LED 드라이버 회로 설계: PWM 제어, 보호회로, 효율

LED 드라이버는 매우 단순해 보이지만, 실제로는 정전류 설계 철학을 기반으로 한 정밀한 전력전자 시스템입니다. 특히 고출력 LED 조명에서는 스위칭 특성, 보호 회로, 효율 설계가 실제 제품 신뢰성과 직결되기 때문에 실무 엔지니어 관점에서 정확한 이해가 필요하게 됩니다. 

 

 

 

LED 드라이버 설계의 기본 구조

LED는 전압이 아닌 전류 제어형 소자이므로, LED 드라이버는 “정전류(DC)”를 유지하는 것이 핵심입니다. 전압 모드 제어를 사용하면 LED의 Vf 변화에 따라 과전류가 발생하게 되므로, 대부분의 드라이버 IC는 전류 센스 저항(Rsense)을 기반으로 한 전류 피드백 구조로 동작합니다. 이 피드백 루프가 PWM 스위칭과 결합하여 LED 밝기와 보호 기능을 동시에 수행하게 됩니다.

 

PWM 제어 구조와 디밍 설계

PWM(Pulse Width Modulation)은 실무 LED 드라이버 설계에서 가장 중요한 개념 중 하나입니다. PWM 제어는 MOSFET을 빠르게 스위칭하여 인덕터에 전류를 충·방전시키고, 이 평균값이 LED에 공급되는 전류로 동작하도록 설계됩니다. 이때 스위칭 주파수는 보통 100kHz~1MHz 사이에서 선정되며, 효율·EMI·부하 특성을 고려해 결정됩니다.

디밍 구현 방식은 두 가지입니다.

1) PWM 디밍: LED 전류는 그대로 유지하고 듀티만 조절 → 색 변화 없음, 산업 조명·높은 광질 요구 환경에서 사용

2) 아날로그 디밍: LED 전류 자체를 줄이는 방식 → 고효율이지만 색온도 변화 가능

실무에서는 PWM 디밍 + 저주파 플리커 억제 조건을 동시에 만족시켜야 하기 때문에 PWM 듀티 조절 시 MCU 해상도(8bit/10bit/12bit)와 PWM 주파수 500Hz~25kHz 범위가 중요 설계 포인트가 됩니다.

 

보호회로 설계: LED 드라이버의 신뢰성 핵심

LED 드라이버 보호회로는 단순 부가 기능이 아니라 실제 현장에서 가장 많이 발생하는 고장 상황을 방지하는 핵심 요소입니다.

1) OCP (Over Current Protection)
LED가 쇼트되거나 인덕터 포화 시 발생합니다. Rsense 기반의 전류 감지 + 비교기(Comparator)로 즉시 스위칭 차단합니다.

2) OVP (Over Voltage Protection)
LED 단선(Open LED) 상황에서 출력 전압이 인덕터 충전 탓에 상승하는 것을 억제해야 합니다. 보통 OV 핀에서 설정한 기준전압 > 실제 전압 → 스위칭 정지로 동작합니다.

3) OTP (Over Temperature Protection)
MOSFET 발열, 인덕터 포화, 정류부 손실 증가 시 150℃ 전후에서 IC가 자동 차단합니다.

4) LED 오픈/쇼트 보호
현장에서 가장 흔한 고장 모드이며, LED 드라이버 보호 설계의 핵심이 됩니다. 오픈 시: 출력 전압 급상승 → OVP로 차단 쇼트 시: LED 전류 폭증 → OCP로 차단

 

고효율 LED 드라이버 설계를 위한 핵심 요소

1.  스위칭 손실 최소화

MOSFET 스위칭 손실은 드라이버 효율을 크게 좌우합니다. 특히 고주파 설계에서는 Miller Charge(Qgd)가 큰 차이를 만들기 때문에 데이터시트의 Qgs, Qgd 값을 반드시 비교해야 합니다.

2. 인덕터 선택 (효율의 절반을 결정)

인덕터 손실 = 코어 손실 + DCR 손실로 구성됩니다. 고효율을 위해서는 다음 조건이 필요합니다.

- 포화전류(Isat)는 LED 최대 전류 × 1.3 이상 - DCR이 낮을수록 효율 상승 - Ferrite 코어: 고주파에서 유리

3. 정류부 손실(다이오드 or 동기정류)

순방향 전압강하(Vf)는 곧 손실(P = I × Vf)이므로, 효율이 중요한 설계는 쇼트키 → 동기정류 MOSFET으로 바뀌고 있습니다. 특히 전류가 큰 LED 스트립·산업등에서는 동기정류가 필수입니다.

 

EMI/노이즈 억제: 실무에서 가장 많이 실패하는 영역

스위칭 전원은 구조적으로 EMI가 발생하기 때문에, 레이아웃 단계부터 이를 억제해야 합니다.

실무에서 반드시 지키는 규칙 4가지

1) 스위칭 노드(SW)는 가능한 짧게, 면적 최소로 2) 인덕터와 MOSFET 주변에는 GND Shield 적용 3) 스너버(RC) 회로로 Overshoot 억제 4) High di/dt 경로는 서로 멀리 배치

EMI는 설계 후 수정하기 가장 어려운 문제이므로, 초기에 레이아웃부터 잡아주는 것이 필수입니다.

 

실무 LED 드라이버 설계 체크리스트

아래 사항을 점검하면 즉시 실패율을 크게 줄일 수 있습니다.

- Rsense 전압강하가 IC 피드백 범위와 일치하는가 - 인덕터 포화전류가 충분한가 - MOSFET 온저항(Rds(on))과 Qg 균형을 잡았는가 - LED 오픈/쇼트 테스트를 실제로 진행했는가 - PWM 디밍에서 플리커(저주파 깜빡임) 테스트를 수행했는가 - 보호회로 클램핑이 정상적으로 동작하는가

LED 드라이버는 계산보다 “테스트 반복”이 중요한 분야이기 때문에, 회로 동작뿐 아니라 열·EMI·부하 변동까지 반드시 검증해야 합니다.

 

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LED 드라이버 회로는 구조는 단순해 보이지만, 실제로는 스위칭·보호·EMI·효율 등이 얽힌 고난도 설계 분야입니다. 특히 PWM 제어 구조와 보호회로 설계는 LED 품질과 수명을 결정하는 핵심 요소이며, 효율을 높이기 위해서는 스위칭 소자·정류 방식·인덕터 선정까지 모두 유기적으로 고려해야 합니다. 실무 엔지니어라면 위에서 다룬 항목들을 설계와 테스트 과정에서 체크하면 더욱 신뢰성 높은 LED 드라이버를 구성할 수 있게 됩니다.