호를 보내어 점차적인 디밍을 작동한다. GDIM 신호가 낮을수록 백라이트 I-LED 전류는 감소한다.
물론, 이 기능은 백라이트 블록에만 국한되지 않고, 파워 플래시에도 적용할 수 있다. 이 경우에 파워 플래시 LED에 들어가는 I-LED 전류를 동적으로 조절하기 위해 IREFFL 핀에 두 번째 네트웍이 구축된다.
펄스드 플래시 매커니즘(PULSED FLASH MECHANISM)
촬영 장소를 조명하는데 단일한 펄스면 충분하지만, 잘 알려진 적목 매커니즘(red eye mechanism)을 고려해야 한다. 이 문제를 해결하기 위한 간단한 방법은 최종 사진을 찍기 전에 하나의 프리 펄스(pre pulse)를 보내는 것이다. 첫 번째 샷은 동공을 닫게 만들어 적목 효과를 현저하게 낮춘 후 메인 펄스를 보내서 사진을 촬영한다. 여기서 제안된 솔루션은 위에서 설명한 전류 미러와 관련된 I2C 프로토콜의 장점을 활용한 것이다.
카메라가 촬영 트리거 신호(photo trig signal)를 보내고 MCU가 프리바이어스 작동을 담당한다고 가정하면, 촬영 시퀀스는 MCU로 제어된다. 이러한 시퀀스를 달성하기 위해 두 개의 저항이 IREFFL 핀에 연결된다.
R1 = 30kΩ 쮡 최대 전류는 프리 바이어스 사이클 동안 파워 플래시 블록에서 80mA가 된다.
R2 = 5.6kΩ 쮡 최대 전류는 트리거 펄스가 작동할 때400mA가 된다.
쉽게 알 수 있듯이, 백 라이트 블록은 다른 기준 저항을 가지고 있기 때문에 이러한 작동 조건의 영향을 받지 않는다.
사용자가 포토 트리거를 누를 때, MCU는 제일 먼저 I-LED를 선택된 값으로 프리셋하는데, 이때 3 바이트가 I2C SDA 라인으로 전송된다.
$72 쮡 쓰기 작업(Write operation)을 위한 프리셋으로 NCP5608 I2C 물리적 어드레스를 선택한다.
$02 쮡 PWRFL 레지스터를 선택한다.
$64 쮡 I-LED 선택 = 기준 전류의 100% 쮡 I-LED = 20mA * 4
이때, PWRFL은 사전 조건 모드(pre condition mode)이고, 시스템에 포토 센서를 장착한 경우MCU는 적목 현상 이외에 일부 측정을 수행할 수 있다.
사용자가 포토 트리거를 누르면, 하나의 펄스가 Q1 게이트로 보내지므로 두 번째 기준 저항을 그라운드에 연결한다. 결과적으로, I-LED 전류는 LED 당 100 mA까지 증가하고 촬영 장소는 적절하게 조명된다.
트리거 펄스의 지속 시간은 카메라의 특성, 포토 센서(있는 경우), 기타 주변 조건에 의존한다. 일반적으로 펄스 폭의 범위는 1ms에서 200ms 까지 걸쳐 있고, 드라이버는 시퀀스 동안 전체 전류를 유지할 수 있어야 한다.
카메라가 트리거 신호를 낮게 제한할 때, I-LED 전류는 MCU가 플래시 기능을 해제할 때까지 프리 바이어스 상태로 되돌아간다. 기존의 NCP5608데모 카드는 위에서 설명한 작동을 평가하기 위해 그림 8의 도면에서 설명한 대로 수정할 수 있다.
플래시와 토치의 결합
일반적으로 동일한 LED를 사용하여 플래시와 토치 기능을 지원하고, I2C 포트는 적당한 I-PEAK 전류를 설정하는데 사용된다. 그러나, 일부 용도에서 기능에 따라 전용 LED가 필요하다. 이 경우에 내부 미러가 공통 디지털 버스에 의해 구동되기 때문에 플래시 블록은 공유할 수 없다.
간단한 대안은 동일한 소형 패키지에 NMOS와 PMOS를 결합하는 두 개의 불연속 부분(a couple of single discrete parts)을 사용하는 것이다. 그림 10에서 설명한 대로, 디지털 멀티플랙스 스위치는 두 개의 풀 업 저항(pull up resistors)과 관련된 두 개의 외부 이중 MOS 장치로 만들어진다. 이 스위치는 단일한 입출력과 인버터 하나로 구동하거나, MCU 레벨에서 두 개의 다른 입출력으로 구동할 수 있다. 여기서, PMOS장치의 낮은 Rdson은 전체 효율을 저하시키지 않는다.
소프트웨어
산업계에서 널리 사용하는 I2C 프로토콜은 메인 칩에 포함되지 않더라도 모든 MCU에 구현하기 용이하다. ON Semicon- ductor 연구실에서 개발한 평가판 보드는 간단하지만 강력한 Freescale의 8비트 MCU로 제어된다. 디지털 시퀀스를 지원하는데 필요한 모든 소프트웨어는 어셈블러로 개발하지만, 이러한 루틴을 만드는데 고급 소프트웨어를 사용할 수 있다.
물론, I2C 프로토콜을 프로그래밍하는 것은 이 기능이 MCU에 포함되었을 때 가장 용이하지만, 비트 레벨 안내(bit level instructions)를 사용할 수 있다고 가정하면 유사한 기능을 거의 모든 MCU에서 개발할 수 있다. 애플리케이션 노트 AND8267 /D(CONTROLLING THE NCP5602 WITH THE I2C SOFTWARE )는 표준 마이크로컨트롤러를 사용한 I2C 제어에 대한 자세한 예를 제공한다.
결론
NCP5608에 포함된 전류 미러는 I2c 프로토콜과 관련하여 휴대 제품에 더 잘 대응할 수 있는 새로운 기능을 개발할 수 있다. 여기서, 펄스드 파워 플래시(pulsed power flash)와 점차적인 백라이트 디밍을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 아주 저렴한 비용으로 포트폴리오 중에서 최종 제품을 돋보이게 만드는 뛰어난 방법을 제공한다.
이 글에서 설명한 예는 동일한 시스템에 결합할 수 있으므로, 고객의 요구를 더 융통성 있게 지원한다. 추가 기능은 I2C로부터 소프트웨어 레벨의 오버로드를 생성하지 않으므로, I2C는 주요 매개변수 설정을 전송하는데 사용된다. 반면에 디지털 신호는 정적인 레벨에서 작동하고, 모든 GPIO 핀 또는 모든 표준 로직 출력은 이러한 신호를 제어하는데 사용할 수 있다.
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