설계 개요
TIDA-01096 TI 설계는 조절 가능한 백색 LED 조명기기를 위한 검증된 DC-DC LED 구동 서브시스템입니다. 본 설계는 무선 시스템 온 칩(SoC) 플랫폼 기반으로 구현되어 있으며, 어떠한 Bluetooth 저에너지(BLE) 장치를 사용하더라도 조도 조절(디밍) 및 상관 색온도(CCT) 제어가 가능합니다.
핵심 혁신: 가변 백색 조명기가 주간광 조건을 구현합니다. 온백색과 냉백색 LED 스트링을 분리 설계하여 CCT 튜닝이 가능하며, 인간 건강 응용 분야에서 적절한 일주기 리듬 자극을 달성하는 데 기여합니다.
주요 성능 사양
Key Features & Benefits
고효율 동작
아날로그 디밍 적용 시 100% ~ 50% 밝기 구간에서 98% 효율 구현, LED 조명 시스템의 에너지 소비 및 발열 감소
고급 디밍 기능
아날로그 디밍으로 1:25 콘트라스트 비율, PWM 디밍으로 1:50 콘트라스트 비율을 구현하여 다양한 조명 시나리오에 정밀한 밝기 제어를 제공합니다.
Wireless Bluetooth Control
Bluetooth Smart 연결을 통해 스마트폰 또는 기타 BLE 장치를 사용하여 밝기와 색온도의 무선 제어가 가능합니다.
주변광 감지
OPT3001 기반 조도 측정을 통해 주광 활용(daylight harvesting) 및 일정 러멘 유지(constant lumen) 기능을 소프트웨어적으로 구현하여 에너지 효율을 높입니다.
종합 보호
드라이버 및 LED 모듈의 과전류 및 과열 보호 기능으로 안정적인 작동과 수명 연장이 보장됩니다.
Circadian Lighting 지원
가변 백색 기능은 하루 종일 자연광 조건을 모방하여 인간 웰니스 응용 프로그램을 지원합니다.
상세 내용 개요
문서 내용
시스템 개요
발광 다이오드(LED)는 점차 광원으로 사용되고 있습니다. 본문 작성 시점에서 조명의 초점은 일정한 광출력으로 단순히 영역을 비추는 것에서 질적이고 제어된 광출력을 제공하는 방향으로 전환되고 있습니다. 조절 가능한 광도와 색온도를 갖춘 고품질 조명은 건축과 인간의 웰니스 향상에 핵심적인 역할을 합니다.
백색광의 색온도를 변경하기 위해 설계자는 웜 LED(약 2500K의 색온도)와 콜드 LED(약 5700K의 색온도)의 조합을 구현할 수 있습니다. 튜너블 화이트 칩 온 보드(COB) LED는 두 개의 독립적인 스트링으로 제공됩니다. 스트링을 통과하는 전류를 변경함으로써 설계자는 2500K부터 5700K까지의 색온도 범위를 구현할 수 있습니다.
드라이버가 포함된 튜너블 화이트 LED 엔진은 인간의 웰니스를 목표로 하는 일주기 리팅(circadian lighting)을 위한 플랫폼으로 사용될 수 있습니다. 조명은 수면, 기상도, 작업 효율성 및 건강에 깊은 영향을 미칩니다. 튜너블 화이트 LED 조명 시스템은 일주기 리듬을 적절히 유지하는 데 사용되어 필요한 양의 백색광과 웜 라이트를 제공함으로써 실내 환경에서의 웰니스를 향상시킬 수 있습니다.
주요 시스템 사양
| PARAMETERS | MIN | TYP | MAX | UNIT |
|---|---|---|---|---|
| 입력 전압 | 35 | - | 42 | V |
| 출력(LED) 전류 | 0 | - | 700 | mA |
| 스위칭 주파수 | - | 600 | - | kHz |
| PWM 디밍 주파수 | 200 | - | 5000 | Hz |
| 웜 LED 순방향 전압 | 34 | 37 | 40 | V |
| Cold LED 순방향 전압 | 35 | 38 | 41 | V |
| 동작 온도 | -30 | - | 100 | °C |
시스템 블록도
시스템 아키텍처는 SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad Kit를 중심으로 구성되어 있으며, 웜 및 콜드 LED 스트링을 위한 두 개의 TPS92513HV 벅 LED 드라이버를 제어합니다. 설계에는 다음이 포함됩니다:
- CC2650 Wireless MCU: 디밍 제어를 위한 PWM 신호 생성 및 블루투스 연결 관리
- TPS92513HV 벅(Buck) LED 드라이버: 통합 아날로그 전류 조절 기능을 갖춘 웜/쿨드 LED 스트링용 독립 듀얼 드라이버
- OPA376 연산 증폭기(Op-Amps): 아날로그 디밍 제어를 위한 필터링된 PWM 신호 버퍼
- OPT3001 Ambient Light Sensor: 주광 활용(daylight harvesting) 및 정광출력(constant lumen output) 구현
- LMT84 온도 센서: 열 보호를 위한 방열판 온도 모니터링
- RC 저역통과 필터: PWM 신호를 아날로그 전압으로 변환하여 전류 기준 설정에 사용
Design Note: 본 시스템은 35-42V DC 입력을 수용하며, 35W 가변 백색 LED COB을 구동합니다. 웜/쿨 LED 스트링이 분리되어 2500K부터 5700K까지의 색온도 조절이 가능합니다.
