LED 조명 회로 : MOSFET에 의한 효율 향상과 노이즈 저감의 예

이번 편부터는, 구체적인 어플리케이션에 있어서의 효율 개선 예를 알아보겠습니다.

LED 조명 회로 (임계 모드 PFC＋DC-DC) : MOSFET에 의한 효율 향상과 노이즈 저감의 예

하기 회로는 실제 LED 조명 회로도의 일부를 발췌한 것입니다. 이 LED 드라이브 회로는 임계 모드 (BCM)의 PFC를 통해 DC-DC 컨버터에서 LED로 전력을 공급하고 있습니다.

위의 회로에서, PFC부의 스위치인 MOSFET와, DC-DC 컨버터부의 스위치인 MOSFET, 그리고 게이트 저항 RG를 변경하여 효율과 노이즈를 비교해보겠습니다.

본래의 설계에 사용된 Super Junction MOSFET (이하 SJ MOSFET)는 Original로 표기하였습니다. Original의 RG는 노이즈를 고려하여 100Ω이었습니다. 이에 대해, PFC 및 DC-DC 컨버터의 스위치를 3종류의 SJ MOSFET로 교체하고, RG도 100Ω과 50Ω으로 비교하였습니다. MOSFET는 R5207AND가 고속 스위칭 타입, R6004END와 R6007END는 Low Noise화된 차세대 제품입니다.

하기의 표에서, 노란색으로 표시한 부분이 Original보다 높은 효율을 나타내며, 녹색으로 표시한 부분이 가장 높은 효율을 나타냅니다. 결과적으로 PFC에 R5207AND, DC-DC 컨버터에 R6004END를 조합한 경우의 효율이 가장 우수하고, RG는 50Ω일 때 높은 효율을 얻을 수 있었습니다 (3종류의 조합 9가지 중, 결과가 좋지 않은 경우는 제외). Original과의 비교 시, 1% 전후가 개선된 것이며, 효율은 회로 전체의 효율입니다.

하기는, DC-DC 컨버터부의 노이즈 특성을 나타낸 그래프로, Original과, 효율이 가장 높았던 R6004END / 50Ω을 비교한 것입니다.

Original은 비교적 스위칭 속도가 빠르므로, 노이즈 대책으로서 100Ω의 RG가 타당한 선택이지만, Low Noise의 R6004END는 RG를 50Ω으로 하고 스위칭 속도를 빠르게 해도 Original보다 노이즈가 낮아, 효율의 개선과 동시에 노이즈도 저감할 수 있습니다.

이러한 이유를 확인하기 위해, PFC부와 DC-DC 컨버터부의 파형을 비교해 보겠습니다. 하기는 PFC부의 파형입니다.

PFC부에서는 R5207AND가 가장 효율이 높았지만, 이 Range로는 판별이 불가능하므로 확대해 보겠습니다.

ON으로의 천이 시간은 Original에 비해 R6004END와 R5207AND가 약간 느립니다. 다음으로, OFF로의 천이입니다.

OFF로의 천이는 R6004END와 R5207AND가 빠르고 급격한 것을 알 수 있습니다. 이 부분에서의 스위칭 손실이 저감된 점이, 효율 향상에 기여하게 됩니다. 다음으로, DC-DC 컨버터부의 스위칭 파형입니다.

Original과, 효율이 우수했던 R6004END와 R5207AND를 비교한 파형입니다. R6004END의 경우 RG가 50Ω일 때의 파형도 기재하였습니다. 마찬가지로 ON / OFF 파형을 확대하여 살펴보겠습니다.

ON으로의 천이는 R6004END가 가장 빠르고, RG＝50Ω일 때 한층 더 빨라졌습니다.

OFF로의 천이는 RG＝100Ω일 때는 R6004END가 가장 느리지만, RG＝50Ω일 때는 가장 빠릅니다. 이 비교에 따르면, R6004END＋RG＝50Ω일 때의 천이가 가장 빠르고, 이에 따라 스위칭 손실이 감소하여 효율 향상에 기여하게 됩니다.

PFC에 R5207AND, DC-DC 컨버터에 R6004END를 사용하면, 약간이지만 스위칭 손실이 감소하여 양쪽 모두 1% 정도의 효율 향상을 얻을 수 있었습니다. 또한, 스위칭 손실 저감과 동시에 노이즈도 개선되었습니다. 이처럼, 스위치의 MOSFET 특성과 게이트 저항을 재검토함으로써, 효율과 노이즈를 모두 개선할 수 있으므로, 「전류 연속 모드 PFC : 다이오드에 의한 효율 향상의 예」 편과, 「임계 모드 PFC : 다이오드에 의한 효율 향상의 예」 편의 다이오드와 마찬가지로 MOSFET의 특성도 충분히 검토해야 합니다.