주요 구성 요소
TPS92513HV
고전류 LED 구동용 통합 MOSFET 내장 1.5-A 스텝다운(벅) 전류 레귤레이터
- 4.5-60V 입력 전압 범위
- ±5% LED 전류 정확도
- 100kHz~2MHz 스위칭 주파수
- 전용 PWM 디밍 입력
- 내장 220-mΩ 고사이드 MOSFET
CC2650
Bluetooth Smart, ZigBee 및 6LoWPAN 애플리케이션을 위한 무선 MCU
- 48MHz의 32비트 ARM Cortex-M3 프로세서
- 초저전력 센서 컨트롤러
- ROM에 내장된 BLE 컨트롤러
- 128KB 플래시, 20KB SRAM
- I²C, UART, SPI를 포함한 풍부한 주변 장치 세트
OPT3001
정밀한 광학 필터링을 통해 인간의 눈 반응과 일치하는 주변광 센서.
- Rejects >99% of IR
- 0.01럭스에서 83k럭스 측정 범위
- 23비트 유효 동적 범위
- 저작동 전류: 1.8µA
- I²C 호환 디지털 출력
OPA376
E-트림(E-trim) 방식의 저잡음 연산 증폭기로, 탁월한 DC 정밀도와 AC 성능을 제공합니다.
- 저잡음: 1kHz 대역에서 7.5nV/√Hz
- 저오프셋 전압: 일반적으로 5µV
- 5.5 MHz 이득 대역폭 곱
- 레일투레일 입력 및 출력
- 2.2V ~ 5.5V 공급 전압
LMT84
온도에 반비례하는 아날로그 출력 전압을 갖는 정밀 CMOS 온도 센서.
- ±0.4°C 전형적 정확도
- -50°C ~ 150°C 온도 범위
- 저전력 5.4-µA 정지 전류
- -5.5 mV/°C 평균 센서 gain
- 저전압 1.5-V 동작
시스템 설계 이론
LED는 정전류 구동이 필요하며, 조절 가능한 백색광은 두 개의 분리된 LED 스트링 내 전류를 가변 및 제어해야 합니다. 조절 가능한 백색 LED 조명기기는 AC-DC 정전압 전원 공급 장치와 두 개의 DC-DC 벅 전류 컨트롤러를 결합하여 LED 스트링을 통과하는 전류를 가변합니다.
TIDA-01096 플랫폼은 웜(warm) 및 콜드(cold) LED 스트링의 전류 제어를 위해 통합 아날로그 전류 조정 기능을 갖춘 두 개의 TPS92513HV 벅 LED 드라이버를 사용합니다. TPS92513/HV LED 드라이버는 아날로그 및 펄스 폭 변조(PWM) 디밍을 위한 분리된 입력을 통해 100:1 이상의 콘트라스트 비율을 달성하는 타협 없는 밝기 제어를 제공합니다.
벅 LED 드라이버는 SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad 키트로 제어되며, 양측 스트링의 PWM 디밍을 위해 두 개의 PWM을 생성합니다. 아날로그 디밍을 달성하기 위해서는 벅 LED 드라이버의 IADJ를 설정하기 위한 두 개의 가변 아날로그 입력이 필요합니다. 가변 IADJ는 CC2650 장치의 PWM을 디지털-아날로그 변환기(DAC)로 활용하여 생성됩니다. 이 과정에서 CC2650 장치에서 생성된 PWM은 4단 저역통과 RC 필터로 필터링되며, 필터링된 출력은 op amp OPA376을 통해 버퍼링됩니다.
Design Equations
설계에는 다음에 대한 종합적인 계산이 포함됩니다:
- Undervoltage Lockout Setting: R1=120kΩ 및 R6=5kΩ으로 UVLO를 30.5V로 설정
- 스위칭 주파수: RRT=190.63kΩ으로 fSW=600kHz 설정
- LED 전류 설정: 최대 700mA LED 전류를 위한 RISENSE=0.05Ω
- 아날로그 디밍 필터: 차단 주파수 391Hz의 4단계 RC 필터
- 인덕터 선정: 전부하 시 275mA 리플 전류로 계산됨
- 출력 커패시터: 5mA LED 리플 전류 달성을 위해 4.7μF 선택
디밍 기법
본 설계는 다양한 운영 조건에서 유연성을 제공하고 성능을 최적화하기 위해 세 가지 독립적인 디밍 방식을 구현합니다:
아날로그 디밍
IADJ 핀을 사용하여 LED 전류를 동적으로 설정. 매우 낮은 전류에서 색온도 변화가 발생할 수 있으나 EMI가 감소하고 효율성이 더 높음
- 4단계 RC 필터를 통해 필터링된 PWM 사용
- 12비트 해상도 제공
- 높은 효율: 최대 98%
- 1:25 명암비
PWM 디밍
PDIM 핀을 사용하여 게이트 드라이버 활성화/비활성화. 저전류에서 색온도 문제를 방지하고 더 높은 해상도를 제공합니다.
- 200Hz~5kHz 주파수 범위
- 게이트 드라이버 직접 제어
- 저전류에서 더 나은 디밍 선형성
- 1:50 명암비
Hybrid Dimming
두 방식을 결합 - 효율을 위한 아날로그 방식과 저전류에서의 미세 조정 및 향상된 해상도를 위한 PWM 방식을 함께 사용.
- 효율성과 해상도 최적화
- 메인 디밍 범위용 아날로그
- 저전류 영역 미세 조정용 PWM
- 두 기술의 장점을 결합한 방식
플리커 프리 동작: 전류 감지 저항을 50mΩ에서 250mΩ으로 변경하면 6mA 출력 전류까지 플리커 프리 동작을 구현하여 매우 낮은 밝기 수준에서도 고품질 조명을 가능하게 합니다.
Test Data & Performance
포괄적인 시험 결과, 본 설계가 다양한 운전 조건에서 우수한 성능을 발휘함을 확인하였습니다:
효율 성능
- 아날로그 디밍(Analog Dimming): 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- PWM 디밍(1kHz): 100% 듀티 사이클에서 97.39% 효율, 3% 듀티 사이클로 점차 감소하여 84.88% 효율
- PWM 디밍 (5kHz): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- 입력 전압 변동: 35V~48V 입력 범위에서 97% 이상의 효율 유지
Tunable White Performance
시스템이 다양한 밝기 수준에서 색온도 조정을 효율적으로 유지합니다:
- 100% 밝기: 시스템 효율은 97.27%(cool white)에서 98.15%(warm white) 범위를 보입니다
- 75% 밝기: 효율은 색온도 범위에서 97.24% ~ 98.01% 사이입니다
- 50% 밝기: 효율은 조절 범위에서 97.18% ~ 98.31% 사이입니다
센서 성능
- OPT3001 Ambient Light Sensor: 2.57럭스부터 12,902럭스까지 정확한 조도 측정 제공
- LMT84 온도 센서: 다양한 부하 조건에서 36.21°C부터 61.60°C까지 방열판 온도 모니터링
Design Files & Resources
완전한 설계 패키지는 구현에 필요한 모든 파일을 포함합니다:
- Schematics: LED 구동 시스템의 완전한 회로도
- 부품 목록: 제조사 참조가 포함된 종합 부품 목록
- PCB 레이아웃: Gerber 파일 및 레이아웃 권장사항
- Altium 프로젝트: 완전한 설계 프로젝트 파일
- 조립도: 상세 조립 지침
- Software Files: BLE 연결 기능을 갖춘 CC2650 MCU용 펌웨어
응용 분야: 본 레퍼런스 디자인은 실내 LED 조명(주거, 리테일, 호스피탈리티, 액센트 라이팅), 무선 연동 조명 시스템, 정밀한 색온도 제어와 무선 연결 기능이 필요한 저전압 DC LED 조명 애플리케이션에 이상적입니다.
참고: 위 내용은 레퍼런스 설계에 대한 종합적인 요약본입니다. 완전한 PDF 문서에는 상세한 회로도, 레이아웃 가이드라인, 펌웨어 구현 상세 내용 및 다양한 테스트 데이터가 포함되어 있습니다. 전체 구현 상세 내용을 확인하려면 완전한 PDF 문서를 다운로드하는 것을 권장합니다.